WO2018019484A1 - Ladeluftkühlerrohr eines ladeluftkühlers - Google Patents

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Stefan Dieterle
Alexander EHMKE
Günther FEUERECKER
Eberhard Pantow
Thomas Strauss
Holger STRIEGE
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Definitions

  • the present invention relates to a charge air cooler tube of a charge air cooler according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a charge air cooler with at least one such charge air cooler tube and an internal combustion engine with such a charge air cooler.
  • the present invention therefore deals with the problem of providing for an intercooler tube of the generic type an improved or at least alternative embodiment, which overcomes the disadvantages known from the prior art.
  • This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the indentations prove to be particularly advantageous if they arrange themselves periodically over at least part of the pipe length.
  • the charge air cooler tube is designed as a metallic flat tube, wherein the indentations are arranged on the wider longitudinal sides. It is conceivable with regard to the manufacturing process that the charge air cooler tube is first provided as a sheet metal strip with the corresponding impressions and then converted or bent to the charge air cooler tube. Subsequently, it can be soldered or welded tight along a longitudinal seam.
  • the elevations have a part-circular cross-section.
  • Such a partially circular cross-section on the one hand represents a not very large flow resistance, but on the other hand offers the possibility of sufficient turbulence of the charge air flow in order to achieve improved heat transfer can.
  • such shaped elevations can be introduced relatively easily, in particular with rollers, as impressions in the longitudinal wall of the charge air cooler tube.
  • at least one turbulence insert is arranged in the charge air cooler tube.
  • such turbulence inserts are used, which can be produced inexpensively but still high quality, for example, as sheet metal stampings.
  • FIG. 2 shows a representation as in FIG. 1, but additionally with turbulence inserts, FIG.
  • Fig. 3 is a sectional view through an intercooler according to the invention.
  • Intercooler tube 1 of an intercooler 2 (see Figure 3) on at least one pipe wall 3 at least two transverse to the flow direction 4 and directed into a pipe interior 5 surveys 6.
  • Elevations 6 thus extend according to Figures 1 to 3 substantially perpendicular to the sheet plane and thus transversely to the flow direction 4.
  • the aligned transversely to the flow direction 4 elevations 6 cause accumulation of condensate 7 between the individual elevations 6 and the pipe walls 3, wherein In a frost operation, the condensate 7 freezes and deposits in ever thicker ice layers 1 1 on the pipe wall 3.
  • the individual elevations 6 can be formed as impressions and thereby manufacturing technology easily and inexpensively, for example, in appropriate rolling processes, are introduced into the pipe wall 3.
  • the intercooler tube 1 is usually formed as a metallic flat tube, the elevations 6 on the wide longitudinal sides 9 of the
  • Intercooler tube 1 are mounted.
  • the elevations 6 may have a part-circular cross-section or else a semi-oval and rectangular cross-section, whereby on the one hand without frozen condensate 7 a reliable turbulence of the charge air stream 8 and thus an effective heat transfer and on the other hand, a reduced flow resistance can be achieved.
  • Intercooler tube 1 turbulence inserts 10 may be arranged, which may be carried out in a known manner, for example as a pre-punched and preformed sheet metal parts.
  • By protruding from the pipe wall 3 inwardly elevations 6 can also be a positioning and fixing the Turblenzeinlagen 10 can be achieved.
  • the inventively provided surveys 6 have in normal operation of the charge air cooler 2, the function of a turbulence insert and thus serve the improved heat transfer, wherein the elevations 6 in the critical operating range, that is at the risk of icing of the condensate 7 precipitating in the intercooler tube condensate 7 allow the same between the individual elevations 6 on the flat pipe surface (wall 3) and thereby the flow resistance Reduce in the intercooler tube 1, as the between the individual elevations 6 depositing, freezing condensate 7 causes a smoothing of the pipe wall 3.
  • Such a charge air cooler tube 1 according to the invention is used in a charge air cooler 2, for example a charge air cooler 2 according to FIG. 3, which is arranged, for example, in the region of an internal combustion engine 12.
  • the intercooler tube 1 according to the invention also assists in the operation of the internal combustion engine 12, since it effects a self-regulating effect of both the flow resistance and the heat transfer through the special elevations 6.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladeluftkühlerrohr (1) eines Ladeluftkühlers (2). Erfindungswesentlich ist dabei, dass das Ladeluftkühlerrohr (1) an zumindest einer Rohrwandung (3) zumindest zwei quer zur Durchströmungsrichtung (4) verlaufende und in ein Rohrinneres (5) gerichtete Erhebungen (6) aufweist.

Description

Ladeluftkühlerrohr eines Ladeluftkühlers
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladeluftkühlerrohr eines Ladeluftkühlers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem einen Ladeluftkühler mit zumindest einem solchen Ladeluftkühlerrohr sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ladeluftkühler.
Gattungsgemäße Ladeluftkühlerrohre sind hinlänglich bekannt und werden heutzutage in nahezu sämtlichen Ladeluftkühlern eingesetzt. Um dabei einen Wärmeübertrag zu verbessern, weisen diese üblicherweise sogenannte Turbulenzeinlagen auf.
Aus der DE 10 2009 042 981 A1 ist ein Ladeluftkühler mit einem Lufteintrittskasten und einem Luftaustrittskasten sowie mit einem Kondensatsammler zum Sammeln von in dem Ladeluftkühler abgeschiedenem Kondensat bekannt.
Aus der DE 10 2009 01 1 634 A1 ist wiederum ein Ladeluftkühler bekannt.
Sämtlichen Ladeluftkühlern ist dabei gemein, dass das darin angefallene und abgeschiedene Kondensat aus dem Ladeluftkühler herausgeführt werden muss. Schwierig gestaltet sich auch ein Verbleiben des Kondensats im Ladeluftkühlerrohr bei Umgebungstemperaturen kleiner 0 °C, da gefrierendes und sich dabei ausdehnendes Kondensat zu Schäden führen kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Ladeluftkühlerrohr der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, spezielle an einer Rohrwandung eines Ladeluftkühlerrohres angeordnete Erhebungen vorzusehen, die insbesondere gefrierendes Kondensat derart dazwischen anlagern, dass das gefrierende Kondensat eine zunehmend wachsende Eisschicht bildet, die zudem eine Selbstregulierung dergestalt bewirkt, dass je dicker die Eisschicht anwächst, umso schlechter wird ein Wärmeübergang zum Ladeluftstrom, wodurch dieser weniger stark gekühlt und die im Ladeluftstrom enthaltene Energie an die sich aufbauende Eisschicht übertragen wird. Das Ladeluftkühlerrohr weist dabei erfindungsgemäß an zumindest einer Rohrwandung zumindest zwei sich quer zur Durchströmungsrichtung erstreckende und in ein Rohrinneres gerichtete Erhebungen auf, die den zuvor beschriebenen Effekt hervorrufen. Durch das sich zunehmend in Form einer wachsenden Eisschicht anlagernde, gefrorene Kondensat ändert sich auch ein Strömungszustand im Ladeluftkühlerrohr dergestalt, dass sich der Strömungswiderstand reduziert und der Ladeluftstrom zunehmend unverwir- belt durch das Ladeluftkühlerrohr strömt. Die zunehmende Eisschicht zwischen den einzelnen Erhebungen bietet dabei zwei wesentliche, vorteilhafte Effekte: Zum einen reduziert sich zunehmend der Wärmeübergang im glatten Rohr aufgrund der fehlenden Verwirbelung und zudem bildet die Eisschicht eine Isolierschicht, die den Wärmeübergang ebenfalls reduziert. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Ladeluftkühlerrohr nicht komplett zufriert und zugleich der Ladeluftstrom Wärme an das gefrorene Kondensat überträgt und mithilft, dieses abzutauen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die zumindest zwei Erhebungen als Einprägungen ausgebildet. Dies bietet den großen Vorteil, dass die Einprägungen beispielsweise in einem einfachen Umformvorgang mit entsprechenden Umformstempeln qualitativ hochwertig und zugleich kostengünstig herstellbar sind.
Besonders vorteilhaft erweisen sich die Einpragungen, wenn diese sich periodisch über zumindest einen Teil der Rohrlänge anordnen.
Zweckmäßig ist das Ladeluftkühlerrohr als metallisches Flachrohr ausgebildet, wobei die Einprägungen an den breiteren Längsseiten angeordnet sind. Dabei ist hinsichtlich des Herstellungsprozesses denkbar, dass das Ladeluftkühlerrohr zunächst als Blechband mit den entsprechenden Einprägungen versehen und anschließend zum Ladeluftkühlerrohr umgeformt bzw. umgebogen wird. Anschließend kann es entlang einer Längsnaht dicht gelötet bzw. geschweißt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind zumindest zwei an gegenüberliegenden Rohrwänden des Ladeluftkühlerrohrs angeordnete Erhebungen vorgesehen, wobei diese beispielsweise versetzt zueinander angeordnet sein können. Hierdurch ist es möglich, gegenüberliegende Längsseiten des Ladeluftkühlerrohrs mit entsprechenden Erhebungen auszustatten und dadurch die den besonderen Effekt hervorrufenden Eisschichten auf gegenüberliegenden Seiten des Ladeluftkühlerrohrs anzulagern.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die Erhebungen einen teilkreisförmigen Querschnitt auf. Ein derartiger teil kreisförmiger Querschnitt stellt einerseits einen nicht allzu großen Strömungswiderstand dar, bietet jedoch andererseits die Möglichkeit einer ausreichenden Verwirbelung des Ladeluftstroms, um einen verbesserten Wärmeübertrag erzielen zu können. Zudem können derartig ausgeformte Erhebungen vergleichsweise einfach, insbesondere auch mit Walzen, als Einprägungen in die Längswand des Ladeluftkühlerrohrs eingebracht werden. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist in dem Ladeluftkühlerrohr zumindest eine Turbulenzeinlage angeordnet. Um den Wärmeübertrag weiter verbessern zu können, werden derartige Turbulenzeinlagen eingesetzt, die beispielsweise als Blechstanzteile kostengünstig aber dennoch qualitativ hochwertig hergestellt werden können. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Erhebungen lässt sich auch eine zuverlässige Positionierung und Fixierung der Turbulenzeinlage im Ladeluftkühlerrohr erreichen.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Ladeluftkühler mit zumindest einem solchen Ladeluftkühlerrohr, insbesondere im Bereich eines Wärmeübertragblocks, auszustatten. Hierdurch können die zuvor beschriebenen Vorteile in Bezug auf das Ladeluftkühlerrohr auch auf den Ladeluftkühler übertragen werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch, Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Ladeluftkühlerrohr eines Ladeluftkühlers,
Fig. 2 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch zusätzlich mit Turbulenzeinlagen,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Ladeluftkühler.
Entsprechend den Figuren 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßes
Ladeluftkühlerrohr 1 eines Ladeluftkühlers 2 (vergleiche Figur 3) an zumindest einer Rohrwandung 3 zumindest zwei quer zur Durchströmungsrichtung 4 verlaufende und in ein Rohrinneres 5 gerichtete Erhebungen 6 auf. Die
Erhebungen 6 erstrecken sich somit gemäß den Figuren 1 bis 3 im Wesentlichen senkrecht zur Blattebene und damit quer zur Durchströmungsrichtung 4. Die quer zur Durchströmungsrichtung 4 ausgerichteten Erhebungen 6 bewirken dabei ein Ansammeln von Kondensat 7 zwischen den einzelnen Erhebungen 6 und an den Rohrwandungen 3, wobei in einem Frostbetrieb das Kondensat 7 gefriert und sich in stetig dicker werdenden Eisschichten 1 1 an der Rohrwandung 3 ablagert. Die zunehmende Eisdicke bzw. die zunehmende Schichtdicke des gefrorenen
Kondensats 7 reduziert dabei den Strömungswiderstand im Ladeluftkühlerrohr 1 und bildet zudem eine Isolierschicht, die einen Wärmeübertrag mit einem außerhalb des Ladeluftkühlerrohres 1 angeordneten Medium zunehmend erschwert. Durch die durch das gefrorene Kondensat 7 aufgebaute Isolierschicht kann zudem erreicht werden, dass ein Ladeluftstrom 8 seine Wärmeenergie hauptsächlich an das gefrorene Kondensat 7 abgibt und dazu beiträgt, dieses abzutauen.
Die einzelnen Erhebungen 6 können dabei als Einprägungen ausgebildet sein und dadurch fertigungstechnisch einfach und kostengünstig, beispielsweise in entsprechenden Walzprozessen, in die Rohrwandung 3 eingebracht werden. Das Ladeluftkühlerrohr 1 ist dabei üblicherweise als metallisches Flachrohr ausgebildet, wobei die Erhebungen 6 an den breiten Längsseiten 9 des
Ladeluftkühlerrohres 1 angebracht sind.
Betrachtet man die Figuren 1 und 2 genauer, so kann man erkennen, dass die Erhebungen 6 auch an sich gegenüberliegenden Längswänden 9 angeordnet sind, wodurch bei einer zunehmenden Anlagerung von gefrorenem Kondensat 7 zwischen den einzelnen Erhebungen 6, zwar der zur Verfügung bleibende
Strömungsquerschnitt reduziert, der Strömungswiderstand aber ebenfalls reduziert wird, da die ohne gefrorenes Kondensat 7 durch die Erhebungen 6
hervorgerufenen Verwirbelungen nun nicht mehr erfolgen und die Erhebungen 6 nahezu oberflächenfluchtend durch das dazwischen angelagerte als Eisschicht 1 1 ausgebildete, gefrorene Kondensat 7 eingebettet sind.
Die Erhebungen 6 können dabei einen teilkreisförmigen Querschnitt aufweisen oder aber auch einen halbovalförmigen und rechteckförmigen Querschnitt, wodurch einerseits ohne gefrorenes Kondensat 7 eine zuverlässige Verwirbelung des Ladeluftstroms 8 und damit ein effektiver Wärmeübertrag und andererseits ein reduzierter Strömungswiderstand erreicht werden können.
Um den Wärmeübertrag zwischen dem Ladeluftstrom 8 und dem
Ladeluftkühlerrohr 1 zusätzlich unterstützen zu können, können in dem
Ladeluftkühlerrohr 1 Turbulenzeinlagen 10 (vergleiche Figur 2) angeordnet sein, die in bekannter Weise ausgeführt sein können, beispielsweise als vorgestanzte und vorgeformte Blechteile. Durch die von der Rohrwandung 3 nach innen abstehenden Erhebungen 6 kann dabei auch eine Positionierung und Fixierung der Turblenzeinlagen 10 erreicht werden.
Generell besitzen somit die erfindungsgemäß vorgesehenen Erhebungen 6 im Normalbetrieb des Ladeluftkühlers 2 die Funktion einer Turbulenzeinlage und dienen somit dem verbesserten Wärmeübertrag, wobei die Erhebungen 6 im kritischen Betriebsbereich, das heißt bei der Gefahr des Vereisens des sich im Ladeluftkühlerrohr 1 niederschlagenden Kondensats 7 ein Ablagern desselben zwischen den einzelnen Erhebungen 6 auf der flachen Rohroberfläche (Wandung 3) ermöglichen und dadurch den Strömungswiderstand im Ladeluftkühlerrohr 1 reduzieren, da das sich zwischen den einzelnen Erhebungen 6 ablagernde, gefrierende Kondensat 7 eine Glättung der Rohrwandung 3 bewirkt. Der
Wärmeübergang in einem derart geglätteten Ladeluftkühlerrohr 1 ist dabei geringer, wobei das gefrorene Kondensat 7 bzw. die hieraus gebildete Eisschicht 1 1 zusätzlich eine isolierende Schicht bildet, die den Wärmeübergang zusätzlich reduziert. Die isolierende Eisschicht 1 1 bewirkt andererseits jedoch, dass ein Hauptwärmeübertrag vom Ladeluftstrom 8 nunmehr an die Eisschicht 1 1 und nicht mehr an die Rohrwandung 3 erfolgt und diese dadurch abschmilzt, wodurch insbesondere auch ein komplettes Zufrieren des Ladeluftkühlerrohres 1 vermieden werden kann.
Eingesetzt wird ein derartiges erfindungsgemäßes Ladeluftkühlerrohr 1 in einem Ladeluftkühler 2, beispielsweise einem Ladeluftkühler 2 gemäß der Figur 3, welcher beispielsweise im Bereich einer Brennkraftmaschine 12 angeordnet ist. Dabei unterstützt das erfindungsgemäße Ladeluftkühlerrohr 1 zugleich auch den Betrieb der Brennkraftmaschine 12, da es durch die speziellen Erhebungen 6 eine selbstregulierende Wirkung sowohl des Strömungswiderstandes als auch des Wärmeübertrags bewirkt.

Claims

Ansprüche
1 . Ladeluftkühlerrohr (1 ) eines Ladeluftkühlers (2),
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ladeluftkühlerrohr (1 ) an zumindest einer Rohrwandung (3) zumindest zwei quer zur Durchströmungsrichtung (4) verlaufende und in ein Rohrinneres (5) gerichtete Erhebungen (6) aufweist.
2. Ladeluftkühlerrohr nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei Erhebungen (6) als Einpragungen ausgebildet sind.
3. Ladeluftkühlerrohr nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhebungen (6) periodisch über zumindest einen oder mehreren Teilabschnitten in Durchströmungsrichtung (4) einer Rohrwandung (3) angeordnet sind.
4. Ladeluftkühlerrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ladeluftkühlerrohr (1 ) als metallisches Flachrohr ausgebildet ist.
5. Ladeluftkühlerrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest zwei an gegenüberliegenden Rohrwänden (3) des
Ladeluftkühlerrohrs (1 ) angeordnete Erhebungen (6) vorgesehen sind.
6. Ladeluftkühlerrohr nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei an gegenüberliegenden Rohrwänden (3)
angeordnete Erhebungen (6) versetzt zueinander angeordnet sind.
7. Ladeluftkühlerrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest eine Erhebung (6) einen teilkreisförmigen Querschnitt aufweist.
8. Ladeluftkühlerrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Ladeluftkühlerrohr (1 ) zumindest eine Turbulenzeinlage (10) angeordnet ist.
9. Ladeluftkühler (2) mit zumindest einem Ladeluftkühlerrohr (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Brennkraftmaschine (12) mit einem über eine Ansaugleitung verbundenen Ladeluftkühler (2) nach Anspruch 9.
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