EP2413080A2 - Kühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Kühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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EP2413080A2
EP2413080A2 EP11184872A EP11184872A EP2413080A2 EP 2413080 A2 EP2413080 A2 EP 2413080A2 EP 11184872 A EP11184872 A EP 11184872A EP 11184872 A EP11184872 A EP 11184872A EP 2413080 A2 EP2413080 A2 EP 2413080A2
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EP
European Patent Office
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heat transfer
cooling device
webs
transfer unit
outer shell
Prior art date
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Withdrawn
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EP11184872A
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Hans-Jürgen Hüsges
Hans-Ulrich Kühnel
Peter Heuer
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Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Publication date
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    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/14—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes molded

Definitions

  • the invention relates to a cooling device, in particular an exhaust gas cooling device for an internal combustion engine with an outer shell, in which at least one heat transfer unit is arranged, which has an outer housing, which separates a formed between the outer shell and the heat transfer unit, by a coolant flow-through jacket of a channel in the heat transfer unit is formed and through which flows the fluid to be cooled, wherein webs are arranged between the outer shell and the outer housing of the heat transfer unit, which limit channels through which coolant flows.
  • Such cooling devices are used, for example, in internal combustion engines as exhaust gas cooling devices for the reduction of pollutant emissions by the exhaust gas is cooled mixed with the freshly drawn air and fed to the cylinders. By reducing the temperature of the cylinder filling pollutant emissions are reduced. For this purpose, various designs of cooling devices have been registered.
  • a similar design is also from the DE 20 2004 008 737 known, which also discloses a cylindrical heat exchanger whose partitions are arranged spirally so helically around the inner channel. These partitions are formed by a wire which is approximately square. This wire is then firmly bonded to the inner tube, so the heat exchanger unit.
  • a disadvantage of such embodiments is that in such helical positive guides the heat exchanger is fixed with respect to the arrangement of the coolant inlet and outlet. In a helical flow around the inner heat exchanger unit, the inlets and outlets for the coolant must be located at the axial ends of the heat exchanger.
  • an axially extending web is disposed between the outer shell and each of the two heat transfer units, wherein the two axially extending webs are arranged on opposite circumferential sides of the shell and extending in the circumferential direction webs alternately from both sides of the axially extending webs the heat transfer units extend, wherein each first circumferentially extending land terminates at a distance in front of the first axially extending land, and each second circumferentially extending land terminates at a distance in front of the second axially extending land.
  • the heat transfer unit is produced by die-casting, so that it is lightweight, for example, when using an aluminum or magnesium diecasting and yet can be produced inexpensively. At the same time it is suitable for high temperatures.
  • the heat transfer unit is composed of an upper part and a lower part, which are connected to one another by welding, in particular friction stir welding.
  • Friction stir welding is particularly suitable for use with magnesium or aluminum die cast coolers. Additional protuberances or eyes for screw, as they are known in other cooling devices for connecting two parts together, are not necessary here, so that a very small, yet tight assembly is ensured without additional seals.
  • the webs are at least partially on the outer housing of the Heat transfer unit arranged so that no additional inserts are necessary to ensure a functioning forced operation. In die casting these webs are then produced in only one manufacturing step with the heat transfer unit.
  • the claimed cooling devices have a high efficiency, their size and the arrangement of the coolant inlets and outlets are almost arbitrary. Such cooling devices are simple and inexpensive to manufacture and assemble without having to use additional components.
  • FIGS. 1 to 3 is a heat transfer unit 1 of a cooling device shown, which is usually surrounded by a one-piece outer shell, which is not shown here.
  • the heat transfer unit 1 has an outer housing 2, on which webs 3, 4, 5, 6 are formed. Their height corresponds to the distance between an inner wall of the outer shell and the outer housing 2 of the heat transfer unit 1, so that an emerging between the outer shell, not shown, and the heat transfer unit 1 by the coat Webs 3, 4, 5, 6 is divided into a continuous channel 7.
  • an exhaust gas flowed through channel is formed, in which, for example, ribs can be arranged for better heat transfer.
  • the heat transfer unit 1 is designed U-shaped, this means that at least one axially extending web is formed in the interior of the heat transfer unit 1, which is interrupted in the rear region and thus allows a deflection of the exhaust gas flow. Accordingly, an exhaust gas inlet 8 and an exhaust gas outlet 9 are formed at the same axial end of the heat transfer unit 1.
  • the webs 3, 4, 5, 6 are designed such that the heat transfer unit 1 first in its first half 10 and then in the reverse direction in its second half 11 is forcibly flows meandering, so that a coolant inlet 12 and a coolant outlet 13 at the same axial End of the heat transfer unit 1 are arranged.
  • two axially extending webs 3, 4 are formed on the outer housing 2 of the heat transfer unit 1, of which a first axially extending web 3 on the in FIG. 1 shown top and a second axially extending web 4 at the in FIG. 3 shown underside of the heat transfer unit 1 is located. From these axially extending webs 3, 4 extend in the axial direction on both sides of the webs 3, 4 in the circumferential direction alternately webs 5, 6, each ending in front of the arranged on the opposite side axially extending web 4, 3 ends.
  • the distance between the end of a circumferential ridge 5, 6 and the respective affected axial web 3, 4 corresponds substantially to the distance between two consecutive extending in the circumferential direction webs 5, 6, so that there is only a slight pressure drop.
  • the coolant flows in the direction of the in FIG. 1 to be recognized axial web 3 and between the end of the circumferentially extending web 6 and the axially extending web 3 between the two circumferentially extending webs 5, 6.
  • the coolant flows along the in FIG. 2 shown side wall to the underside of the heat transfer unit 1, which in FIG. 3 is shown.
  • the flow is in turn deflected in the axial direction, so that the coolant between the end of the circumferentially extending web 5 and extending in the axial direction web 4 in turn undergoes a deflection of 90 ° and between the webs 5, 6 can flow back to the top.
  • FIGS. 4 and 5 a similar cooling device is shown, in which case also a in FIG. 4 opened outer shell 14 is shown.
  • outer shell 14 On the inner walls of the outer shell 14 double webs 15 are formed, which engage around the webs 3, 4, 5, 6 around, so that a reliable seal is achieved.
  • the outer shell of an upper part 16 and a lower part 17 is constructed, as in FIG. 5 can be seen.
  • the heat exchanger unit 1 is made in two parts with an upper part 18 and a lid-shaped lower part 19.
  • the flow around in the FIGS. 4 and 5 shown cooling device takes place in the same manner as in connection with the FIGS. 1 and 3 described in this view, the jacket 20 and in FIG. 5 the inner exhaust gas flowed through channel 21 can be seen, in which ribs 22 extend from both parts 18, 19 in the channel 21.
  • a middle rib 23 can be seen, which separates the first flowed through first half 10 from the opposite flow through the second half 11.
  • FIG. 4 It will be seen that in the region of the outer edges of the lid-shaped lower part 19 of the heat transfer unit 1, the webs 5, 6 extending in the circumferential direction have interruptions 24. These interruptions 24 are present because during the attachment of the lower part 19 on the upper part 18, a weld takes place, in which the welding tool requires sufficient clearance. A discontinuous course of the ribs 5, 6 at this point means that no exact and tight weld would be possible without destroying the ribs 5, 6. Because of this, these will be present Interruptions 24 filled by arranged on the outer shell 14 short webs 25 during assembly of the cooling device. Such a bridge is in particular in FIG. 5 recognizable.
  • the cooling device is attached to the actual cooling device by means of an attachment part 26 on which the exhaust gas inlet 8 and the exhaust gas outlet 9 are formed. It is clear that a reliable forced flow in meandering form of the heat transfer unit 1 is achieved by both embodiments, wherein the coolant inlet and outlet 12, 13 are arranged at the same axial end of the heat exchanger unit 1.
  • FIGS. 6 and 7 An embodiment of a cooling device according to the invention is in the FIGS. 6 and 7 shown. The course of the coolant is shown by arrows. On the rear side existing components or currents are indicated by broken lines.
  • This cooling device contains in its interior two heat transfer units 27, 28, each of which is forcibly circulated completely around its circumference. This flow takes place in the form of an eight.
  • each of the heat transfer units 27, 28 has an axially extending web 29, 30, which extends from one axial end to the other.
  • the two axially extending webs 29, 30 are located after installation in the outer shell 31 on opposite circumferential sides of the cooling device, so that the axially extending web 29 is shown in dashed lines.
  • a coolant inlet 32 is in turn located on the side opposite the present view, from where the coolant flows in the circumferential direction around the first heat transfer unit 27. From here, the coolant continues to flow between the first heat transfer unit 27 and the second heat transfer unit 28, since the further path through the web 30 is interrupted. The coolant continues to flow on the side of the cooling device facing away from this view and around the second heat transfer unit 28 in the circumferential direction.
  • a lateral boundary of the coolant flowed through channel 33 consists of a circumferentially extending web 34 which extends around the entire heat transfer unit 27 and a circumferentially extending web 35 which extends around the entire heat transfer unit 28, but before impinging on the axial web 30th ends.
  • the flow in the circumferential direction thus ends at the axial web 30, where a deflection of the coolant takes place and this in the axial direction between the axially extending web 30 the in the circumferential direction extending web 35 continues.
  • the coolant again undergoes a deflection, since an axial flow is prevented by a web 36 which extends in the circumferential direction around the heat transfer unit 28. It flows around the second 30 heat transfer unit 28, limited by the webs 35 and 36 and flows from here again due to the resistance of the second axial web 29 now between the two heat transfer units 27, 28 on the side corresponding to the present view.
  • the heat transfer units 27, 28 have a common housing 39, which is closed at opposite peripheral sides in each case by a cover member 40, 41, so that the webs 42 between the heat transfer units 27, 28 are integral with the housing 39.

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Abstract

Es wird eine Kühlvorrichtung, insbesondere Abgaskühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen mit einer Außenschale (31), in der zumindest eine Wärmeübertragungseinheit (27, 28) angeordnet ist, welche ein Außengehäuse (39, 40, 41) aufweist, welches ein zwischen der Außenschale (31) und der Wärmeübertragungseinheit (27, 28) ausgebildeten, von einem Kühlmittel durchströmten Mantel von einem Kanal (21) trennt, der in der Wärmeübertragungseinheit (27, 28) ausgebildet ist und durch den das zu kühlende Fluid strömt, wobei zwischen Außenschale (31) und Außengehäuse (39, 40, 41) der Wärmeübertragungseinheit (27, 28) Stege (29, 30, 34, 35, 36, 37) angeordnet sind, welche im Mantel einen Kühlmittel durchströmten Kanal (33) begrenzen. Erfindungsgemäß sind zwei Wärmeübertragungseinheiten (27, 28) in einer Außenschale (31) angeordnet, zwischen denen Stege (29, 30, 34, 35, 36, 37) derart ausgebildet sind, dass jede der Wärmeübertragungseinheiten (27, 28) im Querschnitt allseitig und mäanderförmig zwangsumströmt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, insbesondere Abgaskühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Außenschale, in der zumindest eine Wärmeübertragungseinheit angeordnet ist, welche ein Außengehäuse aufweist, welches ein zwischen der Außenschale und der Wärmeübertragungseinheit ausgebildeten, von einem Kühlmittel durchströmten Mantel von einem Kanal trennt, der in der Wärmeübertragungseinheit ausgebildet ist und durch den das zu kühlende Fluid strömt, wobei zwischen Außenschale und Außengehäuse der Wärmeübertragungseinheit Stege angeordnet sind, welche im Mantel Kühlmittel durchströmte Kanäle begrenzern.
  • Derartige Kühlvorrichtungen werden beispielsweise in Verbrennungskraftmaschinen als Abgaskühlvorrichtungen zur Verminderung von Schadstoffemmissionen eingesetzt, indem das Abgas gekühlt mit der frisch angesaugten Luft vermischt und den Zylindern zugeführt wird. Durch diese Temperaturminderung der Zylinderfüllung werden Schadstoffemmissionen reduziert. Hierzu wurden unterschiedlichste Ausführungen von Kühlvorrichtungen angemeldet.
  • Problematisch in vielen dieser Kühlvorrichtungen sind Todgebiete oder Wirbel im Kühlmittel durchströmten Mantel, in denen kein Kühlmittelaustausch stattfindet, wodurch der Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung deutlich herab gesetzt wird. Auch können durch ein Sieden des Kühlmittels Schäden an der Kühlvorrichtung entstehen.
  • Um derartige Todwassergebiete zu vermeiden und den Wirkungsgrad eines Wärmetauschers zu erhöhen, wurden Kühlvorrichtungen entwickelt, welche eine Zwangsführung des Kühlmittels beinhalten.
  • So wird in der DE 20 48 474 eine Trennwand für eine Kühlvorrichtung offenbart, welche im Kühlmittelmantel angeordnet ist und einen durchströmten Kanal definiert. Diese Kühlvorrichtung ist zylinderförmig ausgebildet, wobei die Stege zur Zwangsführung des Kühlrnittelstroms aus einem nachträglich auf die innen liegende Wärmetauschereinheit angeordneten Trennblatt gebildet werden, welches schraubenförmig die innere Wärmetauschereinheit umgibt, so dass eine Zwangsführung in Spiralform um die Wärmetauschereinheit erzielt wird.
  • Eine ähnliche Ausführung ist auch aus der DE 20 2004 008 737 bekannt, welche ebenfalls einen zylinderförmigen Wärmetauscher offenbart dessen Trennwände spiralförmig also schraubenförmig um den inneren Kanal angeordnet sind. Diese Trennwände werden durch einen Draht gebildet, der annähernd quadratisch ausgebildet ist. Dieser Draht wird anschließend stoffschlüssig am innen liegenden Rohr, also der Wärmetauschereinheit befestigt.
  • Nachteilig an derartigen Ausführungen ist es, dass bei solchen schraubenförmigen Zwangsführungen der Wärmetauscher bezüglich der Anordnung des Kühlmitteleinlasses und -auslasses festgelegt ist. Bei einer schraubenförmigen Umströmung der inneren Wärmetauschereinheit müssen sich die Ein- und Auslässe für das Kühlmittel an den axialen Enden des Wärmetauschers befinden.
  • Des Weiteren ist es nachteilhaft, dass es fertigungstechnisch nur sehr schwierig und aufwendig möglich ist, die innere Wärmetauschereinheit nicht zylinderförmig sondern beispielsweise quaderförmig oder mehrteilig herzustellen oder mehrere Wärmetauschereinheiten in einer Außenschale anzuordnen, wobei jede Wärmetauschereinheit möglichst vollständig zwangsumströmt sein sollte. In einem derartigen Fall wäre es notwendig, die schraubenförmige Fortsetzung der die Kanäle begrenzenden Stege in beiden Teilen genau einander zuordnen zu können, so dass keine Sprünge oder Lücken zwischen den Einzelteilen bestehen.
  • Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung mit einer Kühlmittelzwangsführung bereit zu stellen, welche bezüglich der Anordnung der Kühlmittelein- und -auslässe hohe Freiheitsgrade aufweist, wobei gleichzeitig auch eine Mehrteiligkeit einer inneren Wärmetauschereinheit einfach herstellbar sein soll. Des Weiteren soll es beispielsweise möglich sein, mehrere Wärmerauschereinheiten in einem Gehäuse anzuordnen, welche dennoch einzeln möglichst vollständig zwangsumströmt werden.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwei Wärmeübertragungseinheiten in einer Außenschale angeordnet sind, zwischen denen Stege derart ausgebildet sind, dass jede der Wärmeübertragungseinheiten im Querschnitt allseitig und mäanderförmig zwangsumströmt ist. Durch diese mäanderförmige Umströmung ist die Anordnung der Ein- und Auslässe ebenso frei wählbar wie die Form der Kühlvorrichtung und der Wärmetauschereinheit. Auch bei einer Mehrteiligkeit der Wärmübertragungseinheit sind die Stege einfach und ohne Versatz mit der Wärmeübertragungseinheit herzustellen. Es handelt sich in einem solchen Fall um einen zweistöckigen Kühler, der den Vorteil hat, dass er axial weniger lang baut, so dass auch hier bezüglich des Bauraums deutlich höhere Freiheitsgrade bestehen im Vergleich zu spiralförmig zwangsumströmten Kühlern.
  • Eine derartige allseitige Umströmung wird dadurch erreicht, dass die beiden Wärmeübertragungseinheiten im Querschnitt im Wesentlichen in Form einer Acht umströmt sind. Zusätzliche Vor- und Rückströmungen werden so vermieden und Kühlmittelein- und -auslasskanäle können an den axial gegenüberliegenden Seiten der Wärmeübertragungseinheit angeordnet werden.
  • In einer derartigen bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Außenschale und jedem der beiden Wärmeübertragungseinheiten je ein axial verlaufender Steg angeordnet, wobei die beiden axial verlaufenden Stege an gegenüber liegenden Umfangsseiten des Mantels angeordnet sind und sich in Umfangsrichtung verlaufende Stege abwechselnd von beiden Seiten der axial verlaufenden Stege um die Wärmeübertragungseinheiten erstrecken, wobei jeder erste sich in Umfangsrichtung erstreckende Steg in einem Abstand vor dem ersten axial verlaufenden Steg endet und jeder zweite sich in Umfangsrichtung erstreckende Steg in einem Abstand vor den zweiten axial verlaufenden Steg endet. Durch eine solche Ausführung ist in besonders einfacher Weise die Umströmung des zweistöckigen Wärmetauschers in Form einer Acht gewährleistet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmeübertragungseinheit im Druckgussverfahren hergestellt, so dass diese beispielsweise bei Verwendung eines Aluminium- oder Magnesiumdruckgusses leicht ist und dennoch kostengünstig herstellbar ist. Gleichzeitig eignet sie sich für hohe Temperaturen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmeübertragungseinheit aus einem Oberteil und einem Unterteil aufgebaut, welche durch Schweißen, insbesondere Reibrührschweißen miteinander verbunden sind. Reibrührschweißen eignet sich in besonderer Weise zur Verwendung bei Magnesium- oder Aluminiumdruckgusskühlern. Zusätzliche Ausstülpungen oder Augen für Schraubverbindungen, wie sie bei anderen Kühlvorrichtungen zur Verbindung zweier Teile miteinander bekannt sind, sind hier nicht notwendig, so dass ein sehr kleiner und dennoch dichter Zusammenbau ohne zusätzliche Dichtungen gewährleistet ist.
  • Vorzugsweise sind die Stege zumindest teilweise am Außengehäuse der Wärmeübertragungseinheit angeordnet, so dass keine zusätzlichen Einlegeteile notwendig sind um eine funktionierende Zwangsführung zu gewährleisten. Im Druckgussverfahren sind diese Stege dann in nur einem Fertigungsschritt mit der Wärmeübertragungseinheit herstellbar.
  • Die beanspruchten Kühlvorrichtungen weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, wobei ihre Baugröße sowie die Anordnung der Kühlmittelein- und auslässe beinahe frei wählbar sind. Derartige Kühlvorrichtungen sind einfach und kostengünstig herstell- und montierbar, ohne zusätzliche Bauteile verwenden zu müssen.
  • Drei Ausführungsbeispiele von Wärmeübertragungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
    • Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Wärmeübertragungseinheit einer Kühlvorrichtung.
    • Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der Wärmeübertragungseinheit aus Figur 1.
    • Figur 3 zeigt eine Ansicht von unten auf die Wärmeübertragungseinheit der Figuren 1 und 2.
    • Figur 4 zeigt eine Ansicht von unten auf eine alternative Kühlvorrichtung mit zweiteiligem Außengehäuse, wobei ein Teil der Außenschale weg geschnitten dargestellt ist.
    • Figur 5 zeigt in geschnittener Darstellung eine Kopfansicht der Kühlvorrichtung aus Figur 4.
    • Figur 6 zeigt eine Ausführung einer erfindungsgemäßen zweistöckigen Kühlvorrichtung in teilweise geschnittener Darstellung in Draufsicht.
    • Figur 7 zeigt in geschnittener Darstellung eine Kopfansicht der Kühlvorrichtung aus Figur 6.
  • In den Figuren 1 bis 3 ist eine Wärmeübertragungseinheit 1 einer Kühlvorrichtung dargestellt, welche üblicherweise von einer einteiligen Außenschale, die hier nicht dargestellt ist, umgeben ist. Die Wärmeübertragungseinheit 1 weist ein Außengehäuse 2 auf, an dem Stege 3, 4, 5, 6 ausgebildet sind. Diese Stege 3, 4, 5, 6 dienen der Zwangsumströmung der Wärmeübertragungseinheit 1. Ihre Höhe entspricht dem Abstand zwischen einer Innenwand der Außenschale und dem Außengehäuse 2 der Wärmeübertragungseinheit 1, so dass ein zwischen der nicht dargestellten Außenschale und der Wärmeübertragungseinheit 1 entstehender Mantel durch die Stege 3, 4, 5, 6 in einen kontinuierlich verlaufenden Kanal 7 unterteilt wird.
  • Im Inneren der Wärmeübertragungseinheit 1 ist ein Abgas durchströmter Kanal ausgebildet, in dem beispielsweise Rippen zur besseren Wärmeübertragung angeordnet sein können. In vorliegendem Ausführungsbeispiel ist die Wärmeübertragungseinheit 1 U-förmig ausgeführt, dies bedeutet, dass im Inneren der Wärmeübertragungseinheit 1 zumindest ein axial verlaufender Steg ausgebildet ist, der im hinteren Bereich unterbrochen ist und so eine Umlenkung des Abgasstroms ermöglicht. Entsprechend sind ein Abgaseinlass 8 und ein Abgasauslass 9 am gleichen axialen Ende der Wärmeübertragungseinheit 1 ausgebildet.
  • Um den Kühlmittelstrom nun im wesentlichen entweder entgegen des Abgasstromes oder mit dem Abgasstrom entlang der Wärmetauschereinheit 1 führen zu können, sind die Stege 3, 4, 5, 6 derart ausgebildet, dass die Wärmübertragungseinheit 1 zunächst in ihrer ersten Hälfte 10 und anschließend in umgekehrter Richtung in ihrer zweiten Hälfte 11 mäanderförmig zwangsumströmt wird, so dass ein Kühlmitteleinlass 12 und ein Kühlmittelauslass 13 am gleichen axialen Ende der Wärmeübertragungseinheit 1 angeordnet sind.
  • Hierzu sind am Außengehäuse 2 der Wärmeübertragungseinheit 1 zwei axial verlaufende Stege 3, 4 ausgebildet, wovon sich ein erster axial verlaufender Steg 3 an der in Figur 1 dargestellten Oberseite und ein zweiter axial verlaufender Steg 4 an der in Figur 3 dargestellten Unterseite der Wärmeübertragungseinheit 1 befindet. Von diesen axial verlaufenden Stegen 3, 4 aus erstrecken sich in axialer Richtung betrachtet zu beiden Seiten der Stege 3, 4 in Umfangsrichtung abwechselnd Stege 5, 6, die jeweils vor dem an der gegenüber liegenden Seite angeordneten axial verlaufenden Steg 4, 3 enden. Der Abstand zwischen dem Ende eines Umfangsstegs 5, 6 und dem jeweils betroffenen axialen Steg 3, 4 entspricht dabei im Wesentlichen dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden in Umfangsrichtung verlaufenden Stegen 5, 6, so dass nur ein geringer Druckverlust vorliegt.
  • Anhand der Figuren 1 bis 3 ist der Verlauf des Kühlmittels nun ersichtlich. Über den Kühlmitteleinlass 12 strömt das Kühlmittel in Richtung des in Figur 1 zu erkennenden axialen Steges 3 und zwischen dem Ende des in Umfangsrichtung verlaufenden Steges 6 und dem axial verlaufenden Steg 3 zwischen die beiden in Umfangsrichtung verlaufenden Stege 5, 6. Von hier aus strömt das Kühlmittel entlang der in Figur 2 dargestellten Seitenwand zur Unterseite der Wärmeübertragungseinheit 1, die in Figur 3 dargestellt ist. Hier wird die Strömung wiederum in Axialrichtung umgelenkt, so dass das Kühlmittel zwischen dem Ende des in Umfangsrichtung verlaufenden Steges 5 und des in axialer Richtung verlaufenden Steges 4 wiederum eine Umlenkung von 90° erfährt und zwischen den Stegen 5, 6 zurück zur Oberseite strömen kann. Diese mäanderförmige Bewegung folgt nun mit wiederkehrenden Umlenkungen bis zum anderen axialen Ende der Wärmeübertragungseinheit 1, wo das Kühlmittel auf der Figur 1 zu erkennenden Oberseite der Wärmeübertragungseinheit 1 zur gegenüber liegenden Seitenwand der Wärmeübertragungseinheit 1 strömen kann, da in diesem Bereich der axial verlaufende Steg 3 unterbrochen ist. Von hier aus erfolgt nun weiter die mäanderförmige Bewegung jeweils um den halben Querschnitt der Wärmeübertragungseinheit 1 herum bis zum Auslass 13.
  • In den Figuren 4 und 5 ist eine ähnliche Kühlvorrichtung dargestellt, wobei hier auch eine in Figur 4 geöffnete Außenschale 14 dargestellt ist. An den Innenwänden der Außenschale 14 sind Doppelstege 15 ausgebildet, welche um die Stege 3, 4, 5, 6 herum greifen, so dass eine zuverlässige Abdichtung erreicht wird. Um dies erreichen zu können, ist die Außenschale aus einem Oberteil 16 und einem Unterteil 17 aufgebaut, wie in Figur 5 zu erkennen ist.
  • Wie bereits aus den Figuren 1 bis 3 hervorgeht, ist auch die Wärmetauschereinheit 1 zweiteilig ausgeführt mit einem Oberteil 18 und einem deckeiförmigen Unterteil 19. Die Umströmung der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Kühlvorrichtung erfolgt in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 3 beschrieben, wobei in dieser Ansicht auch der Mantel 20 sowie in Figur 5 der innere Abgas durchströmte Kanal 21 zu erkennen sind, in dem sich Rippen 22 von beiden Teilen 18, 19 in den Kanal 21 erstrecken. Auch ist eine mittlere Rippe 23 ersichtlich, die die zuerst durchströmte erste Hälfte 10 von der entgegengesetzt durchströmten zweiten Hälfte 11 trennt.
  • Aus Figur 4 wird ersichtlich, dass im Bereich der Außenränder des deckelförmigen Unterteils 19 der Wärmeübertragungseinheit 1 die in Umfangsrichtung verlaufenden Stege 5, 6 Unterbrechungen 24 aufweisen. Diese Unterbrechungen 24 sind vorhanden, weil bei der Befestigung des Unterteils 19 am Oberteil 18 eine Schweißung erfolgt, bei der das Schweißwerkzeug einen ausreichenden Freiraum benötigt. Ein unstetiger Verlauf der Rippen 5, 6 an dieser Stelle führt dazu, dass keine exakte und dichte Schweißung möglich wäre, ohne die Rippen 5, 6 zu zerstören. Aus diesem Grund werden diese vorhandenen Unterbrechungen 24 durch an der Außenschale 14 angeordnete kurze Stege 25 beim Zusammenbau der Kühlvorrichtung aufgefüllt. Ein solcher Steg ist insbesondere in Figur 5 erkennbar.
  • Bei der Wärmeübertragungseinheit gemäß den Figuren 1 bis 3 ist dieses Problem auf andere Weise gelöst worden, indem die beim Schweißvorgang als Freigang für das Werkzeug benötigten Bereiche zwischen Oberteil 18 und Unterteil 19 der Wärmeübertragungseinheit 1 um die auf dem Außengehäuse 2 angeordneten Rippen 5, 6 stetig ausgeführt sind. Hierdurch ergibt sich das in Figur 2 ersichtliche wellenförmige Profil auf der Unterseite. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise ein Reibrührschweißverfahren stattfinden kann, ohne dass die Rippen 5, 6 unterbrochen werden, jedoch den Nachteil dass um Strömungsverluste zu vermeiden der durchströmbare Querschnitt des Kühlmittelkanals 20 gleichgehalten werden muss, so dass eine genaue Berechnung der vorhandenen Oberflächen durchgeführt werden muss und im Guss verwirklicht werden muss.
  • In den Figuren 4 und 5 ist des Weiteren zu erkennen, dass die Kühlvorrichtung durch ein Aufsatzteil 26 an dem der Abgaseinlass 8 und der Abgasauslass 9 ausgebildet sind, an der eigentlichen Kühlvorrichtung befestigt wird. Es wird deutlich, dass durch beide Ausführungen eine zuverlässige Zwangsumströmung in Mäanderform der Wärmeübertragungseinheit 1 erreicht wird, wobei Kühlmittelein- und auslass 12, 13 am gleichen axialen Ende der Wärmetauschereinheit 1 angeordnet sind. Es sollte klar sein, dass auch eine Anordnung des Kühlmitteleinlasses 12 sowie des Abgaseinlasses 8 und des Kühlmittelauslasses 13 und des Abgasauslasses 9 an axial gegenüber liegenden Enden der Kühlvorrichtung bei mäander-förmiger Umströmung möglich sind, wobei dann lediglich ein axialer Steg benötigt würde und sich von diesem axialen Steg zu beiden Seiten abwechselnd, die in Umfangsrichtung verlaufenden Stege erstrecken müssten und jeweils vor erneutem Auftreffen auf den axialen Steg enden müssten.
  • Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Der Verlauf des Kühlmittels ist durch Pfeile dargestellt. Auf der rückwärtigen Seite vorhandene Bauteile oder Strömungen sind durch unterbrochene Linien gekennzeichnet.
  • Diese Kühlvorrichtung beinhaltet in ihrem Innern zwei Wärmeübertragungseinheiten 27, 28, welche jede für sich vollständig über ihren Umfang zwangsumströmt werden. Diese Umströmung erfolgt in Form einer Acht. Hierzu weist jede der Wärmeübertragungseinheiten 27, 28 einen axial verlaufenden Steg 29, 30 auf, der sich vom einen axialen Ende bis zum anderen erstreckt. Die beiden axial verlaufenden Stege 29, 30 befinden sich nach dem Einbau in die Außenschale 31 an gegenüber liegenden Umfangsseiten der Kühlvorrichtung, so dass der axial verlaufende Steg 29 gestrichelt dargestellt ist.
  • Ein Kühlmitteleinlass 32 befindet sich wiederum auf der zur vorliegenden Ansicht gegenüber liegenden Seite, von wo aus das Kühlmittel in Umfangsrichtung um die erste Wärmeübertragungseinheit 27 strömt. Von hier aus strömt das Kühlmittel weiter zwischen der ersten Wärmeübertragungseinheit 27 und der zweiten Wärmeübertragungseinheit 28, da der weitere Weg durch den Steg 30 unterbrochen wird. Das Kühlmittel strömt weiter auf die zu dieser Ansicht abgewandten Seite der Kühlvorrichtung und um die zweite Wärmeübertragungseinheit 28 in Umfangsrichtung herum. Eine seitliche Begrenzung des Kühlmittel durchströmten Kanals 33 besteht durch einen in Umfangsrichtung verlaufenden Steg 34, der sich um die gesamte Wärmeübertragungseinheit 27 erstreckt sowie einen in Umfangsrichtung verlaufenden Steg 35, der sich um die gesamte Wärmeübertragungseinheit 28 erstreckt, jedoch vor Auftreffen auf den axialen Steg 30 endet. Die Strömung in Umfangsrichtung endet somit am 25 axialen Steg 30, wo eine Umlenkung des Kühlmittels erfolgt und dieses in axialer Richtung zwischen dem axial verlaufenden Steg 30 dem in Umfangsrichtung verlaufenden Steg 35 weiterströmt. Nun erfährt das Kühlmittel wiederum eine Umlenkung, da ein axiales Strömen durch einen Steg 36 unterbunden wird, der sich in Umfangsrichtung um die Wärmeübertragungseinheit 28 erstreckt. Es strömt um die zweite 30 Wärmeübertragungseinheit 28, begrenzt durch die Stege 35 und 36 und strömt von hier aufgrund des Widerstandes des zweiten axialen Steges 29 nun wiederum zwischen den beiden Wärmeübertragungseinheiten 27, 28 hindurch auf die Seite, die der vorliegenden Ansicht entspricht.
  • In dieser Weise erfolgt auch der weitere Verlauf des Kühlmittels vorbei an einem Steg 37 an der ersten Wärmeübertragungseinheit 27, der wiederum vor dem Steg 30 auf der rückwärtigen Seite endet, hin zu einem Kühlmittelauslass 38. Die hierzu notwendigen Stege 42 zwischen den beiden Wärmeübertragungseinheiten 27, 28 können wahlweise an einer oder beiden der Wärmeübertragungseinheiten 27, 28 ausgebildet sein. Bei dem in den Figuren 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die Wärmeübertragungseinheiten 27, 28 ein gemeinsames Gehäuse 39, welches an gegenüberliegenden Umfangsseiten jeweils durch ein Deckelelement 40, 41 verschlossen wird, so dass die Stege 42 zwischen den Wärmeübertragungseinheiten 27, 28 einstückig mit dem Gehäuse 39 ausgeführt sind.
  • Bei Verbindung des Abgasauslasses der ersten Wärmeübertragungseinheit 27 mit dem Abgaseinlass der zweiten Wärmeübertragungseinheit 28 kann somit die Kühlstrecke für das Abgas verdoppelt werden, ohne eine Kühlvorrichtung in ihrer axialen Baulänge verlängern zu müssen.
  • Es sollte deutlich sein, dass eine derartige mäanderförmige Zwangsumströmung einer Kühlvorrichtung die Vorteile einer vollkommen frei wählbaren Anordnung der Kühlmittelein- und auslasse 12, 13, 32, 38 gewährleistet. Mit Hilfe dieser Zwangsumströmung wird ein hoher Wirkungsgrad derartig aufgebauter Kühlvorrichtungen erzielt. Montage-und Herstellkosten im Vergleich zu bekannten Ausführungen werden deutlich verringert. Inwieweit die vorhandenen Stege an der Außenschale oder am Außengehäuse der Wärmeübertragungseinheit ausgebildet sind oder gegebenenfalls als einzelne Bauteile angelegt werden, bleibt frei. Auch die äußere Form der Wärmeübertragungseinheit ist durch eine solche Anordnung der Kühlmittel führenden Kanäle durch die Stege weitestgehend frei.

Claims (6)

  1. Kühlvorrichtung, insbesondere Abgaskühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen mit einer Außenschale (31), in der zumindest eine Wärmeübertragungseinheit (27, 28) angeordnet ist, welche ein Außengehäuse (39, 40, 41) aufweist, welches ein zwischen der Außenschale (31) und der Wärmeübertragungseinheit (27, 28) ausgebildeten, von einem Kühlmittel durchströmten Mantel von einem Kanal (21) trennt, der in der Wärmeübertragungseinheit (27, 28) ausgebildet ist und durch den das zu kühlende Fluid strömt, wobei zwischen Außenschale (31) und Außengehäuse (39, 40, 41) der Wärmeübertragungseinheit (27, 28) Stege (29, 30, 34, 35, 36, 37) angeordnet sind, welche im Mantel einen Kühlmittel durchströmten Kanal (33) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wärmeübertragungseinheiten (27, 28) in einer Außenschale (31) angeordnet sind, zwischen denen Stege (29, 30, 34, 35, 36, 37) derart ausgebildet sind, dass jede der Wärmeübertragungseinheiten (27, 28) im Querschnitt allseitig und mäanderförmig zwangsumströmt ist.
  2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wärmeübertragungseinheiten (27, 28) im Querschnitt im Wesentlichen in Form einer Acht umströmt sind.
  3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenschale (31) und jedem der beiden Wärmeübertragungseinheften (27, 28) je ein axial verlaufender Steg (29, 30) angeordnet ist, wobei die beiden axial verlaufenden Stege (29, 30) an gegenüber liegenden Umfangsseiten des Kanals (33) angeordnet sind und dass sich in Umfangsrichtung verlaufende Stege (34, 35, 36, 37) abwechselnd von beiden Seiten der axial verlaufenden Stege (29, 30) um die Wärmeübertragungseinheiten (27, 28) erstrecken, wobei jeder erste sich in Umfangsrichtung erstreckende Steg (34, 35) in einem Abstand vor dem ersten axial verlaufenden Steg (30) endet und jeder zweite sich in Umfangsrichtung erstreckende Steg (36, 37) in einem Abstand vor dem zweiten axial verlaufenden Steg (29) endet.
  4. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheiten (27, 28) im Druckgussverfahren hergestellt ist.
  5. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheiten (27, 28) aus einem Oberteil (18) und einem Unterteil (19) aufgebaut ist, welche durch Schweißen insbesondere Reibrührschweißen verbunden sind.
  6. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (29, 30, 34, 35, 36, 37) zumindest teilweise am Außengehäuse (2) der Wärmeübertragungseinheiten (27, 28) ausgebildet sind.
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