WO2014086558A1 - Wärmetauscher für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Wärmetauscher für Verbrennungskraftmaschinen mit einem von einem zu kühlenden Fluiddurchströmbaren Kanal (14), einem Kühlmittelkanal (16), einer Trennwand (10), die den Kühlmittelkanal (16) von dem vom zu kühlenden Fluiddurchströmbaren Kanal (14) trennt, wobei auf einer zum Kühlmittelkanal (16) weisenden Oberfläche der Trennwand (10) Noppen (50) ausgebildet sind, sind bekannt. Um die Kühlleistung eines derartigen Wärmetauschers zu erhöhen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass im Kühlmittelkanal (16) auf der Trennwand (10) Zonen (56) ausgebildet sind, die Noppen (50) aufweisen und Zonen (54) ausgebildet sind, die eine glatte Oberfläche aufweisen, wobei die beiden Zonen (54, 56) derart zueinander angeordnet sind, dass Zonen (54, 56) mit unterschiedlichen Strömungswiderständen erzeugt werden. So wird eine Verteilung und Leitung des Kühlmittels bei vergrößerter Wärmeaustauschfläche hergestellt, was zu einer Erhöhung des Kühlerwirkungsgrades führt.

Description

sich Rippen zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche. Zusätzlich sind jeweils in Höhe der Rippen sich korrespondierend zu den Rippen erstreckende Einbuchtungen an der Trennwand zwischen dem Gaskanai und dem Kühlmittelkanal ausgebildet, mittels derer der Kühlmittelstrom näher an den Gasstrom herangeführt werden soll, um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen.

Des Weiteren ist es aus der EP 2 413 080 A2 bekannt, im Kühlmittelmantel Stege auszubilden, durch die eine mäanderförmige Umströmung des Innengehäuses erreicht wird. Hierdurch werden Totwassergebiete vermieden, wodurch ebenfalls die Kühlleistung steigt.

Auch ist es aus der EP 2 284 471 A2 bekannt, einzelne Stege im Kühlmittelkanal derart auszubilden, dass eine möglichst gleichmäßige Umströmung des Innengehäuses bei minimierter Anzahl der Stege erreicht wird. Hierzu werden mathematische Modelle erstellt, in denen der natürliche Strömungsweg ohne Stege berechnet wird und anschließend die Stege derart platziert werden, dass bei möglichst geringem Druckverlust dennoch eine voliumfängliche Umströmung erreicht wird.

Nicht zuletzt wird in der EP 0 815 971 AI ein Plattenwärmetauscher offenbart, dessen Plattenoberflächen in die Kühlmittelkanäle ragende Noppen und Trennwände aufweisen. Die Noppen sollen zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche dienen, während die Trennwände eine exakte Leitung des Kühlmittels sicherstellen.

Allen diesen bekannten Ausführungen ist es gemeinsam, dass die vorhandenen konstruktiven Merkmale entweder den Wärmeaustausch erhöhen oder eine Führung des Kühlmittelstroms verwirklichen, so dass in allen bekannten Ausführungen keine ausreichende Kühlleistung im Vergleich zum benötigten Bauraum erreicht wird. Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine mit möglichst einfach herzustellender Geometrie bereit zu stellen, mit dem die erreichbaren Kühlleistungen im Vergleich zu den bekannten Ausführungen weiter erhöht werden.

Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass im Kühlmittelkanal auf der Trennwand mehrere Zonen ausgebildet sind, die Noppen aufweisen und mehrere Zonen ausgebildet sind, die eine glatte Oberfläche aufweisen, wobei die beiden Zonen derart zueinander angeordnet sind, dass Zonen mit unterschiedlichen Strömungswiderständen erzeugt werden, entsteht eine Führung des Kühlmittels, wodurch die Kühlleistung an der Trennwand einerseits durch Vergrößerung der vorhandenen Wärmeaustauschfläche und andererseits durch die erreichbare gleichmäßige Umströmung ohne Totwasserge biete, deutlich erhöht werden kann.

Vorzugsweise sind die Zonen, in denen Noppen ausgebildet sind, größer als die Zonen mit glatter Oberfläche. Da durch die Zonen mit glatter Oberfläche lediglich eine Strömungsverteiiung erfolgt, wozu kleine Querschnitte ausreichen, während die Wirkungsgraderhöhung durch die Zonen mit Noppen erreicht wird, werden mit einer derartigen Ausführung besonders gute Ergebnisse erzielt.

Vorteilhafterweise ragen die Noppen bis unmittelbar vor eine den Kühlmittelkanal an der gegenüberliegenden Seite der Trennwand begrenzenden Gehäusewand. Dies bedeutet, dass die Noppen mit einem geringen Abstand zur gegenüberliegenden Wand enden, so dass noch eine vollständige Umströmung der Noppen erreicht wird. So steht die gesamte Oberfläche für den Wärmeaustausch zur Verfügung und ein besonders großer Anteil des Kühlmittelstroms kommt in diesen Zonen tatsächlich mit der Oberfläche in Berührung. Besonders große Oberflächen mit gleichzeitig geringen Strömungswiderständen werden erreicht, wenn die Noppen kugelschnittförmig oder pyramidenförmig ausgebildet sind. Zusätzlich sind diese Strukturen einfach herzustellen und ermöglichen eine Vergrößerung der zur Verfügung stehenden Wärmeaustauschfläche um bis zu 45%.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist der Wärmetauscher ein Innengehäuse, in dem der vom zu kühlenden Fluid durchström bare Kanal angeordnet ist und ein Außengehäuse auf, welches den Kühlmittelkanal umgibt, wobei die Seltenwände des Innengehäuses als Trennwand dienen. Ein solcher Wärmetauscher ist beispielsweise kostengünstig im Druckgussverfahren herstellbar, bei dem die Noppenstrukturen einfach in die Formen zu integrieren sind. Des Weiteren ist der Zusammenbau besonders einfach, wodurch Montagekosten sinken.

Um einen besonders einfachen Anschluss der Kühlmittelleitungen im Verbrennungsmotor herstellen zu können, sind am Außengehäuse ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass ausgebildet. Weitere Montageschritte entfallen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind hinter dem Kühlmitteleinlass die Zonen mit glatter Oberfläche und die Zonen, die Noppen aufweisen, derart zueinander angeordnet, dass eine Gleichverteilung des Kühlmittelstroms auf der Trennwand erfolgt. Dies kann beispielsweise durch Strömungssimulationen für die spezielle Ausbildung des Wärmetauschers ermittelt werden. Dabei sind üblicherweise in Zonen, in denen ein geringer Strömungswiderstand und damit eine hohe Durchströmungsgeschwindigkeit vorliegt Zonen mit Noppen auszubilden. Bei gleichmäßiger Strömungsverteilung werden besonders hohe Kühlleistungen erzielt. In einer speziellen Ausbildung der Erfindung ist hinter dem Kühlmitteleinlass eine Zone mit glatter Oberfläche angeordnet, die sich über die Länge der Trennwand erstreckt, welcher in Richtung der Breite betrachtet eine erste Zone mit Noppen folgt, die sich über die Länge der Trennwand erstreckt. Der Kühlmittelstrom verteilt sich vor dem Überströmen der Noppenzone, in welcher der Strömungswiderstand größer ist, relativ gleichmäßig in der noppenfreien Zone und strömt von hier aus in Richtung des Kühlmittelauslasses.

In einer Weiterbildung hierzu folgt der ersten Zone mit Noppen ein Abschnitt, der sich über die weitere Breite der Trennwand erstreckt und in dem sich in Längsrichtung betrachtet größere Zonen, in denen die Noppen ausgebildet sind und schmale Zonen mit glatter Oberfläche abwechseln. Es entsteht somit eine Strömung deren Hauptströmungsrichtung entlang der Breite der Trennwand erfolgt, da die schmalen Zonen mit glatter Oberfläche diese Strömungsrichtung aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes vorgeben. So entsteht eine gleichmäßige Umströmung mit hohem Wirkungsgrad und relativ geringem Druckverlust.

Es wird somit ein Wärmetauscher mit erhöhter Kühlleistung bei verringertem Bauraum geschaffen. Dies wird durch eine gleichzeitige Strömungsführung und Oberflächenvergrößerung durch die entsprechende Anordnung der Noppen erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend anhand eines Abgaswärmetauschers beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung von schräg oben in dreimdimensiona!er Darstellung. Figur 2 zeigt eine Kopfansicht der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß Figur 1 in geschnittener Darstellung.

Figur 3 zeigt in dreidimensionaler Darstellung einen Ausschnitt einer Oberfläche einer Trennwand eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Trennwand eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in schematischer Darstellung.

Der in den Figuren dargestellte Wärmetauscher besteht aus einem Außengehäuse 2, in welchem ein zweiteiliges Innengehäuse 4 mit einer Oberschale 6 und einer Unterschale 8, die durch Rührreibschweißen miteinander verbunden sind, angeordnet ist.

Sowohl die Oberschale 6 als auch die Unterschale 8 des Innengehäuses 4, welche beispielsweise jeweils im Druckgussverfahren hergestellt sind, weisen jeweils eine Trennwand 10 auf, von der aus sich Rippen 12 im Querschnitt abwechselnd von der Oberschale 6 und der Unterschale 8 in einen von einem zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal 14 im Innern des Innengehäuses 4 erstrecken. Dieses Fluid kann das Abgas eines Verbrennungsmotors sein.

Das Innengehäuse 4 ist derartig in das Außengehäuse 2 geschoben, dass zwischen dem Innengehäuse 4 und dem Außengehäuse 2 ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlmittelkanal 16 gebildet wird, der durch die Trennwand 10 von dem vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal 14 getrennt ist. Über Flanschverbindungen 18 wird das Innengehäuse 4 dicht mit dem Außengehäuse 2 verbunden, so dass der Kühlmittelkanal 16 als geschlossener Kühlmittelmantel ausgebildet ist.

Der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal 14 erstreckt sich von einem Einlass 20 an der Kopfseite des Wärmetauschers zu einem Auslass 22 an der gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers. Der Kanal 14 ist durch eine Mittelwand 24 in zwei Teilkanäle 26, 28 unterteilt, wobei der erste Teilkanal 26 mit einem Abgaskrümmer einer ersten Zylindergruppe verbunden ist und der zweite Teiikanal 28 mit einem Abgaskrümmer einer zweiten Zylindergruppe des Verbrennungsmotors verbunden ist. Durch diese Trennung werden Interferenzen zwischen den einzelnen ausgestoßenen Abgaspulsen verhindert, wodurch bei Verwendung nachgeschalteter Rückschlagklappen der Gesamtmassenstrom erhöht werden kann.

Die Mittelwand 24 erstreckt sich dabei von der Trennwand 10 der Unterschale 8 durchgängig bis in eine gegenüberliegende Nut 30, die in der Trennwand 10 der Oberschale 6 ausgebildet ist. Die ittel wand 24 wird durch die Trennwand 10 hindurch in der Nut 30 mittels Rührreibschweißen befestigt, so dass ein Überströmen der Mittel wand 24 verhindert wird und gleichzeitig die Stabilität des Innengehäuses 4 durch Halbierung der vorhandenen Sprengflächen deutlich erhöht wird.

Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Trennwand 10 sowohl der Unterschale 8 als auch der Oberschale 6 des Innengehäuses 4 eine äußere wellenförmige Oberfläche 32 aufweist. Die wellenförmige Oberfläche 32 wird durch Ausnehmungen 34 zwischen Rippenfüßen 36 der hintereinanderliegenden Rippenreihen erzielt. In den Bereichen der Oberfläche 32, welche in Längsrichtung zwischen den Rippenreihen gelegen ist, weisen die Ausnehmungen 34 lediglich einen sich über diesen Bereich erstreckenden Versatz auf, so dass mit Beginn der folgenden Rippenreihe, welche in gleicher Weise versetzt zur vorherigen angeordnet ist, die Ausnehmungen 34 erneut in den Zwischenräumen zwischen den Rippenfüßen 36 angeordnet ist.

Das beispielsweise im Sandgussverfahren hergestellte Außengehäuse 2 weist eine Innenwand 38 auf, welche korrespondierend zu den Ausnehmungen 34 des Innengehäuses 4 ausgestaltet ist. Dies bedeutet, dass in jede Ausnehmung 34 zwischen den Rippenfüßen 36 ein Vorsprung 40 ragt, so dass der Abstand der Oberfläche 32 des Innengehäuses 4 zur Innenwand 38 des Außengehäuses 2 überall im Wesentlichen gleich ist. Daraus folgt, dass der Durchströmungsquerschnitt sowohl in Strömungsrichtung als auch senkrecht zur Durchströmungsrichtung im Wesentlichen überall gleich ist.

Die Vorsprünge 40 werden durch rinnenförmige Vertiefungen 42 an einer Außenwand 44 des Außengehäuses 2 zur Erhöhung der Steifigkeit. Jeweils gegenüberliegend, also an der Innenwand 38, entsteht bei einer nachträglichen Ausbildung einer solchen Vertiefung 42 der Vorsprung 40 durch Verdrängung des Materials. Selbstverständlich kann diese Form auch direkt im Gießprozess abgebildet werden, wodurch ebenfalls eine Erhöhung der Steifigkeit ohne Erhöhung des Materialbedarfs erreicht wird. Am Außengehäuse 2 ist zusätzlich ein Kühlmitteleiniass 46 sowie ein flanschförmiger Kühlmittefauslass 48 ausgebildet, wie aus Figur 1 ersichtlich ist.

Erfindungsgemäß sind an der Oberfläche der Trennwand 10 des Innengehäuses 4 in den Kühlmittelkanal 16 ragende Noppen 50 ausgebildet, wie dies in Figur 2 andeutungsweise zu erkennen ist und in Figur 3 ausschnitts weise dargestellt ist. Die in der Figur 3 zu erkennenden Noppen 50 weisen eine teilkugelförmige Struktur auf, welche im Druckgussverfahren einfach herzustellen ist und eine Vergrößerung der Oberfläche, die für den Wärmeaustausch zur Verfügung steht, um etwa 45% erhöht. Die Noppen 50 ragen dabei bis kurz vor eine gegenüberliegende innere Gehäusewand 52 des Außengehäuses 2.

In der Figur 4 ist zu erkennen, wie durch die Anordnung der Noppen 50, welche hier pyramidenförmig ausgebildet sind, eine Führung des Kühlmittels auf der Trennwand 10 erreichbar ist, ohne zusätzliche Stege zu verwenden. Hierzu sind erfindungsgemäß auf der Trennwand 10 Zonen 54 mit glatter Oberfläche, also ohne Noppen und Zonen 56 mit einer Noppenstruktur ausgebildet.

Um diese Kühlmittelführung zu verwirklichen ist stromabwärts des Kühlmitteleinlasses 46 zunächst eine Zone 54 mit glatter Oberfläche ausgebildet. Diese erstreckt sich über die gesamte Länge der Trennwand 10 beziehungsweise des Innengehäuses 4. Hieran schließt sich in Richtung der Breite der Trennwand 10 betrachtet eine Zone 56 an, welche über die gesamte Länge betrachtet mit Noppen 50 ausgestattet ist. Dies bedeutet, dass dieser Bereich einen höheren Strömungswiderstand bietet und sich entsprechend das Kühlmittel aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes zunächst über die Länge der Trennwand 10 in der Zone 54 mit glatter Oberfläche verteilt. Wiederum in Richtung der Breite betrachtet schließt sich ein Abschnitt 58 an, in welchem sich in Längsrichtung betrachtet Zonen 56 mit Noppen 50 und Zonen 54 mit glatter Oberfläche abwechseln, wobei jedoch die Breite der Zonen 54 lediglich etwa einem Viertel der Zonen 56 mit Noppen 50 entsprechen. Diese Struktur erstreckt sich gerade entlang der übrigen Breite der Trennwand 10. In den Zonen 54 mit glatter Oberfläche entsteht ein Stromfaden, der aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes eine Hauptströmungsrichtung entlang der Breite der Trennwand 10 erzeugt. Durch diese Stromfäden, in denen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit vorliegt als in den Zonen 56 mit Noppen 50 wird ein Druckgefälle in den Zonen 56 erzeugt, was dazu führt, dass auch in diesen Bereichen eine Hauptströmung i Richtung der Breite erzeugt wird. Aus alledem folgt, dass die gesamte Trennwand 10 im Wesentlichen gleichmäßig über ihre Breite durchströmt wird, wobei selbstverständlich auch eine Strömung in Querrichtung also zum Kühlmittelauslass erzeugt wird, der jedoch durch diese Strukturen deutlich behindert wird und somit nicht mehr die Hauptströmungsrichtung darstellt. Im darauf folgenden Abschnitt 60 ist erneut eine Zone 54 mit glatter Oberfläche ausgebildet, über die das Kühlmittel zum Kühlmittelauslass 48 strömt. Aus alledem folgt, dass es durch die Erfindung möglich ist, die Strömungsrichtung und die Kühlmittelverteilung durch geschickte Anordnung einer die Wärmaustauschfläche beträchtlich vergrößernden Struktur mit Zonen mit Noppen und kleinere Zonen mit glatter Oberfläche zu optimieren. Je nach vorliegenden Strömungswiderständen sowie der Anordnung von Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass sowie der Form des Wärmetauschergehäuses ist diese Anordnung anzupassen, was insbesondere mit mathematischen Strömungsmodellen möglich ist. So wird ein Wärmetauscher geschaffen, der bei gleichem Bau räum eine erheblich gesteigerte Kühlleistung aufweist oder der in seinem Bauraum verringert werden kann.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruch nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern je nach Aufbau und Form des Wärmetauschers sowie der Anordnung der Ein- und Auslässe eine im Vergleich zum beschriebenen Ausführungsbeispiel angepasste Anordnung der Noppen erfolgen muss.

Claims