WO2006000451A1 - Wärmeübertrager, insbesondere ladeluftkühler für kraftfahrzeuge - Google Patents

Wärmeübertrager, insbesondere ladeluftkühler für kraftfahrzeuge Download PDF

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Joachim Kopp
Jürgen Wegner
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/022—Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F28D1/05366—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators

Definitions

  • Heat exchangers in particular intercoolers for motor vehicles
  • the invention relates to a heat exchanger, in particular a charge air cooler for motor vehicles, according to the preamble of claim 1.
  • Known heat exchanger consist of a heat exchanger block (or called network) and arranged on both sides collecting boxes for the entry and exit or the collection and distribution of a Cyprusü ⁇ transfer medium, z. As coolant or charge air.
  • the heat exchanger block consists of mutually parallel tubes, z.
  • the corrugated fins used which are soldered to the pipes.
  • On the inside of the tubes in particular in the case of flat tubes, so-called internal corrugated ribs or turbulence generators are arranged to improve the heat transfer and are likewise soldered to the tube. This results in a stable internal pressure-resistant bandage for the heat exchanger block.
  • the tubes open with their tube ends in tube sheets, which parts of the collecting tanks or are connected to the collecting boxes.
  • the tubesheets have passages in which the tube ends are soldered.
  • a similar heat exchanger was known from DE-A 198 57435.
  • single or multi-row systems heat exchanger blocks
  • one or more rows of tubes are separated by an air gap. arranged one behind the other.
  • single-row networks are used for lower powers and double-row networks for higher powers, the latter at depths of more than about 70 mm.
  • Double-row systems have several disadvantages: they are both expensive to manufacture and worse in performance. For the production two rows of tubes must be cassetted with a Maschinentube ⁇ the rib and inserted into two rows of passages in the tube sheets.
  • the passages in the tubesheets must have a minimum distance in the depth direction for production-technical reasons, which also specifies the distance of the rows of tubes in the network. This air gap increases the pressure drop on the cooling air side and increases the overall depth of the heat exchanger.
  • the heat exchanger block has only a series of flat tubes with a depth T that is greater than 70 mm and less than 120 mm.
  • a single-row heat exchanger, in particular intercooler with such a depth in the flow direction of the cooling air brings advantages in both the production and the cost as well as in the performance.
  • Known heat exchangers, in particular charge air coolers, were designed in two rows at this depth.
  • the system according to the invention requires only a series of flat tubes, a continuous corrugated rib on the cooling air side and an inner corrugated rib on the charge air side. Such a system is much easier to cassett than a two-tier system.
  • the tube plates only a series of passages, ie the gaps between the passages in the cooling air flow direction and between the rows of tubes omitted.
  • the depth of the flat tubes is in a range of 70 to 100 mm, and particularly advantageously in a range of 80 to 90 mm.
  • the depth of the flat tubes lies in a range of 90 to 120 mm, and particularly advantageously in a range of 90 to 100 mm.
  • the flat tubes have a clear width in a range between 3 and 10 mm, preferably between 5 and 10 mm, in particular in a range of 6 to 8 mm, the optimum at a clear width of 7 mm is located.
  • a clear width in a range between 3 and 10 mm, preferably between 5 and 10 mm, in particular in a range of 6 to 8 mm, the optimum at a clear width of 7 mm is located.
  • inner corrugated ribs or turbulence inserts are arranged in the flat tubes, which are soldered to the flat tubes. This achieves the advantage of a better heat transfer and an increased internal pressure resistance for the flat tubes, which is necessary in particular at an increased depth.
  • the single FIGURE shows a detail of a heat exchanger block 1, which is constructed from a (number word) series of flat tubes 2 and arranged between them corrugated fins 3.
  • Flat tubes 2 and corrugated fins 3 are part of an intercooler, not shown, which cools the air (charge air) of a supercharged, not shown internal combustion engine of a motor vehicle by ambient air (cooling air).
  • the charge air flows through the flat tubes 2 perpendicular to the plane of the drawing, and the ambient or cooling air flows in the direction of the arrow L between the flat tubes 2 via the corrugated fins 3, which are provided with gills 4 to improve the heat transfer.
  • inner corrugated fins 5 are arranged, which form the cross section of the flat tubes 2 into a multiplicity of chambers divide and are soldered to the flat tubes 2 on the inside.
  • the corrugated fins 4 are soldered to the outside of the flat tubes 2. In this respect, there is a good heat conduction from the inside of Flachroh ⁇ re 2 on the outside.
  • the flat tubes 2 are - as explained at the beginning of the prior art - held in non-illustrated passages of tube sheets and soldered to them. On the tube sheets not shown collecting boxes, so-called air boxes are placed.
  • the depth T, d. H. the extent of the flat tubes 2 and the corrugated fins 3 in the air flow direction L is denoted by T.
  • T The depth T, d. H. the extent of the flat tubes 2 and the corrugated fins 3 in the air flow direction L.
  • the inside width of the flat tubes 2 is characterized by the dimension H.
  • the dimension T is in a narrower range of 80 to 90 mm, in a further range between 70 and 100 mm and in a wide range of 70 to 120 mm.
  • the flat tubes 2 are vor ⁇ preferably made of an aluminum sheet and welded to the narrow side in the longitudinal direction.
  • the corrugated fins 3 (cooling air fins) and the inner corrugated fins 5 (charge air fins) are made of thin aluminum sheet and are soldered to the flat tubes 2. This results in a compact, pressure-stable heat transfer block 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluftkühler für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem durch Flachrohre (2) und Wellrippen (3) gebildeten Wärmeübertragerblock (1) sowie aus mit den Flachrohren (2) kommunizierenden Sammelkästen, wobei die Flachrohre (2) von einem zu kühlenden Medium durchströmbar und die Wellrippen (3) von Umgebungsluft überströmbar sind. Es wird vorgeschlagen, dass die Flachrohre (2) in einer Reihe angeordnet sind und eine in Luftströmungsrichtung L gemessene Tiefe T aufweisen, die in einem Bereich von 70 ≤ T ≤ 120 mm liegt.

Description

BEHR GmbH & Co. KG Mauserstraße 3, 70469 Stuttgart
Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluftkühler für Kraftfahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Ladeluft¬ kühlerfür Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bekannte Wärmeübertrager bestehen aus einem Wärmeübertragerblock (oder auch Netz genannt) und beiderseits angeordneten Sammelkästen für den Ein- und Austritt bzw. die Sammlung und Verteilung eines Wärmeü¬ bertragermediums, z. B. Kühlmittel oder Ladeluft. Der Wärmeübertragerblock besteht aus parallel zueinander angeordneten Rohren, z. B. Flachrohren und Rippen, welche die Wärmeübertragungsfläche auf der Außenseite der Rohre erhöhen und von Umgebungsluft überströmt werden. Bei Flachrohren wer¬ den Wellrippen verwendet, die mit den Rohren verlötet werden. Auf der In¬ nenseite der Rohre, insbesondere bei Flachrohren sind zur Verbesserung der Wärmeübertragung so genannte Innenwellrippen oder Turbulenzerzeu¬ ger angeordnet, die ebenfalls mit dem Rohr verlötet werden. Dadurch ergibt sich ein stabiler innendruckfester Verband für den Wärmeübertragerblock. Die Rohre münden mit ihren Rohrenden in Rohrböden, welche Teile der Sammelkästen oder mit den Sammelkästen verbunden sind. Die Rohrböden weisen Durchzüge auf, in welchen die Rohrenden verlötet sind. Ein ähnlicher Wärmeübertrager wurde durch die DE-A 198 57435 bekannt.
Je nach Leistung des Wärmeübertragers werden ein- oder mehrreihige Sys¬ teme (Wärmeübertragerblöcke) verwendet, d. h. in Strömungsrichtung der Kühlluft sind eine oder mehrere Rohrreihen, getrennt durch einen Luftspalt, hintereinander angeordnet. Insbesondere bei luftgekühlten Ladeluftkühlem für die Kühlung der Verbrennungsluft von Brennkraftmaschinen für Kraftfahr¬ zeuge werden bei geringeren Leistungen einreihige Netze und bei höheren Leistungen zweireihige Netze eingesetzt, und zwar letztere bei Bautiefen von mehr als etwa 70 mm. Zweireihige Systeme haben verschiedene Nachteile: sie sind sowohl in der Herstellung teurer als auch in der Leistung schlechter. Für die Herstellung müssen zwei Reihen von Rohren mit einer durchgehen¬ den Rippe kassettiert und in zwei Reihen von Durchzügen in den Rohrböden gesteckt werden. Die Durchzüge in den Rohrböden müssen aus fertigungs- technischen Gründen in Tiefenrichtung einen Mindestabstand aufweisen, welcher auch den Abstand der Rohrreihen im Netz vorgibt. Dieser Luftspalt erhöht den Druckabfall auf der Kühlluftseite und vergrößert die Bautiefe des Wärmeübertragers.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genann¬ ten Art hinsichtlich seiner Herstellungskosten und seiner thermodynamischen Leistung zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentan- spruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärmeübertra¬ gerblock nur eine Reihe von Flachrohren mit einer Tiefe T aufweist, die grö¬ ßer als 70 mm und kleiner als 120 mm ist. Ein einreihiger Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluftkühler mit einer derartigen Tiefe in Strömungsrichtung der Kühlluft bringt Vorteile sowohl bei der Herstellung und den Kosten als auch in der Leistung. Bekannte Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluft¬ kühler wurden bei dieser Tiefe zweireihig ausgeführt. Demgegenüber benö¬ tigt das erfindungsgemäße System nur eine Reihe von Flachrohren, eine durchgehende Wellrippe auf der Kühlluftseite und eine Innenwellrippe auf der Ladeluftseite. Ein solches System lässt sich wesentlich einfacher als ein zweireihiges System kassettieren. Darüber hinaus weisen die Rohrböden nur eine Reihe von Durchzügen auf, d. h. die Spalte zwischen den Durchzügen in Kühlluftströmungsrichtung und zwischen den Rohrreihen entfallen. Es er¬ gibt sich also der zusätzliche Vorteil einer geringeren Bautiefe und eines ge¬ ringeres Druckabfalls auf der Primär- und der Sekundärseite. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt die Tiefe der Flachrohre in einem Bereich von 70 bis 100 mm, und besonders vorteilhaft in einem Bereich von 80 bis 90 mm.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung liegt die Tiefe der Flachrohre in einem Bereich von 90 bis 120 mm, und besonders vorteilhaft in einem Be¬ reich von 90 bis 100 mm.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Flachrohre eine lichte Weite in einem Bereich zwischen 3 und 10 mm, bevorzugt zwi¬ schen 5 und 10 mm, insbesondere in einem Bereich von 6 bis 8 mm auf, wobei das Optimum bei einer lichten Weite von 7 mm liegt. Für einen sol¬ chen Querschnitt der Flachrohre ergeben sich erhöhte Leistungen für den Wärmeübertrager.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in den Flachrohren Innenwellrippen bzw. Turbulenzeinlagen angeordnet, die mit den Flachrohren verlötet sind. Dadurch erreicht man den Vorteil eines besse¬ ren Wärmeüberganges und einer erhöhten Innendruckfestigkeit für die Flachrohre, was insbesondere bei einer erhöhten Tiefe notwendig ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Die einzige Figur zeigt einen Ausschnitt eines Wärmeübertragerblockes 1, welcher aus einer (Zahlwort) Reihe von Flachrohren 2 und zwischen diesen angeordneten Wellrippen 3 aufgebaut ist. Flachrohre 2 und Wellrippen 3 sind Teil eines nicht dargestellten Ladeluftkühlers, welcher die Luft (Ladeluft) eines aufgeladenen nicht dargestellten Verbrennungsmotors eines Kraftfahr- zeuges durch Umgebungsluft (Kühlluft) kühlt. Die Ladeluft durchströmt die Flachrohre 2 senkrecht zur Zeichenebene, und die Umgebungs- bzw. Kühl¬ luft strömt in Richtung des Pfeils L zwischen den Flachrohren 2 über die Wellrippen 3, welche zur Verbesserung der Wärmeübertragung mit Kiemen 4 versehen sind. Innerhalb der Flachrohre 2 sind Innenwellrippen 5 angeord- net, welche den Querschnitt der Flachrohre 2 in eine Vielzahl von Kammern unterteilen und mit den Flachrohren 2 auf deren Innenseite verlötet sind. Die Wellrippen 4 dagegen sind auf mit der Außenseite der Flachrohre 2 verlötet. Insofern ergibt sich eine gute Wärmeleitung von der Innenseite der Flachroh¬ re 2 auf deren Außenseite. Die Flachrohre 2 sind - wie eingangs zum Stand der Technik erläutert - in nicht dargestellten Durchzügen von Rohrböden gehalten und mit diesen verlötet. Auf die Rohrböden sind nicht dargestellte Sammelkästen, so genannte Luftkästen aufgesetzt.
Die Bautiefe T, d. h. die Erstreckung der Flachrohre 2 und der Wellrippen 3 in Luftströmungsrichtung L ist mit T bezeichnet. Wesentlich ist allerdings das Maß T für die Flachrohre 2, die Wellrippen 3 dagegen können ein etwas kleineres oder größeres Maß aufweisen, d. h. gegenüber den Schmalseiten der Flachrohre 2 zurück oder über diese hinaus stehen. Die lichte Weite der Flachrohre 2 ist durch das Maß H gekennzeichnet. Für eine bevorzugte Aus- führungsform der Flachrohre 2 liegt das Maß T in einem engeren Bereich von 80 bis 90 mm, in einem weiteren Bereich zwischen 70 und 100 mm so¬ wie in einem breiten Bereich von 70 bis 120 mm. Die Flachrohre 2 sind vor¬ zugsweise aus einem Aluminiumblech hergestellt und an der Schmalseite in Längsrichtung verschweißt. Die Wellrippen 3 (Kühlluftrippen) und die Innen- wellrippen 5 (Ladeluftrippen) sind aus dünnem Aluminiumblech hergestellt und werden mit den Flachrohren 2 verlötet. Dies ergibt einen kompakten, druckstabilen Wärmeübertragerblock 1.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluftkühler für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem durch Flachrohre (2) und Wellrippen (3) gebil¬ deten Wärmeübertragerblock (1 ) sowie aus mit den Flachrohren (2) kommunizierenden Sammelkästen, wobei die Flachrohre (2) von ei¬ nem zu kühlenden Medium durchströmbar und die Wellrippen (3) von Umgebungsluft überströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (2) in einer Reihe (einreihig) angeordnet sind, eine in Luftströmungsrichtung L gemessene Tiefe T aufweisen und dass die Tiefe in einem Bereich von 70 ≤ T < 120 mm liegt.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe in einem Bereich von 70 ≤ T ≤ 100 mm liegt.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Tiefe in einem Bereich von 80 ≤ T ≤ 90 mm liegt.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe in einem Bereich von 90 ≤ T ≤ 120 mm liegt.
5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Flachrohre (2) eine lichte Weite H (quer zur Luftströmungsrichtung L) aufweisen, welche in einem Bereich von 3 ≤ H ≤ 10 mm liegt.
6. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite in einem Bereich von 6 ≤ H ≤ 8 mm, insbesondere bei H = 7 mm liegt.
7. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, dass in den Flachrohren (2) Innenwellrippen (5) angeordnet sind.
8. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertragerblock (1) aus Aluminiumwerkstoffen hergestellt und verlötet ist.
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