EP2511643A2 - Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmetauschers - Google Patents

Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmetauschers Download PDF

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EP2511643A2
EP2511643A2 EP20120153297 EP12153297A EP2511643A2 EP 2511643 A2 EP2511643 A2 EP 2511643A2 EP 20120153297 EP20120153297 EP 20120153297 EP 12153297 A EP12153297 A EP 12153297A EP 2511643 A2 EP2511643 A2 EP 2511643A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
heat exchanger
stiffening frame
combustion engine
internal combustion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20120153297
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Ulrich Kühnel
Stefan Rothgang
Uwe Rothuysen
Günter Thiel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for an internal combustion engine having a first housing, which has an upper housing part and a lower housing part with mutually spaced, mutually spaced base surfaces, a second housing, a fluid inlet and a fluid outlet in the first housing, a flowed through by a fluid to be cooled Channel, via which the fluid inlet is connected to the fluid outlet and a second channel through which a coolant flows as well as a method for producing such a heat exchanger.
  • Heat exchangers are well known and gain more and more importance, especially in the field of automotive and engine technology. They are used both for cooling recirculated exhaust gas and for charge air cooling or oil cooling. By using such heat exchangers, for example, the temperature of the gas guided to the cylinder can be reduced and thus the filling of the cylinders and the efficiency of the internal combustion engines can be improved.
  • a heat exchanger having a U-shaped flow-through housing, so that inlet and outlet of the gas to be cooled are arranged side by side on the head side of the heat transfer device.
  • This heat transfer device is constructed of an inner housing and an outer housing, which are pushed into each other. Both the outer housing and the inner housing consist of an upper part and a lower part, which are joined together by welding prior to assembly of the inner housing with the outer housing.
  • the inner housing disclosed here has at its upper part and at its lower part in each of the projecting through the gas to be cooled channel ribs, which extend in cross section of the inner housing alternately from the upper part or from the lower part in the channel.
  • the upper part of the inner housing is designed lid-shaped, while the lower part has a pot shape.
  • the cover part is fastened via a weld on the lower part, which extends over the entire circumference of the cover part.
  • the DE 10 2009 039 833 A1 discloses a heat exchanger in which the loaded explosive surface is reduced on the lid by having in the front region, the first housing part has two opposite base surfaces which are interconnected by the ribs.
  • a similar heat transfer device is known from DE 10 2008 012 930 B3 known.
  • the inner housing has a lid with two inwardly facing protuberances, between which a groove is formed into which projects a partition wall of the other housing part. An attachment of the partition on the lid does not take place. However, it is to be assumed that a tensile load of the welds is reduced by the positive connection in the groove.
  • the weight and size of the heat exchanger be reduced compared to other designs with better efficiency.
  • a stiffening frame is arranged with at least two longitudinal members and at least two transverse rungs, which is fixed with one of the two opposite longitudinal members on the base surfaces of the two housing parts of the first housing, the explosive surface is reduced whereby the tensile load on the welds significantly is reduced.
  • This increases the strength of the heat exchanger, which is insensitive to the pressure pulsations occurring.
  • the corresponding production of such a heat exchanger is carried out by first cast an upper and a lower housing part of a first housing, a stiffening frame and a second housing are made and then the two housing parts with the interposition of the stiffening frame stacked and connected to form the first housing. Subsequently, the stiffening frame is attached to the base surfaces of the housing parts from the outside by means of welding or by means of screws and the first housing is inserted into the second housing. Finally, the first housing is attached to the second housing.
  • connection of the stiffening frame can be accomplished, for example, in one process step with the connection of the upper part to the lower part.
  • a significantly improved durability is achieved by reducing the explosive surface and thus reducing the tensile stresses in the welds with only minor additional effort during assembly.
  • the stiffening frame extends along the central axis of the first housing.
  • the explosive surface is divided into two equal parts, which leads to a maximum relief of the welds arranged on both sides.
  • a respective weld seam is formed on the base surfaces of the upper and the lower housing part of the first housing, which extends through the respective base surface to the adjacent to the respective base longitudinal members, so that the stiffening frame on the two housing parts via the weld is attached.
  • a firm connection is made over the entire length of the heat exchanger.
  • the connection is made through the base and thus can be performed from the outside, which significantly simplifies the production of the weld.
  • a slot can in each case be provided on the base surfaces, in which the longitudinal member protrudes.
  • the housing parts of the first housing and the stiffening frame made of aluminum or an aluminum alloy and the weld is a friction stir weld. This creates a completely cohesive connection between housing and stiffening frame. To produce this weld, the tool can be guided through the base of the housing parts.
  • bores are respectively formed on the base surfaces of the upper and the lower housing part, in which screws are arranged for fastening the stiffening frame to the housing parts.
  • the non-positive connection is insensitive to occurring tensile forces.
  • the stiffening frame is made of steel, whereby it can be produced with the same strength with a smaller cross-section. This reduces the necessary space of the heat exchanger.
  • form elements are formed on the longitudinal members of the stiffening frame which engage positively in correspondingly formed form elements of the two housing parts. In this way, a pre-positioning in the intermediate position of the stiffening frame is made, which greatly facilitates the assembly.
  • the form elements on the longitudinal members are lugs which engage in corresponding recesses on the base surfaces of the two housing parts. These formations are particularly easy to manufacture, so that no additional manufacturing costs for pre-positioning arises.
  • cross rungs are formed as ribs, which are formed according to the extending from the housing parts in the channel ribs.
  • the cross rungs are formed as ribs, which are formed according to the extending from the housing parts in the channel ribs.
  • the transverse rungs are designed as flow-guiding ribs, which effect a targeted flow guidance.
  • a flow can be directed in a certain direction, so that flow differences over the cross section can be compensated.
  • thermodynamic efficiency a heat exchanger which has a high strength, is easy to manufacture, and has an increased thermodynamic efficiency.
  • the size of the heat exchanger can be reduced with constant efficiency and less tendency to scum.
  • the heat exchanger according to the invention according to the Figures 1 and 2 consists of a first housing 2, which serves as an inner housing and a lid-shaped upper housing part 4 and a substantially having a cup-shaped lower housing part 6 and a two-part second housing 8 surrounding the inner housing 2, which serves as an outer housing, wherein formed between the inner housing 2 and the outer housing 8 as a coolant jacket trained by a coolant channel 10 is formed.
  • a fluid inlet 12 is formed, from which extends in the interior of the inner housing 2, a channel 14 to a formed at the opposite end of the first housing 2 fluid outlet 16.
  • This channel 14 is traversed by a fluid to be cooled.
  • the channel 14 laterally bounding walls 18 and a base 20 of the lower housing part 6 and a base 22 of the lid-shaped upper housing part 4 serve as a separation to the coolant channel 10th
  • ribs 24 which are arranged in the assembled state of the inner housing 2 in rows next to each other. These ribs 24 are interrupted in the direction from the fluid inlet 12 to the fluid outlet 16 of the fluid to be cooled and offset from the previous row, so that a good mixing of the fluid to be cooled is achieved and simultaneously boundary layer flows, which would lead to a reduced cooling capacity, can be prevented.
  • a stiffening frame 26 is arranged in the illustrated embodiment in the first channel 14, which, as in the FIGS. 3 and 4 can be seen, consists of two mutually parallel longitudinal beams 28 and four perpendicular to the side rails 28 arranged transverse rungs 30.
  • the height of the stiffening frame 26 corresponds to the cross-sectional height of the first Channel 14, so that the side members 28 abut against the base surfaces 20, 22 of the lower and upper housing part 4, 6.
  • This stiffening frame 26 is located on a central axis of the heat exchanger and extends from the fluid inlet 12 to the fluid outlet 16.
  • the stiffening frame 26 is connected via the side members 28 fixed to the base surfaces 20, 22 of the two housing parts 4, 6.
  • elements 32 are formed in the form of lugs, which engage in the assembly of the heat exchanger in corresponding, not shown in the figures recesses on the base surfaces 20, 22 of the housing parts 4, 6.
  • the transverse rungs are formed as flow-guiding ribs 34, via which the flow is conducted into the different halves of the channel 14 due to their inclination to the main flow direction.
  • the ribs 34 In order to generate the lowest possible flow loss, the ribs 34 have an elliptical shape.
  • the assembly of this heat exchanger is done by first in the die-cast aluminum, the lower, cup-shaped and the upper lid-shaped housing part 4, 6 are produced. Further, the stiffening frame 26 and the two parts of the second outer case 8 are molded. This production can also be done in die-cast aluminum. In the following, the stiffening frame 26 is inserted in a form-fitting manner into the base 20 of the lower housing part 6 via the lugs 32. Subsequently, the upper housing part 4 is placed on the lower housing part 6, wherein the upstanding lugs 32 of the stiffening frame 26 for prefixing also in the recesses of the upper housing part 4th be pushed. Subsequently, the two housing parts 4, 6 are connected by friction stir welding.
  • connection of the stiffening frame with the base surfaces of the housing parts 4, 6 is produced by means of friction stir welding.
  • the friction stir welding tool is pulled from the outside on both sides of the base surfaces 20, 22 along the central axis, whereby the base surfaces 20, 22 plasticize in this area, so that a firm connection from both sides to the stiffening frame 26 is formed.
  • the two parts of the second housing 8 are welded together and the first housing 2 is inserted with the interposition of a seal in the second housing 8.
  • a connection between the two housings 2, 8 can now be produced by welding, and at the same time the coolant jacket 10 can be closed.
  • the heat exchanger according to the invention has a high strength through the halved explosive surface.
  • a uniform flow is produced, this increases the specific cooling capacity and reduces the apparent tendency to mock.
  • the production of this heat exchanger requires only a very small additional effort.
  • transverse rungs can be made in a shape that corresponds to the shape of the other ribs projecting into the channel.
  • this could be made of steel and bolted to the housing parts via holes. Further structural modifications are also conceivable.

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Abstract

Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Gehäuse (2), welches ein oberes Gehäuseteil (4) und ein unteres Gehäuseteil (6) mit einander gegenüberliegenden voneinander beabstandeten Grundflächen (20, 22) aufweist, einem zweiten Gehäuse (8), einem Fluideinlass (12) und einem Fluidauslass (16) im ersten Gehäuse (2), einem vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal (14), über welchen der Fluideinlass (12) mit dem Fluidauslass (16) verbunden ist, und einem von einem Kühlmittel durchströmten Kanal (10), sind bekannt. Bei auftretenden Druckpulsationen ist häufig keine ausreichende Festigkeit der Schweißnähte zwischen den Gehäuseteilen gegeben. Um eine ausreichende Festigkeit sicherzustellen wird vorgeschlagen, dass im ersten Gehäuse (2) ein Aussteifungsrahmen (26) mit zumindest zwei Längsträgern (28) und zumindest zwei Quersprossen (30) angeordnet ist, der mit jeweils einem der beiden gegenüberliegenden Längsträgern (28) an den Grundflächen (20, 22) der beiden Gehäuseteile (4, 6) des ersten Gehäuses (2) befestigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Gehäuse, welches ein oberes Gehäuseteil und ein unteres Gehäuseteil mit einander gegenüberliegenden, voneinander beabstandeten Grundflächen aufweist, einem zweiten Gehäuse, einem Fluldeinlass und einem Fluidauslass im ersten Gehäuse, einem von einem zu kühlenden Fluid durchströmter Kanal, über welchen der Fluideinlass mit dem Fluidauslass verbunden ist und einem zweiten von einem Kühlmittel durchströmten Kanal sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Wärmetauschers.
  • Wärmetauscher sind allgemein bekannt und gewinnen insbesondere im Bereich der Automobil- und Motorentechnik zusehends an Bedeutung. Sie werden sowohl zur Kühlung rückgeführten Abgases als auch zur Ladeluftkühlung oder Ölkühlung benutzt. Durch die Verwendung derartiger Wärmetauscher kann beispielsweise die Temperatur des zum Zylinder geführten Gases herabgesetzt werden und somit die Füllung der Zylinder und der Wirkungsgrad der Verbrennungsmotoren verbessert werden.
  • Neben anderen Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern ist es bekannt, im Druckguss hergestellte Schalen mit jeweils sich von den Grundflächen der Schalen erstreckenden Rippen zu Wärmetauschern zusammen zu setzen. Das zu kühlende Medium durchströmt zumeist das Innengehäuse der Wärmeübertragungsvorrichtung, während zwischen dem Innengehäuse und einem das Innengehäuse an zumindest vier Seiten umgebenden Außengehäuse ein Kanal für ein Kühlmedium entsteht.
  • So wird in der DE 10 2005 058 204 A1 ein Wärmetauscher offenbart, welcher ein U-förmig durchströmtes Gehäuse aufweist, so dass Ein- und Austritt des zu kühlenden Gases an der Kopfseite der Wärmeübertragungsvorrichtung nebeneinander angeordnet sind. Diese Wärmeübertragungsvorrichtung ist aus einem Innengehäuse und einem Außengehäuse aufgebaut, welche ineinander geschoben werden. Sowohl das Außengehäuse als auch das Innengehäuse bestehen aus einem Oberteil und einem Unterteil, welche durch Schweißen vor dem Zusammenbau des Innengehäuses mit dem Außengehäuse miteinander verbunden werden. Das hier offenbarte Innengehäuse weist an seinem Oberteil und an seinem Unterteil jeweils in den vom zu kühlenden Gas durchströmten Kanal ragende Rippen auf, welche sich im Querschnitt des Innengehäuses abwechselnd vom Oberteil bzw. vom Unterteil in den Kanal erstrecken. Das Oberteil des Innengehäuses ist deckelförmig ausgeführt, während das Unterteil eine Topfform aufweist. Das Deckelteil wird über eine Schweißnaht am Unterteil befestigt, die sich über den gesamten Umfang des Deckelteils erstreckt.
  • Bei einem solchen Wärmetauscher treten im Betrieb im Innengehäuse hohe Betriebsdrücke mit Pulsationen auf, durch die der Deckel nach außen gewölbt wird. Dies führt zu wechselnden Zugspannungen im Bereich der Schweißnaht, deren Festigkeit hierdurch beeinträchtigt werden kann.
  • Um dieses Problem zu vermeiden wird in der DE 10 2008 049 253 vorgeschlagen, an den Randbereichen, in denen die Schweißnaht angeordnet ist, eine umlaufende Stützschulter auszubilden, über die die radialen Zugkräfte auf das untere Gehäuseteil übertragen werden. Dies soll die Schweißnähte entlasten.
  • Aus dem gleichen Grund wird in der DE 10 2008 049 252 vorgeschlagen, ein vorgespanntes Armierungsband um das Innengehäuse zu legen, über welches das Ausbeulen des Gehäusedeckels vermieden werden soll.
  • Alternativ wird in der DE 10 2009 039 833 A1 ein Wärmetauscher offenbart, bei dem die belastete Sprengfläche am Deckel verkleinert wird, indem im vorderen Bereich das erste Gehäuseteil zwei gegenüberliegenden Grundflächen aufweist, die durch die Rippen miteinander verbunden sind.
  • Eine ähnliche Wärmeübertragungsvorrichtung ist aus der DE 10 2008 012 930 B3 bekannt. Das Innengehäuse weist einen Deckel mit zwei ins Innere weisenden Ausstülpungen auf, zwischen denen eine Nut ausgebildet ist, in die eine Trennwand des anderen Gehäuseteils ragt. Eine Befestigung der Trennwand am Deckel erfolgt nicht. Es ist jedoch davon auszugehen, dass durch den Formschluss in der Nut eine Zugbelastung der Schweißnähte verringert wird.
  • All die beschriebenen Wärmetauscher weisen jedoch den Nachteil auf, dass entweder zusätzliche Bauteile zum Abfangen der inneren Druckkräfte erforderlich sind oder der Herstellungsprozess deutlich erschwert wird.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmetauschers bereitzustellen, der auch bei hohen Innendrücken einsetzbar ist und eine entsprechend hohe Festigkeit aufweist, ohne dass zusätzliche, die Strömung einer der Fluide beeinflussende Einbauten in den Kanälen vorhanden sind und ohne den Herstellungsprozess deutlich zu erschweren. Dabei soll das Gewicht und die Größe des Wärmetauschers im Vergleich zu anderen Ausführungen bei besserem Wirkungsgrad verringert werden.
  • Diese Aufgabe wird bezüglich des Wärmetauschers durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst.
  • Dadurch, dass im ersten Gehäuse ein Aussteifungsrahmen mit zumindest zwei Längsträgern und zumindest zwei Quersprossen angeordnet ist, der mit jeweils einem der beiden gegenüberliegenden Längsträgern an den Grundflächen der beiden Gehäuseteile des ersten Gehäuses befestigt ist, wird die Sprengfläche verringert wodurch die Zugbelastung auf die Schweißnähte deutlich reduziert wird. Hierdurch erhöht sich die Festigkeit des Wärmetauschers, der unempfindlich gegen die auftretenden Druckpulsationen wird. Aufgrund des Aussteifungsrahmens statt einer üblichen Trennwand wird das Gewicht des Wärmetauschers bei größerem zur Verfügung stehenden Gasvolumen verringert. Das Gas verteilt sich innerhalb des gesamten Querschnitts des Kanals zum Druckausgleich gleichmäßig, wodurch Kühlleistung erhöht und die Versottungsneigung verringert wird.
  • Die entsprechende Herstellung eines derartigen Wärmetauschers erfolgt, indem zunächst ein oberes und ein unteres Gehäuseteil eines ersten Gehäuses gegossen werden, ein Aussteifungsrahmens und ein zweites Gehäuse hergestellt werden und daraufhin die beiden Gehäuseteile unter Zwischenlage des Aussteifungsrahmens aufeinandergesetzt und zur Bildung des ersten Gehäuses miteinander verbunden werden. Anschließend wird der Aussteifungsrahmen an den Grundflächen der Gehäuseteile von außen mittels Schweißen oder mittels Schrauben befestigt und das erste Gehäuse in das zweite Gehäuse eingeschoben. Abschließend wird das erste Gehäuse am zweiten Gehäuse befestigt.
  • Dieses Verfahren ist einfach durchführbar, da die Verbindung des Aussteifungsrahmens beispielsweise in einem Prozessschritt mit der Verbindung des Oberteils am Unterteil vollzogen werden kann. So wird bei lediglich geringfügigem Mehraufwand bei der Montage eine deutlich verbesserte Haltbarkeit durch Reduzierung der Sprengfläche und somit Reduzierung der Zugspannungen in den Schweißnähten erreicht.
  • Vorzugsweise erstreckt sich der Aussteifungsrahmen entlang der Mittelachse des ersten Gehäuses. Somit wird die Sprengfläche in zwei gleich große Teile geteilt, was zu einer maximalen Entlastung der beidseitig angeordneten Schweißnähte führt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an den Grundflächen des oberen und des unteren Gehäuseteils des ersten Gehäuses jeweils eine Schweißnaht ausgebildet, welche sich durch die jeweilige Grundfläche zu dem an der jeweiligen Grundfläche anliegenden Längsträger erstreckt, so dass der Aussteifungsrahmen an den beiden Gehäuseteilen über die Schweißnaht befestigt ist. So wird eine feste Verbindung über die gesamte Länge des Wärmetauschers hergestellt. Die Verbindung erfolgt durch die Grundfläche hindurch und kann somit von außen durchgeführt werden, was die Herstellung der Schweißnaht deutlich vereinfacht. Hierzu kann an den Grundflächen jeweils ein Schlitz vorgesehen werden, in welche der Längsträger ragt.
  • In einer hierzu weiterführenden Ausführung sind die Gehäuseteile des ersten Gehäuses und der Aussteifungsrahmen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt und die Schweißnaht ist eine Rührreibschweißnaht. So entsteht eine vollständig stoffschlüssige Verbindung zwischen Gehäuse und Aussteifungsrahmen. Zu Herstellung dieser Schweißnaht kann das Werkzeug durch die Grundfläche der Gehäuseteile geführt werden.
  • In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind an den Grundflächen des oberen und des unteren Gehäuseteils jeweils Bohrungen ausgebildet, in welche Schrauben zur Befestigung des Aussteifungsrahmens an den Gehäuseteilen angeordnet sind. Die kraftschlüssige Verbindung ist unempfindlich gegen auftretende Zugkräfte.
  • In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist der Aussteifungsrahmen aus Stahl hergestellt, wodurch er bei gleicher Festigkeit mit geringerem Querschnitt hergestellt werden kann. Dies reduziert den notwendigen Bauraum des Wärmetauschers.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung sind an den Längsträgern des Aussteifungsrahmens Formelemente ausgebildet die formschlüssig in entsprechend ausgebildete Formelemente der beiden Gehäuseteile greifen. Auf diese Weise wird eine Vorpositionierung bei der Zwischenlage des Aussteifungsrahmens hergestellt, was den Zusammenbau deutlich erleichtert.
  • Vorzugsweise sind die Formelemente an den Längsträgern Nasen, die in entsprechende Ausnehmungen an den Grundflächen der beiden Gehäuseteile greifen. Diese Ausformungen sind besonders einfach herzustellen, so dass kein zusätzlicher Herstellaufwand zur Vorpositionierung entsteht.
  • Eine besonders vorteilhaften Ausführung ergibt sich, wenn die Quersprossen als Rippen ausgebildet sind, die entsprechend der sich von den Gehäuseteilen in den Kanal erstreckenden Rippen ausgeformt sind. So entstehen keine zusätzlichen Druckverluste und es findet eine freie Strömungsverteilung innerhalb des Kanals statt. Diese erhöht den Wirkungsgrad und ermöglicht eine präzise Auslegung, durch die Regionen erhöhter Versottungsneigung vermieden werden können.
  • In einer hierzu alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Quersprossen als strömungsführende Rippen ausgebildet, welche eine gezielte Strömungsführung bewirken. Durch diese Ausführung kann eine Strömung in eine bestimmte Richtung gelenkt werden, so dass Strömungsunterschiede über den Querschnitt ausgeglichen werden können.
  • Es wird somit ein Wärmetauscher geschaffen, welcher eine hohe Festigkeit aufweist, einfach herzustellen ist, und einen erhöhten thermodynamischen Wirkungsgrad aufweist. Alternativ kann die Größe des Wärmetauschers bei gleichbleibendem Wirkungsgrad und geringerer Versottungsneigung verringert werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
    • Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in geschnittener Darstellung.
    • Figur 2 zeigt eine Kopfansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers aus Figur 1 in geschnittener Darstellung.
    • Figur 3 zeigt eine Seitenansicht eines Aussteifungsrahmens eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
    • Figur 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Aussteifungsrahmen eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher gemäß der Figuren 1 und 2 besteht aus einem ersten Gehäuse 2, welches als Innengehäuse dient und ein deckelförmiges oberes Gehäuseteil 4 sowie ein im Wesentlichen topfförmige unteres Gehäuseteil 6 aufweist sowie einem das Innengehäuse 2 teilweise umgebenden zweiteiligen zweiten Gehäuse 8, welches als Außengehäuse dient, wobei zwischen dem Innengehäuse 2 und dem Außengehäuse 8 ein als Kühlmittelmantel ausgebildeter von einem Kühlmittel durchströmter Kanal 10 gebildet wird.
  • An einer ersten Kopfseite des ersten Gehäuses 2 ist, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ein Fluideinlass 12 ausgebildet, von dem aus sich im Inneren des Innengehäuses 2 ein Kanal 14 bis zu einem am entgegengesetzten Ende des ersten Gehäuses 2 ausgebildeten Fluidauslass 16 erstreckt. Dieser Kanal 14 wird von einem zu kühlenden Fluid durchströmt. Die den Kanal 14 seitlich begrenzenden Wände 18 sowie eine Grundfläche 20 des unteren Gehäuseteils 6 und eine Grundfläche 22 des deckelförmigen oberen Gehäuseteils 4 dienen als Trennung zum Kühlmittelkanal 10.
  • In den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal 14 erstrecken sich senkrecht von den Grundflächen 20, 22 der beiden Gehäuseteile 4, 6 Rippen 24, die im zusammengesetzten Zustand des Innengehäuses 2 in Reihen nebeneinander angeordnet sind. Diese Rippen 24 sind in Richtung vom Fluideinlass 12 zum Fluidauslass 16 des zu kühlenden Fluids unterbrochen und versetzt zur vorhergehenden Reihe angeordnet, so dass eine gute Durchmischung des zu kühlenden Fluids erreicht wird und gleichzeitig Grenzschichtströmungen, die zu einer verminderten Kühlleistung führen würden, verhindert werden.
  • Erfindungsgemäß ist in der dargestellten Ausführungsform im ersten Kanal 14 ein Aussteifungsrahmen 26 angeordnet, der, wie in den Figuren 3 und 4 zu erkennen ist, aus zwei parallel zueinander angeordneten Längsträgern 28 sowie vier senkrecht zu den Längsträgern 28 angeordneten Quersprossen 30 besteht. Die Höhe des Aussteifungsrahmens 26 entspricht der Querschnittshöhe des ersten Kanals 14, so dass die Längsträger 28 an den Grundflächen 20, 22 des unteren und des oberen Gehäuseteils 4, 6 anliegen. Dieser Aussteifungsrahmen 26 befindet sich auf einer Mittelachse des Wärmetauschers und erstreckt sich vom Fluideinlass 12 bis zum Fluidauslass 16. Der Aussteifungsrahmen 26 ist über die Längsträger 28 fest mit den Grundflächen 20, 22 der beiden Gehäuseteile 4, 6 verbunden.
  • An den Längsträgern 28 des Aussteifungsrahmens 26 sind Formelemente 32 in Form von Nasen ausgebildet, welche beim Zusammenbau des Wärmetauschers in entsprechende, in den Figuren nicht dargestellte Ausnehmungen an den Grundflächen 20, 22 der Gehäuseteile 4, 6 greifen.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Quersprossen als strömungsführende Rippen 34 ausgebildet, über die die Strömung aufgrund ihrer Schrägstellung zur Hauptströmungsrichtung in die unterschiedlichen Hälften des Kanals 14 geleitet wird. Um einen möglichst geringen Strömungsveriust zu generieren, weisen die Rippen 34 eine Ellipsenform auf.
  • Die Montage dieses Wärmetauschers erfolgt, indem im Aluminiumdruckguss zunächst das untere, topfförmige sowie das obere deckeiförmige Gehäuseteil 4, 6 hergestellt werden. Des Weiteren werden der Aussteifungsrahmen 26 sowie die zwei Teile des zweiten als Außengehäuse dienenden Gehäuses 8 gegossen. Diese Herstellung kann ebenfalls im Aluminiumdruckguss erfolgen. Im Folgenden wird der Aussteifungsrahmen 26 über die Nasen 32 formschlüssig in die Grundfläche 20 des unteren Gehäuseteils 6 gesteckt. Anschließend wird das obere Gehäuseteil 4 auf das untere Gehäuseteil 6 gelegt, wobei die nach oben stehenden Nasen 32 des Aussteifungsrahmens 26 zur Vorfixierung ebenfalls in die Ausnehmungen des oberen Gehäuseteils 4 geschoben werden. Anschließend werden die beiden Gehäuseteile 4, 6 durch Rührreibschweißen miteinander verbunden. Auch die Verbindung des Aussteifungsrahmens mit den Grundflächen der Gehäuseteile 4, 6 wird mittels Reibrührschweißen hergestellt. Hierzu wird das Rührreibschweißwerkzeug von außen von beiden Seiten auf die Grundflächen 20, 22 entlang der Mittelachse gezogen, wodurch sich die Grundflächen 20, 22 in diesem Bereich plastifizieren, so dass eine feste Verbindung von beiden Seiten zum Aussteifungsrahmen 26 entsteht. Nun werden die beiden Teile des zweiten Gehäuses 8 miteinander verschweißt und das erste Gehäuse 2 unter Zwischenlage einer Dichtung in das zweite Gehäuse 8 eingeschoben. Am Kopfende kann nun wiederum durch Schweißen eine Verbindung zwischen den beiden Gehäusen 2, 8 hergestellt werden und gleichzeitig der Kühlmittelmantel 10 verschlossen werden.
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher weist eine hohe Festigkeit durch die halbierte Sprengfläche auf. Dadurch, dass keine durchgehende Trennwand benötigt wird, sinkt das Gewicht und es entsteht ein größerer Durchströmungsquerschnitt bei gleichen Außenabmessungen. Zusätzlich wird eine gleichmäßige Durchströmung hergestellt, Dies erhöht die spezifische Kühlleistung und verringert die auftretende Versottungsneigung. Die Herstellung dieses Wärmetauschers benötigt lediglich einen sehr geringen Mehraufwand.
  • Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere können die Quersprossen in einer Form hergestellt werden, die der Form der anderen in den Kanal ragenden Rippen entspricht. Zur weiteren Verringerung der Größe des Aussteifungsrahmens und zur Minderung der Korrosionsanfälligkeit könnte dieser aus Stahl hergestellt und mit den Gehäuseteilen über Bohrungen verschraubt werden. Weitere konstruktive Modifikationen sind ebenfalls denkbar.

Claims (11)

  1. Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Gehäuse (2), welches ein oberes Gehäuseteil (4) und ein unteres Gehäuseteil (6) mit einander gegenüberliegenden voneinander beabstandeten Grundflächen (20, 22) aufweist,
    einem zweiten Gehäuse (8),
    einem Fluideinlass (12) und einem Fluidauslass (16) im ersten Gehäuse (2),
    einem vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal (14), über welchen der Fluideinlass (12) mit dem Fluidauslass (16) verbunden ist,
    und einem von einem Kühlmittel durchströmten Kanal (10), dadurch gekennzeichnet, dass
    im ersten Gehäuse (2) ein Aussteifungsrahmen (26) mit zumindest zwei Längsträgern (28) und zumindest zwei Quersprossen (30) angeordnet ist, der mit jeweils einem der beiden gegenüberliegenden Längsträgern (28) an den Grundflächen (20, 22) der beiden Gehäuseteile (4, 6) des ersten Gehäuses (2) befestigt ist.
  2. Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich der Aussteifungsrahmen (26) entlang der Mittelachse des ersten Gehäuses (2) erstreckt.
  3. Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an den Grundflächen (20, 22) des oberen und des unteren Gehäuseteils (4, 6) des ersten Gehäuses (2) jeweils eine Schweißnaht ausgebildet ist, welche sich durch die jeweilige Grundfläche (20, 22) zu dem an der jeweiligen Grundfläche (20, 22) anliegenden Längsträger (28) erstreckt, so dass der Aussteifungsrahmen (26) an den beiden Gehäuseteilen (4, 6) über die Schweißnaht befestigt ist.
  4. Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Gehäuseteile (4, 6) und der Aussteifungsrahmen (26) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sind und die Schweißnaht eine Rührreibschweißnaht ist.
  5. Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an den Grundflächen (20, 22) des oberen und des unteren Gehäuseteils (4, 6) jeweils Bohrungen ausgebildet sind, in welche Schrauben zur Befestigung des Aussteifungsrahmens (26) an den Gehäuseteilen (4, 6) angeordnet sind.
  6. Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Aussteifungsrahmen (26) aus Stahl hergestellt ist.
  7. Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an den Längsträgern (28) des Aussteifungsrahmens (26) Formelemente (32) ausgebildet sind, die formschlüssig in entsprechend ausgebildete Formelemente der beiden Gehäuseteile (4, 6) greifen.
  8. Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Formelemente (32) an den Längsträgern Nasen sind, die in entsprechende Ausnehmungen an den Grundflächen (20, 22) der beiden Gehäuseteile (4, 6) greifen.
  9. Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Quersprossen (30) als Rippen (34) ausgebildet sind, die entsprechend der sich von den Gehäuseteilen (4, 6) in den Kanal (14) erstreckenden Rippen (24) ausgeformt sind.
  10. Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Quersprossen (30) als strömungsführende Rippen (34) ausgebildet sind, welche eine gezielte Strömungsführung bewirken.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 mit folgenden Schritten:
    - Gießen eines oberen und eines unteren Gehäuseteils (4, 6),
    - Herstellen eines Aussteifungsrahmens (26) und eines zweiten Gehäuses (8),
    - Aufeinandersetzen und Verbinden des oberen Gehäuseteils (4) und des unteren Gehäuseteils (6) unter Zwischenlage des Aussteifungsrahmens (26) zur Bildung des ersten Gehäuses (2),
    - Befestigen des Aussteifungsrahmens (26) an den Grundflächen (20, 22) der beiden Gehäuseteile (4, 6) von außen mittels Schweißen oder mittels Schrauben
    - Einschieben des ersten Gehäuses (2) in das zweite Gehäuse (8)
    - Befestigen des ersten Gehäuses (2) am zweiten Gehäuse (8).
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