EP2157388B1 - Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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EP2157388B1
EP2157388B1 EP09165657.9A EP09165657A EP2157388B1 EP 2157388 B1 EP2157388 B1 EP 2157388B1 EP 09165657 A EP09165657 A EP 09165657A EP 2157388 B1 EP2157388 B1 EP 2157388B1
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EP
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heat exchanger
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collector
area
fluid
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Thomas Bensel
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Mahle Behr GmbH and Co KG
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Mahle Behr GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/028—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using inserts for modifying the pattern of flow inside the header box, e.g. by using flow restrictors or permeable bodies or blocks with channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/0408—Multi-circuit heat exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat exchangers for more than two fluids
    • F28D1/0417—Multi-circuit heat exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat exchangers for more than two fluids with particular circuits for the same heat exchange medium, e.g. with the heat exchange medium flowing through sections having different heat exchange capacities or for heating/cooling the heat exchange medium at different temperatures

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for a motor vehicle according to the preamble of claim 1.
  • a heat exchanger is known from DE 100 39 386 A1 known.
  • DE 195 36 116 A1 describes a coolant radiator for a motor vehicle, on the integrated construction of a further oil cooler for cooling an oil circuit of a power steering or an internal combustion engine is formed.
  • Several sections for forming the separate circuits are formed on opposite collectors, wherein in a portion of the oil circuit, a partition wall is provided with a bypass bore to limit a pressure drop across the oil cooler.
  • the heat exchanger has a first outlet for a first cooling branch of the fluid, and a second outlet for a second cooling branch of the fluid, wherein the second outlet is arranged on the second area.
  • a heat exchanger is formed, in which the same inflowing fluid is branched to different temperatures tempered.
  • the second area is connected to the second outlet, the second area being part of a low-temperature cooling section integrated into the heat exchanger.
  • the heat exchanger has a second header, wherein the first drain is formed on the second header.
  • the low-temperature cooling section is flowed through to achieve a particularly good cooling U-shaped.
  • the first fluid flow leads to an internal combustion engine of the motor vehicle.
  • the second fluid stream expediently leads to a further heat exchanger of the motor vehicle, in particular from the group exhaust gas cooler, intercooler or oil cooler.
  • the heat exchanger is designed so that a flow-through cross-sectional area of the collector is reduced by the throttle member, in particular by a factor between about 5 and about 200.
  • a ratio of a number of exchanger tubes of the first region to a number of exchanger tubes of the third region is between about 4 and about 20, in particular between about 5 and about 12.
  • the throttle member is designed as a partition used in the collector with at least one opening or recess. It can be, for example, a hole to act of a defined diameter. Alternatively, a plurality of openings, for example in the manner of a perforated plate or a flow grid, may be provided.
  • the heat exchanger is designed in the interest of a simple series production as a whole aluminum heat exchanger.
  • the heat exchanger according to the invention may be designed as a completely aluminum coolant radiator for a motor vehicle.
  • the collectors including bottom and box parts are made of aluminum and, if possible in a single step with the exchanger tubes, ribs and other components are soldered in a brazing furnace.
  • the heat exchanger has a first header 1 and a second header 2, between which extends a stack of evenly spaced exchanger tubes 3, which are formed as aluminum flat tubes. Between adjacent flat tubes 3 is in each case a ribbed layer 4, through which the heat transfer to the network of pipes and fins flowing air is improved.
  • the heat exchanger is flowed through by a liquid fluid in the form of a coolant of an engine cooling circuit of the motor vehicle.
  • the heat exchanger is subdivided into a first region A and a second region B via a fluid-tight dividing wall 5 arranged in the first collector.
  • a throttle member 6 divides a third region C which lies between the first region A and the second region B in the first collector 1.
  • the throttle member 6 is not formed as a fluid-tight barrier, but as a sheet metal part with a defined dimensioned opening 7 in the form of a circular bore.
  • the collector 1 in the vicinity of the throttle member 6 has an inner cross-section of about 3 cm X 3.5 cm, the bore 7 has a diameter of about 0.6 cm.
  • the geometric flow cross-section in the longitudinal direction of the collector in the region of the throttle member 6 is reduced approximately by a factor of 40.
  • a single inlet 8 is provided for the coolant.
  • a first outlet 9 is formed over its entire length of continuous second collector 2, which is arranged on the first collector opposite end of the flat tubes.
  • a second drain 10 is arranged on the second region of the first collector 1.
  • a coolant radiator is provided in which a first cooling branch of the coolant entering through the inlet 8 leaves the first outlet 9, after the exchanger tubes starting from the areas A and C once flowed through in the longitudinal direction.
  • This cooling branch is led as a return to the vehicle engine to cool it.
  • a second cooling branch or partial flow of the coolant additionally passes in the second region B arranged exchanger tubes in the opposite direction, starting from the second collector 2 to the first collector 1, where the second cooling branch leaves the collector area B through the second drain 10.
  • This cooling branch which flows through the coolant radiator overall U-shaped, serves as a flow for a further heat exchanger of the motor vehicle, for example, an indirect or liquid-cooled exhaust gas cooler, intercooler or oil cooler.
  • the second cooling branch is designed as a low-temperature branch.
  • inlet temperatures of 120 ° C inlet temperatures of 120 ° C, the outlet temperatures of the coolant at the first outlet 9 are typically about 80 ° C and at the second outlet 10 of the low-temperature cooling section at typically 60 ° C.
  • the volume flows per exchanger tube of the individual areas A, B, C are indicated by differently thick directional arrows. This makes it clear that the flow in the first region A and in the third region C is rectified with respect to the exchanger tubes.
  • the flow in each case leads from the regions A, C into the exchanger tubes, wherein in a modified embodiment, a respective reverse flow direction can also be present.
  • the extent of the third region C in the longitudinal direction of the collector 1 is considerably smaller than that of the first region A.
  • the ratio of the number of exchanger tubes arranged on the first region A to that of the exchanger tubes arranged on the third region C is about 8.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Wärmetauscher ist aus der DE 100 39 386 A1 bekannt.
  • DE 195 36 116 A1 beschreibt einen Kühlmittelkühler für ein Kraftfahrzeug, an dem in integrierter Bauweise ein weiter Ölkühler zur Kühlung eines Öl-kreislaufs einer Servolenkung oder eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Dabei sind an gegenüberliegenden Sammlern mehrere Abschnitte zur Ausbildung der getrennten Kreisläufe ausgebildet, wobei in einem Abschnitt des Ölkreislaufs eine Trennwand mit einer Bypassbohrung vorgesehen ist, um einen Druckabfall über dem Ölkühler zu begrenzen.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug anzugeben, bei dem temperaturbedingte Materialspannungen verringert sind.
  • Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Wärmetauscher erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Strömungsbegrenzung zwischen zwei benachbarten, bezüglich der Tauscherrohre in gleicher Richtung strömenden Bereichen des Sammlers wird in dem dritten Bereich eine gegenüber dem ersten Bereich gemä-ßigte Temperatur der Tauscherrohre erzielt. Eine je nach Betriebsbedingungen auftretende maximale Temperaturdifferenz zu dem dritten Bereich benachbarten Rohren des zweiten Bereichs wird hierdurch verringert. Somit wird auch eine durch thermische Längendehnung der Rohre der verschiedenen Bereiche bedingte maximale mechanische Verspannung reduziert.
  • Der Wärmetauscher hat einen ersten Ablauf für einen ersten Kühlzweig des Fluids, und einen zweiten Ablauf für einen zweiten Kühlzweig des Fluids, wobei der zweite Ablauf an dem zweiten Bereich angeordnet ist. Hierdurch ist ein Wärmetauscher gebildet, bei dem dasselbe einströmende Fluid verzweigt auf verschiedene Temperaturen temperierbar ist. Dabei ist der zweite Bereich mit dem zweiten Ablauf verbunden, wobei der zweite Bereich Teil einer in den Wärmetauscher integrierten Niedertemperatur-Kühlstrecke ist. Der Wärmetauscher hat einen zweiten Sammler, wobei der erste Ablauf an dem zweiten Sammler ausgebildet ist. Die Niedertemperatur-Kühlstrecke wird dabei zur Erzielung einer besonders guten Kühlung U-förmig durchströmt.
  • Bei einer bevorzugten Auslegung des Wärmetauschers führt der erste Fluidstrom zu einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs. Der zweite Fluidstrom führt zweckmäßig zu einem weiteren Wärmetauscher des Kraftfahrzeugs, insbesondere aus der Gruppe Abgaskühler, Ladeluftkühler oder Öl-kühler.
  • Allgemein vorteilhaft ist der Wärmetauscher so ausgelegt, dass durch das Drosselglied eine durchströmbare Querschnittsfläche des Sammlers reduziert ist, insbesondere um einen Faktor zwischen etwa 5 und etwa 200.
  • Weiterhin ist in optimierter Auslegung des Wärmetauschers vorgesehen, dass ein Verhältnis einer Anzahl von Tauscherrohren des ersten Bereichs zu einer Anzahl von Tauscherrohren des dritten Bereichs zwischen etwa 4 und etwa 20, insbesondere zwischen etwa 5 und etwa 12 beträgt.
  • In einfacher baulicher Realisierung ist das Drosselglied als in den Sammler eingesetzte Trennwand mit zumindest einer Durchbrechung beziehungsweise Aussparung ausgebildet. Es kann sich dabei zum Beispiel um eine Bohrung von definiertem Durchmesser handeln. Alternativ können auch mehrere Durchbrechungen, etwa nach Art eines Lochbleches oder eines Strömungsgitters, vorgesehen sein.
  • Allgemein vorteilhaft ist der Wärmetauscher im Interesse einer einfachen Serienfertigung als Ganzaluminium-Wärmetauscher ausgebildet ist.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt eine räumliche Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
    Fig. 2
    zeigt eine Draufsicht auf den Wärmetauscher aus Fig. 1
    Fig. 3
    zeigt eine aufgeschnittene räumliche Teilansicht eines Sammlers des Wärmetauschers aus Fig. 1 und Fig. 2.
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann als GanzaluminiumKühlmittelkühler für ein Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Unter GanzaluminiumBauweise wird dabei verstanden, dass die Sammler einschließlich Bodenund Kastenteilen aus Aluminium bestehen und nach Möglichkeit in einem einzigen Schritt mit den tauscherrohren, Rippen und weiteren Bauteilen in einem Lötofen verlötet werden.
  • Der Wärmetauscher hat einen ersten Sammler 1 und einen zweiten Sammler 2, zwischen denen sich ein Stapel von gleichmäßig beabstandeten Tauscherrohren 3 erstreckt, die als Aluminium-Flachrohre ausgebildet sind. Zwischen benachbarten Flachrohren 3 befindet sich jeweils eine Rippenlage 4, durch die der Wärmeübertrag auf das Netz aus Rohren und Rippen durchströmende Luft verbessert ist. Der Wärmetauscher wird von einem flüssigen Fluid in Form eines Kühlmittels eines Motor-Kühlkreislaufs des Kraftfahrzeugs durchströmt.
  • Der Wärmetauscher ist über eine im ersten Sammler angeordnete fluiddichte Trennwand 5 in einen ersten Bereich A und einen zweiten Bereich B unter-teilt. Ein Drosselglied 6 teilt einen dritten Bereich C ab, der zwischen dem ersten Bereich A und dem zweiten Bereich B im ersten Sammler 1 liegt. Das Drosselglied 6 ist nicht als fluiddichte Sperre, sondern als Blechteil mit einer definiert dimensionierten Durchbrechung 7 in Form einer kreisrunden Bohrung ausgebildet. Hierdurch sind der erste Bereich A und der dritte Bereich C über das Drosselglied 6 miteinander verbunden, wobei eine Strömung zwischen den Bereichen A, C deutlich gegenüber einer Strömung innerhalb des jeweiligen Bereichs A oder C gehemmt ist.
  • Vorliegend hat der Sammler 1 in der Nähe des Drosselglieds 6 einen inneren Querschnitt von etwa 3 cm X 3,5 cm, wobei die Bohrung 7 einen Durchmesser von etwa 0,6 cm hat. Hierdurch ist der geometrische Strömungsquerschnitt in der Längsrichtung des Sammlers im Bereich des Drosselglieds 6 ungefähr um den Faktor 40 reduziert.
  • In dem ersten Bereich A ist ein einziger Zulauf 8 für das Kühlmittel vorgesehen. Ein erster Ablauf 9 über seine gesamte Länge durchgängigen zweiten Sammler 2 ausgebildet, welcher am dem ersten Sammler gegenüberliegenden Ende der Flachrohre angeordnet ist. Ein zweiter Ablauf 10 ist an dem zweiten Bereich des ersten Sammlers 1 angeordnet.
  • Durch diese Anordnung von Trennwand 5 und Drosselglied 6 in den Sammlern 1, 2 ist ein Kühlmittelkühler gegeben, bei dem ein erster Kühlzweig des durch den Zulauf 8 eintretenden Kühlmittels aus dem ersten Ablauf 9 verlässt, nachdem er die Tauscherrohre ausgehend von den Bereichen A und C einmal in Längsrichtung durchströmt hat. Dieser Kühlzweig wird als Rücklauf zum Fahrzeugmotor geführt, um diesen zu kühlen.
  • Ein zweiter Kühlzweig bzw. Teilstrom des Kühlmittels durchläuft zusätzlich im zweiten Bereich B angeordneten Tauscherrohre in Gegenrichtung ausgehend vom zweiten Sammler 2 zum ersten Sammler 1, wo der zweite Kühlzweig den Sammlerbereich B durch den zweiten Ablauf 10 verlässt. Dieser Kühlzweig, der den Kühlmittelkühler insgesamt U-förmig durchströmt, dient als Vorlauf für einen weiteren Wärmetauscher des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel einen indirekt bzw. flüssigkeitsgekühlten Abgaskühler, Ladeluftkühler oder Ölkühler.
  • Entsprechend der längeren Kühlstrecke ist der zweite Kühlzweig als Niedertemperaturzweig ausgelegt. Bei im Normalbetrieb üblichen Eintrittstemperaturen von 120° C liegen die Austrittstemperaturen des Kühlmittels am ersten Ablauf 9 bei typisch etwa 80 °C und am zweiten Ablauf 10 der Niedertemperatur-Kühlstrecke bei typisch 60 °C.
  • Die Volumenströme je Tauscherrohr der einzelnen Bereiche A, B, C sind durch unterschiedlich dicke Richtungspfeile angedeutet. Hierdurch wird deutlich, dass die Strömung im ersten Bereich A und im dritten Bereich C bezüglich der Tauscherrohre gleichgerichtet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel führt die Strömung jeweils von den Bereichen A, C in die Tauscherrohre hinein, wobei in abgewandelter Ausführung auch eine jeweils umgekehrte Strömungsrichtung vorliegen kann.
  • Die Ausdehnung des dritten Bereichs C in Längsrichtung des Sammlers 1 ist erheblich kleiner als die des ersten Bereichs A. Das Verhältnis der Anzahl der am ersten Bereich A angeordneten Tauscherrohre zu dem der am dritten Bereich C angeordneten Tauscherrohre beträgt etwa 8.
  • Die Erfindung funktioniert nun wie folgt:
    • Durch das Drosselglied 6 ist der Volumenstrom in den Tauscherrohren des Bereichs C deutlich reduziert, so dass auch die Tauschrohre des Bereichs C im Betrieb eine niedrigere Temperatur annehmen als die des Bereichs A. Die ist insbesondere bei einem Kaltstart des Fahrzeugs vorteilhaft. Dabei ist der Ablauf 10 des Niedertemperaturzweigs regelmäßig noch zu einem Zeitpunkt geschlossen, zu dem bereits heißes Kühlmittel vom der Verbrennungsmotor in den Zulauf 8 und aus dem ersten Ablauf 9 strömt. Bei modernen Kühlmittelsteuerungen erfolgt der Zustrom oft über ein getaktet geschaltetes Ventil, so dass kurzzeitig besonders große Temperaturdifferenzen zwischen den Rohren des ersten Bereichs A und den des noch nicht durchströmten zweiten Bereichs B auftreten. Hierdurch würden aufgrund der unterschiedlichen Rohrdehnungen im Grenzbereich (durchgezogene Linie in Fig. 2) erhebliche Materialspannungen bzw. Biegemomente auf die Sammler einwirken. Insbesondere sind hiervon die gelöteten Anschlüsse der Rohre an den Bodenbereichen der Sammler betroffen. Mittels des Drosselglieds 6 wird der Temperaturgradient über die Rohre des dritten Bereichs C abgestuft verteilt, so dass die verschiedenen Rohrdehnungen über einen größeren Sammlerbereich verteilt werden und das maximale Biegemoment bzw. die maximale Materialspannung verringert ist.
  • Es versteht sich, dass dieses Prinzip auch auf andere Bauformen von Wärmetauschern ausdehnbar ist. Insbesondere könnten in abgewandelter Bauform, zum Beispiel einer Trennwand im zweiten Sammler, zwei vollstandig von einander getrennte Fluidkreise mit gegebenenfalls verschiedenen Fluiden vorgesehen sein.

Claims (7)

  1. Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, umfassend
    ∘ einen ersten Sammler (1) mit zumindest einem Zulauf (8) für einen ersten und einen zweiten Kühlzweig eines Fluids,
    ∘ einen zweiten Sammler (2) mit einem ersten Ablauf (9) für den ersten Kühlzweig des Fluids, und
    ∘ eine Mehrzahl von an dem Sammler (1) angeordneten Tauscherrohren (3),
    wobei der erste Sammler (1) fluiddicht in einen ersten Bereich (A) und einen zweiten Bereich (B) unterteilt ist, wobei die Tauscherrohre (3) den ersten und den zweiten Bereich (A, B) fluidisch mit dem zweiten Sammler (2) verbinden, wobei der Zulauf (8) im ersten Bereich (A) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher einen zweiten Ablauf (10) für den zweiten Kühlzweig des Fluids umfasst, der als Niedertemperaturzweig ausgelegt ist, wobei der zweite Ablauf (10) an dem zweiten Bereich (B) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass im ersten Sammler (1) ein Drosselglied (6) vorgesehen ist, mittels dessen ein zwischen erstem und zweitem Bereich (A, B) angeordneter dritter Bereich (C) in dem ersten Sammler (1) ausgebildet ist, wodurch eine Fluidströmung zwischen dem ersten Bereich (A) und dem dritten Bereich (C) definiert gedrosselt ist, wobei Tauscherrohre (3) den dritten Bereich (C) fluidisch mit dem zweiten Sammler (2) verbinden, wobei das Fluid in den mit dem ersten Bereich (A) und den mit dem dritten Bereich (C) verbundenen Tauscherrohren (3) in derselben Richtung strömt.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidstrom zu einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs führt.
  3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidstrom (B) zu einem weiteren Wärmetauscher des Kraftfahrzeugs führt, insbesondere aus der Gruppe Abgaskühler, Ladeluftkühler oder Ölkühler.
  4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Drosselglied (6) eine durchströmbare Querschnittsfläche des Sammlers reduziert ist, insbesondere um einen Faktor zwischen etwa 5 und etwa 200.
  5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis einer Anzahl von Tauscherrohren des ersten Bereichs (A) zu einer Anzahl von Tauscherrohren des dritten Bereichs (C) zwischen etwa 4 und etwa 20, insbesondere zwischen etwa 5 und etwa 12 beträgt.
  6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselglied (6) als in den Sammler (1) eingesetzte Trennwand mit zumindest einer Durchbrechung (7) ausgebildet ist.
  7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Ganzaluminium-Wärmetauscher ausgebildet ist.
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