EP3047222A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Wärmetauscher

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EP3047222A1
EP3047222A1 EP14761356.6A EP14761356A EP3047222A1 EP 3047222 A1 EP3047222 A1 EP 3047222A1 EP 14761356 A EP14761356 A EP 14761356A EP 3047222 A1 EP3047222 A1 EP 3047222A1
Authority
EP
European Patent Office
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heat exchanger
flow
heat
fluid
cooling
Prior art date
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Application number
EP14761356.6A
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English (en)
French (fr)
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Christioph STRELLER
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP3047222A1 publication Critical patent/EP3047222A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3047222B1 publication Critical patent/EP3047222B1/de
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    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/104—Particular pattern of flow of the heat exchange media with parallel flow

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular for an internal combustion engine of a motor vehicle, with at least two cooling elements through which a heat-conducting fluid can flow and with at least one flow channel arranged between the cooling elements and through which cooling air can flow.
  • Motor vehicles are usually equipped with at least one heat exchanger, which serves to dissipate resulting in the operation of an internal combustion engine waste heat to the environment.
  • the heat exchanger also referred to as a water cooler, is usually arranged in a front region of the motor vehicle and is thermally coupled to the internal combustion engine by a fluid containing a coolant additive.
  • Driving movement of the motor vehicle generated or can be generated or amplified at slow speed or at a standstill of the motor vehicle by a blower.
  • Common heat exchangers as well as the one disclosed in DE 10 2010 027 053 A1, have a plurality of cooling elements which can flow through a heat-conducting fluid and are designed as tubes, which extend parallel to one another over the plane of an inflow surface of the heat exchanger. Between the cooling elements can be traversed by the fluid fins are provided which are thermally coupled to the cooling elements and at the same time provide the largest possible area for the removal of waste heat from the fluid to the air flow or the ambient air.
  • the heat exchanger has a plurality of cooling elements extending parallel to one another and designed as tubes.
  • the cooling elements extend in a plane formed by the vehicle transverse direction and motor vehicle vertical direction, parallel to the plane
  • the guided through the cooling elements heat-conducting fluid thus flows so substantially in the vehicle transverse direction, while the guided through the fins in the flow channel between the cooling elements, heat-absorbing cooling air in Vehicle longitudinal direction flows.
  • the flow direction of the heat-conducting fluid and the flow direction of the cooling air are thus aligned orthogonal to each other.
  • the heat exchanger essentially uses the entire surface which is available in the front region of the motor vehicle and extends in the vehicle transverse direction and vehicle vertical direction as the inflow surface. Due to structural and geometric requirements of the
  • Motor vehicle body is the available area in the front area and thus also limited to the inflow of the heat exchanger. This also results in a limitation of the cooling capacity of the heat exchanger. If the inflow surface of the heat exchanger must be reduced due to changes in geometric or structural specifications or in
  • the cooling capacity of the heat exchanger which is to be generated with the available inflow area may no longer suffice to ensure sufficient cooling and trouble-free operation of the heat exchanger
  • the invention has for its object to perform a heat exchanger of the type mentioned in such a way that it has a better cooling performance for the same inflow.
  • Flow channel extends between the two cooling elements such that a
  • Flow directions of the heat-emitting fluid and the flow direction of the heat-absorbing fluid are arranged parallel to each other, the distance, on which the fluid can transfer the absorbed heat to the cooling air, extended.
  • the flow directions of the fluid and the cooling air are arranged orthogonal to each other, so more heat from the Fluid are discharged to the cooling air.
  • the heat exchanger with the same inflow surface better cooling performance and better efficiency, so that the heat exchanger at the same cooling capacity must have a smaller inflow than a previously used heat exchanger.
  • the flow directions of the fluid and the cooling air can run in the same direction.
  • a particularly advantageous development of the present invention provides, however, that the flow direction of the cooling air in the flow channel in the opposite direction to the flow direction of the heat-conducting fluid in the two cooling elements extends.
  • cooling capacity of the heat exchanger is also achieved in that the cooling elements each at least two juxtaposed and in
  • Flow direction of the heat-conducting fluid have extending fluid channels.
  • This increases the heat transfer area between the fluid and the cooling air and allows more heat to be dissipated from the fluid to the cooling air.
  • the fluid channels are formed such that the flow direction of the heat-conducting fluid in at least a first
  • Fluid channel in the flow direction of the cooling air and in a second fluid channel in the opposite direction to the flow direction of the cooling air extends.
  • the end portions of the fluid channels of the cooling elements are at least partially by deflection
  • the fluid to be cooled within the cooling elements can be deflected one or more times, so that almost the entire heat load of the fluid can be transferred to the cooling air.
  • a surface of the cooling elements facing the fluid flowing through has indentations and / or that flow-conducting devices, in particular baffles, are arranged in the cooling elements.
  • the surface of the cooling elements are increased and improves the heat transfer.
  • baffles inlays or turbulators the Flow of the fluid in the cooling elements can be influenced such that the total flow-through distance is extended in the cooling elements.
  • the cooling elements are formed as horizontally or vertically arranged plates and arranged parallel to each other. In a vertical arrangement of the plates, a good uniform distribution of the heat-conducting fluid is possible on the individual plates. This results in addition in a lower pressure loss of the heat-conducting or heat-emitting fluid.
  • a further feature of the invention is that the plates are arranged inclined to a horizontal or vertical plane, that include a flow direction of the cooling air before entering the flow channel and the flow direction of the cooling air in the flow channel at an obtuse angle. Due to the inclined arrangement of the plates, the heat transfer path between the fluid and the cooling air is extended for the same available space. Depending on the size of the obtuse angle, the aerodynamic properties of the motor vehicle and also the
  • Cooling capacity of the heat exchanger An inclination of the plates, in which the direction of flow of the air flow generated by the driving movement of the motor vehicle before entering the flow channel and the flow direction of the cooling air in the flow channel form an angle between 125 ° and 145 °, provides optimal results in terms of
  • the two plates enclosing the flow channel between them are fluidically connected to one another and have a common inlet and a common outlet for the heat-conducting fluid, wherein the inlet is on a side facing the cooling-air outlet surface of the flow channel and the outlet is arranged on one of the cooling air inlet surface of the flow channel facing side of the plates and / or that the inlet is arranged with respect to a horizontal plane in an upper region and the drain in a lower edge region of the plates.
  • the invention also relates to a motor vehicle with an internal combustion engine and with a heat exchanger for dissipating the heat generated during operation of the internal combustion engine waste heat to the environment. It is the
  • Heat exchanger formed as described above.
  • FIG. 1 shows a motor vehicle with an arranged in a front region of the internal combustion engine and with a heat exchanger according to the invention in a plan view.
  • Fig. 2 is a greatly simplified schematic diagram of the front portion of the motor vehicle
  • FIG. 3 is a greatly simplified schematic diagram of the illustrated in Figures 1 and 2
  • FIG. 4 shows a first embodiment of the heat exchanger in a perspective view
  • Fig. 5 shows a second embodiment of the heat exchanger in a perspective
  • Fig. 6 shows a third embodiment with respect to a horizontal plane inclined
  • Fig. 7 is a perspective and sectional view of a plate of the heat exchanger.
  • FIG. 1 shows a motor vehicle 1 with one arranged in a front region 2
  • Figure 2 shows a simplified schematic diagram of the front portion 2 in a side view.
  • the internal combustion engine 3 and the heat exchanger 4 are arranged in an engine compartment 5 of the motor vehicle 1 such that the heat exchanger 4 is in the direction of travel 6 of the motor vehicle 1 in front of the internal combustion engine 3.
  • the Internal combustion engine 3 is thermally coupled via a fluid having a coolant fluid with the formed as a water cooler heat exchanger 4.
  • the heat-conducting fluid is introduced during operation of the internal combustion engine 3 in the heat exchanger 4 and outputs the heat absorbed to a likewise introduced into the heat exchanger 4 cooling air.
  • FIG 3 shows a greatly simplified schematic diagram of the heat exchanger 4 according to the invention with two cooling elements 9 arranged in parallel and with a flow channel 10 extending between them.
  • the air flow directed onto the inflow surface 8 of the heat exchanger 4 in the inflow direction 7 is introduced into the flow channel 10 and flows as cooling air 1 1 through the flow channel 10.
  • the cooling air 1 1 a the cooling air 1 1 a
  • Flow direction 12 which is parallel and in the opposite direction to a flow direction 13 of the flowing through the cooling elements 9 fluid 14.
  • the cooling elements 9 can be arranged one above the other (FIGS. 3 and 4) or side by side (FIG. 5) with respect to a horizontal plane (xy-plane), the flow direction 13 of the fluid 14 being parallel to the flow direction 12 of the cooling air 11 in both cases ,
  • FIG. 4 shows an embodiment of the heat exchanger 4 according to the invention in a perspective view.
  • the heat exchanger 4 has a plurality of cooling elements 9 formed as plates 15, wherein the plates 15 are arranged horizontally and parallel to each other. Between each adjacent plates 15, a flow channel 10 extends, so that the heat exchanger 4 consists of a plurality of plates 15 and a plurality of flow channels 10.
  • cooling fins 16 are arranged to increase the surface of the flow channel, which are thermally coupled to the cooling elements 9 and the plates 15.
  • the plates 15 extend parallel to a through the vehicle transverse direction (y-axis) and the vehicle longitudinal direction (x-axis) spanned plane and each have a plurality of juxtaposed and extending in the flow direction 13 of the fluid 14 fluid channels 17.
  • this has an inlet 18 and a drain 19.
  • the inlet 18 is on one of the cooling air outlet surface 20 of the
  • Heat exchanger 4 facing side and the drain 19 on one of the cooling air inlet surface 21 of the heat exchanger 4 facing side of the respective plate 15 is arranged.
  • Through the inlet 18 is coming from the internal combustion engine 3 and heat leading Fluid 14 introduced into the top plate 15 relative to a horizontal plane (xy plane), then distributed within this plate 15 on the adjacent fluid channels
  • FIG. 5 shows a modified embodiment, according to which the plates 15 of
  • Heat exchanger 4 are not horizontally but vertically arranged as in the embodiment shown in Figure 4.
  • FIG. 6 shows a further embodiment according to which the plates 15 or the cooling elements 9 are arranged parallel to one another and inclined to a horizontal plane (xy plane).
  • the inclination of the cooling elements 9 is designed such that a direction of flow 8 of the
  • Air flow before entering the flow channel 10 and the flow direction 12 of the cooling air 1 1 in the flow channel 10 include an obtuse angle 22.
  • a heat transfer path 23 between the cooling elements 9 and the flow channel 10 or the fluid 14 and the cooling air 1 1 is extended compared to an arrangement of Figure 3 with the same available space and thereby improves the cooling capacity of the heat exchanger 4.
  • Figure 7 shows a perspective and sectional view of a plate 15 of the
  • a flow-conducting device 24 is integrated. By designed as a guide plate flow-conducting device 24 which are in
  • Flow direction 13 of the heat-conducting fluid 14 extending, juxtaposed fluid channels 17 formed.
  • a surface 25 of the cooling elements 9 or the plates 15 facing the throughflowing fluid 14 may have indentations 26.
  • 17 may be provided within the plate 15 and in the individual fluid channels 17 further flow-conducting or turbulence-generating elements or geometries, such as sheets, turbulators or inlays. This will be a improved heat transfer between the heat-conducting fluid 14 and the cooling air 1 1 achieved in the flow channel 10.
  • the plates 15 can have deflection devices 28, which connect adjacent fluid channels 17 to one another in terms of flow.
  • the fluid 14 flowing in the opposite direction to the cooling air 1 1 is deflected by 180 ° (dashed line), so that the flow direction 13 of the fluid 14 then has the same flow direction as the cooling air 1 1 in the flow channel 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. Der Wärmetauscher weist zumindest zwei von einem Wärme führenden Fluid (14) durchströmbare Kühlelemente (9) und zumindest einen zwischen den Kühlelementen (9) angeordneten und von Kühlluft (11) durchströmbaren Strömungskanal (10) auf. Zur Verbesserung der Kühlleistung des Wärmetauschers ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich der Strömungskanal (10) derart zwischen den beiden Kühlelementen (9) erstreckt, dass eine Strömungsrichtung (12) der Kühlluft (11) im Strömungskanal (10) parallel zu einer Strömungsrichtung (13) des Wärme führenden Fluides (14) in den beiden Kühlelementen (9) verläuft.

Description

Beschreibung
Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit zumindest zwei von einem Wärme führenden Fluid durchströmbaren Kühlelementen und mit zumindest einem zwischen den Kühlelementen angeordneten und von Kühlluft durchströmbaren Strömungskanal.
Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit wenigstens einem Wärmetauscher ausgestattet, der zur Abfuhr von im Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine entstehender Abwärme an die Umgebung dient. Der auch als Wasserkühler bezeichnete Wärmetauscher ist üblicherweise in einem Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet und durch ein einen Kühlmittelzusatz enthaltendes Fluid thermisch mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt.
Zur Abfuhr der Abwärme des Verbrennungsmotors an die Umgebung ist der Wärmetauscher einer Luftströmung ausgesetzt. Diese wird beispielsweise während der Fahrt durch die
Fahrbewegung des Kraftfahrzeuges erzeugt bzw. kann bei langsamer Fahrt oder im Stillstand des Kraftfahrzeuges von einem Gebläse erzeugt bzw. verstärkt werden.
Gängige Wärmetauscher, wie auch der in der DE 10 2010 027 053 A1 offenbarte, weisen mehrere von einem Wärme führenden Fluid durchströmbare und als Rohre ausgebildete Kühlelemente auf, die sich parallel zueinander über die Ebene einer Anströmfläche des Wärmetauschers erstrecken. Zwischen den von dem Fluid durchströmbaren Kühlelementen sind Lamellen vorgesehen, die thermisch mit den Kühlelementen gekoppelt sind und gleichzeitig eine möglichst große Fläche zur Abfuhr von Abwärme aus dem Fluid an die Luftströmung bzw. die Umgebungsluft bereitstellen.
Dabei weist der Wärmetauscher eine Vielzahl von sich parallel zueinander erstreckenden und als Rohre ausgebildeten Kühlelementen auf. In einer Einbausituation des Wärmetauschers im Kraftfahrzeug erstrecken sich die Kühlelemente in einer von Kraftfahrzeugquerrichtung und Kraftfahrzeughochrichtung gebildeten Ebene, und zwar parallel zu der
Kraftfahrzeugquerrichtung. Das durch die Kühlelemente geleitete Wärme führende Fluid strömt somit also im Wesentlichen in Fahrzeugquerrichtung, während die durch die Lamellen in dem Strömungskanal zwischen den Kühlelementen geleitete, Wärme aufnehmende Kühlluft in Fahrzeuglängsrichtung strömt. Die Strömungsrichtung des Wärme führenden Fluides und die Strömungsrichtung der Kühlluft sind also orthogonal zueinander ausgerichtet.
Zur Bereitstellung einer für den Betrieb eines Verbrennungsmotors ausreichenden Kühlleistung ist für bekannte Wärmetauscher eine vergleichsweise große Bauform vorgesehen. Dabei nutzt der Wärmetauscher im Wesentlichen die gesamte im Frontbereich des Kraftfahrzeuges zur Verfügung stehende, sich in Fahrzeugquerrichtung und Fahrzeughochrichtung erstreckende Fläche als Anströmfläche. Aufgrund von baulichen und geometrischen Vorgaben des
Kraftfahrzeugaufbaus ist die zur Verfügung stehende Fläche im Frontbereich und damit auch die Anströmfläche des Wärmetauschers begrenzt. Hieraus resultiert auch eine Begrenzung der Kühlleistung des Wärmetauschers. Wenn die Anströmfläche des Wärmetauschers aufgrund geänderter geometrischer oder baulicher Vorgaben verkleinert werden muss oder im
Kraftfahrzeug ein leistungsstärkerer und dadurch mehr Abwärme erzeugender
Verbrennungsmotor verbaut werden soll, dann reicht die mit der zur Verfügung stehenden Anströmfläche zu erzeugende Kühlleistung des Wärmetauschers unter Umständen nicht mehr aus, um eine ausreichende Kühlung und einen störungsfreien Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine zu gewährleisten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass dieser bei gleicher Anströmfläche eine bessere Kühlleistung aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmetauscher gemäß den Merkmalen des
Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Wärmetauscher vorgesehen, bei welchem sich der
Strömungskanal derart zwischen den beiden Kühlelementen erstreckt, dass eine
Strömungsrichtung der Kühlluft im Strömungskanal parallel zu einer Strömungsrichtung des Wärme führenden Fluides in den beiden Kühlelementen verläuft. Dadurch, dass die
Strömungsrichtungen des Wärme abgebenden Fluides und die Strömungsrichtung des Wärme aufnehmenden Fluides parallel zueinander angeordnet sind, wird die Strecke, auf welcher das Fluid die aufgenommene Wärme auf die Kühlluft übertragen kann, verlängert. Im Vergleich zu dem eingangs genannten Stand der Technik, in welchem die Strömungsrichtungen des Fluides und der Kühlluft orthogonal zueinander angeordnet sind, kann also auch mehr Wärme von dem Fluid an die Kühlluft abgegeben werden. Hierdurch weist der Wärmetauscher bei gleicher Anströmfläche eine bessere Kühlleistung bzw. einen besseren Wirkungsgrad auf, sodass der Wärmetauscher bei gleicher Kühlleistung eine geringere Anströmfläche haben muss als ein bisher verwendeter Wärmetauscher.
Dabei können die Strömungsrichtungen des Fluides und der Kühlluft in der gleichen Richtung verlaufen. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht jedoch vor, dass die Strömungsrichtung der Kühlluft im Strömungskanal in Gegenrichtung zu der Strömungsrichtung des Wärme führenden Fluides in den beiden Kühlelementen verläuft.
Dadurch, dass das Wärme führende Fluid und die Wärme aufnehmende Kühlluft in
entgegengesetzter Richtung aneinander vorbeiströmen, besteht zwischen dem Fluid und der Kühlluft immer ein Temperaturgefälle, sodass ein sehr großer Teil der Wärmebeladung des Fluides auf die Kühlluft übertragen werden kann.
Eine weitere Verbesserung der Kühlleistung des Wärmetauschers wird auch dadurch erreicht, dass die Kühlelemente jeweils zumindest zwei nebeneinander angeordnete und sich in
Strömungsrichtung des Wärme führenden Fluides erstreckende Fluidkanäle aufweisen.
Hierdurch wird die Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Fluid und der Kühlluft vergrößert und es kann noch mehr Wärme von dem Fluid an die Kühlluft abgegeben werden.
Dabei erweist es sich als besonders zweckmäßig, dass die Fluidkanäle derart ausgebildet sind, dass die Strömungsrichtung des Wärme führenden Fluides in zumindest einem ersten
Fluidkanal in Strömungsrichtung der Kühlluft und in einem zweiten Fluidkanal in Gegenrichtung zu der Strömungsrichtung der Kühlluft verläuft. In einem derartigen Fall sind die Endbereiche der Fluidkanäle der Kühlelemente zumindest teilweise durch Umlenkeinrichtungen
strömungstechnisch miteinander verbunden. Durch diese Umlenkeinrichtungen kann das abzukühlende Fluid innerhalb der Kühlelemente ein oder mehrmals umgelenkt werden, sodass nahezu die gesamte Wärmebeladung des Fluides an die Kühlluft übertragen werden kann.
Weiterhin erweist es sich für die Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und der Kühlluft als vorteilhaft, dass eine dem durchströmenden Fluid zugewandte Oberfläche der Kühlelemente Einprägungen aufweist und/oder dass in den Kühlelementen strömungsleitende Einrichtungen, insbesondere Leitbleche, angeordnet sind. Hierdurch werden die Oberfläche der Kühlelemente vergrößert und der Wärmeübergang verbessert. Zusätzlich kann durch die Einprägungen bzw. durch die in den Kühlelementen angeordneten Leitbleche, Inlays oder Turbulatoren die Strömung des Fluides in den Kühlelementen derart beeinflusst werden, dass die insgesamt durchströmte Wegstrecke in den Kühlelementen verlängert wird.
Außerdem ist vorgesehen, dass die Kühlelemente als horizontal oder vertikal angeordnete Platten ausgebildet und parallel zueinander angeordnet sind. Bei einer vertikalen Anordnung der Platten ist eine gute Gleichverteilung des Wärme führenden Fluides auf die einzelnen Platten möglich. Dies resultiert zusätzlich in einem geringeren Druckverlust des Wärme führenden bzw. Wärme abgebenden Fluides.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, dass die Platten derart geneigt zu einer horizontalen oder vertikalen Ebene angeordnet sind, dass eine Anströmrichtung der Kühlluft vor dem Eintritt in den Strömungskanal und die Strömungsrichtung der Kühlluft im Strömungskanal einen stumpfen Winkel einschließen. Durch die geneigte Anordnung der Platten wird bei gleichem zur Verfügung stehenden Bauraum die Wärmeübertragungsstrecke zwischen dem Fluid und der Kühlluft verlängert. Je nach Größe des stumpfen Winkels verändern sich die aerodynamischen Eigenschaften des Kraftfahrzeuges und auch die
Kühlleistung des Wärmetauschers. Eine Neigung der Platten, bei welcher die Anströmrichtung der von der Fahrbewegung des Kraftfahrzeuges erzeugten Luftströmung vor dem Eintritt in den Strömungskanal und die Strömungsrichtung der Kühlluft im Strömungskanal einen Winkel zwischen 125° und 145° einschließen, liefert optimale Ergebnisse hinsichtlich der
aerodynamischen Eigenschaften und der Kühlleistung des Wärmetauschers.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, dass die beiden den Strömungskanal zwischen sich einschließenden Platten strömungstechnisch miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen Zulauf und einen gemeinsamen Ablauf für das Wärme führende Fluid aufweisen, wobei der Zulauf auf einer der Kühlluftaustrittsfläche des Strömungskanales zugewandten Seite und der Ablauf auf einer der Kühllufteintrittsfläche des Strömungskanales zugewandten Seite der Platten angeordnet ist und/oder dass der Zulauf bezogen auf eine horizontale Ebene in einem oberen Bereich und der Ablauf in einem unteren Randbereich der Platten angeordnet ist.
Eine besonders große Fläche zur Abfuhr von Abwärme an die Umgebungsluft wird auch dadurch geschaffen, dass in dem Strömungskanal Lamellen angeordnet sind, welche thermisch mit den Kühlelementen gekoppelt sind. In einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung zudem ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und mit einem Wärmetauscher zur Abfuhr der im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine entstehenden Abwärme an die Umgebung. Dabei ist der
Wärmetauscher wie zuvor beschrieben ausgebildet.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug mit einer in einem Frontbereich angeordneten Verbrennungskraftmaschine und mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einer Draufsicht;
Fig. 2 eine stark vereinfachte Prinzipskizze des Frontbereiches des Kraftfahrzeuges
Seitenansicht;
Fig. 3 eine stark vereinfachte Prinzipskizze des in den Figuren 1 und 2 dargestellten
Wärmetauschers;
Fig. 4 eine erste Ausführungsform des Wärmetauschers in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des Wärmetauschers in einer perspektivischen
Darstellung;
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform mit gegenüber einer horizontalen Ebene geneigt
angeordneten Kühlelementen;
Fig. 7 eine perspektivische und geschnittene Darstellung einer Platte des Wärmetauschers.
Figur 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer in einem Frontbereich 2 angeordneten
Verbrennungskraftmaschine 3 und mit einem Wärmetauscher 4 in einer Draufsicht, während Figur 2 eine vereinfachte Prinzipskizze des Frontbereiches 2 in einer Seitenansicht zeigt.
Die Verbrennungskraftmaschine 3 und der Wärmetauscher 4 sind in einem Motorraum 5 des Kraftfahrzeuges 1 derart angeordnet, dass sich der Wärmetauscher 4 in Fahrtrichtung 6 des Kraftfahrzeuges 1 vor der Verbrennungskraftmaschine 3 befindet. Zur Abfuhr von während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine 3 entstehender Abwärme an die Umgebung ist die Verbrennungskraftmaschine 3 über ein ein Kühlmittel aufweisendes Fluid thermisch mit dem als Wasserkühler ausgebildeten Wärmetauscher 4 gekoppelt. Das Wärme führende Fluid wird während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine 3 in den Wärmetauscher 4 eingeleitet und gibt die aufgenommene Wärme an eine ebenfalls in den Wärmetauscher 4 eingeleitete Kühlluft ab. Durch die Bewegung des Kraftfahrzeuges 1 in Fahrtrichtung 6 wird eine
Luftströmung mit einer der Fahrtrichtung 6 entgegengesetzten Anströmrichtung 7 erzeugt und über eine Anströmfläche 8 des Wärmetauschers 4 in diesen eingeleitet.
Figur 3 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 4 mit zwei parallel angeordneten Kühlelementen 9 und mit einem sich zwischen diesen erstreckenden Strömungskanal 10. Die auf die Anströmfläche 8 des Wärmetauschers 4 in Anströmrichtung 7 gerichtete Luftströmung wird in den Strömungskanal 10 eingeleitet und strömt als Kühlluft 1 1 durch den Strömungskanal 10. Dabei weist die Kühlluft 1 1 eine
Strömungsrichtung 12 auf, welche parallel und in Gegenrichtung zu einer Strömungsrichtung 13 des durch die Kühlelemente 9 strömenden Fluides 14 verläuft. Die Kühlelemente 9 können bezogen auf eine horizontale Ebene (xy-Ebene) übereinander (Figuren 3 und 4) oder nebeneinander (Figur 5) angeordnet sein, wobei die Strömungsrichtung 13 des Fluides 14 in beiden Fällen parallel zu der Strömungsrichtung 12 der Kühlluft 1 1 verläuft.
Figur 4 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 4 in einer perspektivischen Darstellung. Der Wärmetauscher 4 weist mehrere als Platten 15 ausgebildete Kühlelemente 9 auf, wobei die Platten 15 horizontal und parallel zueinander angeordnet sind. Zwischen jeweils benachbarten Platten 15 erstreckt sich ein Strömungskanal 10, sodass der Wärmetauscher 4 aus mehreren Platten 15 und mehreren Strömungskanälen 10 besteht. In den Strömungskanälen 10 sind zur Vergrößerung der Oberfläche des Strömungskanales 10 Kühllamellen 16 angeordnet, welche thermisch mit den Kühlelementen 9 bzw. den Platten 15 gekoppelt sind. Die Platten 15 erstrecken sich parallel zu einer durch die Fahrzeugquerrichtung (y-Achse) und die Fahrzeuglängsrichtung (x-Achse) aufgespannten Ebene und weisen jeweils mehrere nebeneinander angeordnete und sich in Strömungsrichtung 13 des Fluides 14 erstreckende Fluidkanäle 17 auf.
Zur Einleitung und zur Ableitung des die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 3 aufnehmenden Fluides 14 in den bzw. aus dem Wärmetauscher 4 weist dieser einen Zulauf 18 und einen Ablauf 19 auf. Der Zulauf 18 ist auf einer der Kühlluftaustrittsfläche 20 des
Wärmetauschers 4 zugewandten Seite und der Ablauf 19 auf einer der Kühllufteintrittsfläche 21 des Wärmetauschers 4 zugewandten Seite der jeweiligen Platte 15 angeordnet. Durch den Zulauf 18 wird das von der Verbrennungskraftmaschine 3 kommende und Wärme führende Fluid 14 in die bezogen auf eine horizontale Ebene (xy-Ebene) oberste Platte 15 eingeleitet, verteilt sich dann innerhalb dieser Platte 15 auf die nebeneinander angeordneten Fluidkanäle
17 und durchströmt diese in Strömungsrichtung 13. Da die einzelnen horizontal angeordneten Platten 15 strömungstechnisch miteinander verbunden sind, verteilt sich das durch den Zulauf
18 in die oberste Platte 15 eingeleitete Fluid 14 gleichmäßig in die übereinander angeordneten Platten 15 und durchströmt auch diese in Strömungsrichtung 13. Während des Durchströmens der Platten 15 gibt das Fluid 14 die aufgenommene Wärme an die in Gegenrichtung strömende Kühlluft 1 1 ab. Anschließend wird das Fluid 14 über den Ablauf 19 in der untersten Platte 15 aus dem Wärmetauscher 4 abgeleitet und wieder zu der Verbrennungskraftmaschine 3 zurückgeführt.
Figur 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, nach welcher die Platten 15 des
Wärmetauschers 4 nicht wie bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform horizontal, sondern vertikal angeordnet sind. Die ebenfalls parallel angeordneten Platten 15 erstrecken sich bei dieser Ausführungsform also parallel zu einer von der von Kraftfahrzeughochrichtung (z-Achse) und Kraftfahrzeuglängsrichtung (x-Achse) aufgespannten Ebene.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, nach welcher die Platten 15 bzw. die Kühlelemente 9 parallel zueinander und geneigt zu einer horizontalen Ebene (xy-Ebene) angeordnet sind. Die Neigung der Kühlelemente 9 ist derart ausgestaltet, dass eine Anströmrichtung 8 der
Luftströmung vor dem Eintritt in den Strömungskanal 10 und die Strömungsrichtung 12 der Kühlluft 1 1 im Strömungskanal 10 einen stumpfen Winkel 22 einschließen. Hierdurch wird eine Wärmeübertragungsstrecke 23 zwischen den Kühlelementen 9 und dem Strömungskanal 10 bzw. dem Fluid 14 und der Kühlluft 1 1 im Vergleich zu einer Anordnung gemäß Figur 3 bei gleichem zur Verfügung stehenden Bauraum verlängert und dadurch die Kühlleistung des Wärmetauschers 4 verbessert.
Figur 7 zeigt eine perspektivische und geschnittene Darstellung einer Platte 15 des
Wärmetauschers 4. In der Platte 15 ist eine strömungsleitende Einrichtung 24 integriert. Durch die als Leitblech ausgebildete strömungsleitende Einrichtung 24 werden die sich in
Strömungsrichtung 13 des Wärme führenden Fluides 14 erstreckenden, nebeneinander angeordneten Fluidkanäle 17 gebildet. Weiterhin kann eine dem durchströmenden Fluid 14 zugewandte Oberfläche 25 der Kühlelemente 9 bzw. der Platten 15 Einprägungen 26 aufweisen. Außerdem können innerhalb der Platte 15 bzw. in den einzelnen Fluidkanälen 17 weitere strömungsleitende oder turbulenzerzeugende Elemente 27 oder Geometrien, beispielsweise Bleche, Turbulatoren oder Inlays vorgesehen sein. Hierdurch wird ein verbesserter Wärmeübergang zwischen dem Wärme führenden Fluid 14 und der Kühlluft 1 1 im Strömungskanal 10 erreicht.
Wie in Figur 5 dargestellt, können die Platten 15 Umlenkeinrichtungen 28 aufweisen, welche benachbarte Fluidkanäle 17 strömungstechnisch miteinander verbinden. Hierdurch wird das in Gegenrichtung zur Kühlluft 1 1 strömende Fluid 14 um 180° umgelenkt (gestrichtelte Linie), sodass die Strömungsrichtung 13 des Fluides 14 anschließend die gleiche Strömungsrichtung aufweist wie die Kühlluft 1 1 im Strömungskanal 10.
Bezugszeichenliste Kraftfahrzeug
Frontbereich
Verbrennungskraftmaschine
Wärmetauscher
Motorraum Fahrtrichtung
Anströmrichtung (Luftströmung)
Anströmfläche
Kühlelement
Strömungskanal Kühlluft
Strömungsrichtung (Kühlluft)
Strömungsrichtung (Fluid)
Fluid
Platte Kühllamellen
Fluidkanal
Zulauf
Ablauf
Kühlluftaustrittsfläche Kühllufteintrittsfläche
stumpfer Winkel
Wärmeübertragungsstrecke
Einrichtung
Oberfläche Einprägungen
Element
Umlenkeinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher (4), insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine (3) eines
Kraftfahrzeuges (1 ), mit zumindest zwei von einem Wärme führenden Fluid (14) durchströmbaren Kühlelementen (9) und mit zumindest einem zwischen den
Kühlelementen (9) angeordneten und von Kühlluft (1 1 ) durchströmbaren Strömungskanal (10), dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungskanal (10) derart zwischen den beiden Kühlelementen (9) erstreckt, dass eine Strömungsrichtung (12) der Kühlluft (1 1 ) im Strömungskanal (10) parallel zu einer Strömungsrichtung (13) des Wärme führenden Fluides (14) in den beiden Kühlelementen (9) verläuft.
2. Wärmetauscher (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Strömungsrichtung (12) der Kühlluft (1 1 ) im Strömungskanal (10) in Gegenrichtung zu der Strömungsrichtung (13) des Wärme führenden Fluides (14) in den zumindest zwei Kühlelementen (9) verläuft.
3. Wärmetauscher (4) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (9) jeweils zumindest zwei nebeneinander angeordnete und sich in
Strömungsrichtung (13) des Wärme führenden Fluides (14) erstreckende Fluidkanäle (17) aufweisen.
4. Wärmetauscher (4) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkanäle (17) derart ausgebildet sind, dass die
Strömungsrichtung (13) des Wärme führenden Fluides (14) in zumindest einem ersten Fluidkanal (17) in Richtung der Strömungsrichtung (12) der Kühlluft (1 1 ) und in einem zweiten Fluidkanal (17) in Gegenrichtung zu der Strömungsrichtung (12) der Kühlluft (1 1 ) verläuft.
5. Wärmetauscher (4) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche der Fluidkanäle (17) der Kühlelemente (9) zumindest teilweise durch eine Umlenkeinrichtung (28) strömungstechnisch verbunden sind.
6. Wärmetauscher (4) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem durchströmenden Wärme führenden Fluid (14) zugewandte Oberfläche (25) der Kühlelemente (9) Einprägungen (26) aufweist und/oder dass in den Kühlelementen (9) strömungsleitende Einrichtungen (24), insbesondere Leitbleche und/oder Elemente (27) angeordnet sind.
7. Wärmetauscher (4) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (9) als horizontal oder vertikal angeordnete Platten (15) ausgebildet und parallel zueinander angeordnet sind.
8. Wärmetauscher (4) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Platten (15) derart geneigt zu einer horizontalen (xy-Ebene) oder vertikalen Ebene (xz-Ebene) angeordnet sind, dass eine Anströmrichtung (7) einer Luftströmung vor dem Eintritt in den Strömungskanal (10) und die Strömungsrichtung (12) der Kühlluft (1 1 ) im Strömungskanal (10) einen stumpfen Winkel (22) einschließen.
9. Wärmetauscher (4) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Platten (15) strömungstechnisch miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen Zulauf (18) und einen gemeinsamen Ablauf (19) für das Wärme führende Fluid (14) aufweisen, wobei der Zulauf (18) auf einer der Kühlluftaustrittsfläche (20) des Wärmetauschers (4) zugewandten Seite und der Ablauf auf einer der
Kühllufteintrittsfläche (21 ) des Wärmetauschers zugewandten Seite der Platten (15) angeordnet ist und/oder dass der Zulauf (18) bezogen auf eine horizontale Ebene (xy- Ebene) in einem oberen Bereich und der Ablauf (19) in einem unteren Bereich der Platten (15) angeordnet ist.
10. Kraftfahrzeug (1 ) mit einer Verbrennungskraftmaschine (3) und mit einem Wärmetauscher (4) zur Abfuhr der im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (3) entstehenden Abwärme an die Umgebung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche.
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