[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Kühlmittelkühler für ein
Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen ist es bekannt, neben einem Hauptkühler
zur Kühlung eines Motorkühlmittels einen zusätzlichen Kühler zur Kühlung eines Niedertemperatur-Kühlkreislauft
vorzusehen, wobei der Niedertemperatur-Kreislauf zum Beispiel der Kühlung eines indirekten
Ladeluftkühlers und/oder Abgaskühlers dienen kann. Dabei ist die Idee bekannt, den
Kühlmittelkühler des Verbrennungsmotors als Hochtemperatur-Kühlkreislauf und den Niedertemperatur-Kühler
als Niedertemperatur-Kreislauf baulich integriert in einem Wärmetauscher auszubilden,
wobei ein Teil der Tauscherrohre dem Hochtemperatur-Kreislauf und ein Teil der Tauscherrohre
des integrierten Wärmetauschers dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf zugeordnet sind.
Bei einer solchen integrierten Bauform besteht das Problem großer Thermospannungen
vor allem im Bereich der Angrenzung der beiden Kühlkreisläufe.
[0003] Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher anzugeben, der in integrierter
Bauform über zwei Kühlkreisläufe verfügt und besonders unempfindlich gegenüber Temperaturunterschieden
in den Kühlkreisläufen ist.
[0004] Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Wärmetauscher erfindungsgemäß mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Simulationen und Versuche haben
den überraschenden Effekt gezeigt, dass thermisch bedingte mechanische Verspannungen
im Bereich der Grenze zwischen den benachbarten Tauscherabschnitten besonders gering
sind, wenn die Tauscherabschnitte ein Höhenverhältnis von etwa 0,2 bis etwa 0,4 aufweisen,
Insbesondere gilt dies für Fälle, in denen übliche Temperaturen für einen Kühlmittelkühler
eines Verbrennungsmotors, also zum Beispiel 90° C, für den höheren, zweiten Tauscherabschnitt
vorliegen und Temperaturen eines Niedertemperatur-Kreistaufs, zum Beispiel für einen
direkten Ladeluftkühler und/oder Abgaswärmetauscher im Bereich von 30° C in dem niedrigeren,
ersten Tauscherabschnitt vorliegen.
[0005] Eine weiter verbesserte Reduzierung der Thermospannung wird bei einem Verhältnis
zwischen 0,3 und etwa 0,36 der beiden Teilhöhen h1:h2 zueinander erzielt. Bei einer
besonders optimierten Ausführungsform beträgt das Verhältnis der Teilhöhen h1:h2 zueinander
genau ein Drittel. Unter der Definition von genau einem Drittel ist insbesondere ein
Verhältnis der Anzahlen der in der Hochrichtung gestapelten Flachrohre der beiden
Teilmengen bzw. Tauscherabschnitte zu verstehen, also zum Beispiel im Fall eines ersten
Tauscherabschnitts mit einer Anzahl von zehn Tauscherrohren und eines zweiten Tauscherabschnitts
mit einer Anzahl von zwanzig Tauscherrohren. Zur baulichen Vereinfachung können die
Tauscherrohre der beiden Abschnitte dabei die gleichen Abstände zueinander aufweisen.
Neben der besonderen Optimierung betreffend die auftretenden Thermospannungen ist
eine solche Bauform von einer Teilung von einem Drittel zu zwei Drittel der Teilhöhen
h1, h2 besonders geeignet, um symmetrische, gegenüber Verdrehungen invariante Bauteile,
wie insbesondere Dichtungen oder auch Bodenstücke, Kastenteile oder Deckelteile der
Sammler vorzusehen. Unter der Anzahl der Flachrohre bzw. dem Anzahlenverhältnis im
vorstehend erläuterten Sinn sind lediglich die Anzahlen in der Hochrichtung zu verstehen.
Die Erfindung ist dabei insbesondere nicht auf einreihige Wärmetauscher beschränkt,
sondern es können in einer Tiefenrichtung bzw. Durchströmungsrichtung mit einem Kühlfluid
(z.B. Luft) auch mehrere Flachrohre hintereinander vorgesehen sein.
[0006] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat zumindest einer der Sammler
ein Trennglied zwischen zwei jeweils den Tauscherabschnitten zugeordneten Sammlerabschnitten,
wobei eine Dichtung zwischen einem Kastenteil und einem Deckelteil des Sammlerkastens
vorgesehen ist. Solche Bauformen sind bekannt und kostengünstig, wobei das Deckelteil
in bevorzugter Detailgestaltung aus einem Kunststoff ausgebildet ist.
[0007] Besonders bevorzugt ist die Dichtung als umlaufende Dichtung mit einem Steg im Bereich
des Trennglieds ausgebildet, wobei die Dichtung invariant bezüglich einer Drehung
um 180° in der Dichtungsebene ausgebildet ist. Durch den Steg der Dichtung wird das
Trennglied zwischen den Sammlerabschnitten gegenüber dem Deckelteil abgedichtet, wobei
die Invarianz gegenüber einer Drehung um 180° eine deutliche Vereinfachung einer automatisierten
Montage des Sammlers darstellt. Insbesondere muss auf eine Orientierung der zugeführten
Dichtung während der Montage nicht mehr geachtet werden. Invarianz im Sinne der Erfindung
erfordert nicht notwendig eine strenge Formsymmetrie der Dichtung gegenüber einer
Spiegelung oder Drehung sondern eine funktionelle Symmetrie bezüglich der Dichtungsfunktion
in Bezug auf vorgesehene Aufnahmestrukturen wie z.B. randseitige Nuten von Kastenteil
und/oder Deckelteil.
[0008] Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform haben beide Sammler
jeweils eine bezüglich der Drehung um 180º in der Dichtungsebene invariante Dichtung.
Besonders bevorzugt sind dabei beide Dichtungen als Gleichteile ausgebildet, wodurch
die Gesamtkosten der Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers weiter verringert
werden können.
[0009] Allgemein vorteilhaft ist es vorgesehen, dass zumindest einer der Tauscherabschnitte
eine Aufteilung in zumindest zwei Strömungswege von entgegengesetzter Strömungsrichtung
aufweist. Zweckmäßig ist dabei die Reihenfolge der Durchströmung so ausgelegt, dass
im Bereich der Angrenzung der beiden Tauscherabschnitte ein besonders niedriges Temperaturgefälle
zur weiteren Reduzierung der Thermospannungen vorliegt. Besonders bevorzugt ist der
zweite Tauscherabschnitt symmetrisch in zwei Strömungswege aufgeteilt, wobei besonders
bevorzugt jeder der Strömungswege eine Höhe von einem Drittel der Gesamthöhe des Wärmetauschers
aufweist. Insbesondere, aber nicht ausschließlich bei einer solchen Ausführungsform
kann zum Beispiel eine Dichtung mit zwei Stegen vorgesehen sein, wobei jeder der Stege
Ober die Grenze eines Drittels der Gesamthöhe des Sammlers bzw. Wärmetauschers verläuft
und entsprechende Trennabschnitte in dem Sammlerkasten abdichtet.
[0010] Alternativ oder ergänzend kann der erste Tauscherabschnitt symmetrisch in zwei Strömungswege
aufgeteilt sein, wobei in besonders bevorzugter Detailgestaltung jeder der Strömungswege
eine Höhe von einem Sechstel der Gesamthöhe des Wärmetauschers aufweist. Hierfür geeignete
Dichtungen können mehr als zwei Stege aufweisen, die an jeweils geeigneten Positionen,
zum Beispiel jeweils einem Sechstel der Gesamthöhe und einem Drittel der Gesamthöhe,
angeordnet sind. Auch solche Dichtungen können bevorzugt die vorstehend beschriebene
Invarianz gegenüber einer Drehung aufweisen.
[0011] Bei einer weiteren, alternativen oder ergänzenden Ausführungsform der Erfindung stehen
die beiden Fluidkreisläufe der beiden Tauscherabschnitte in einem Fluidaustausch miteinander,
wobei insbesondere der erste Tauscherabschnitt eingangsseitig von einem ausgangsseitigen
Abzweig des zweiten Tauscherabschnitts beströmt wird. Bei dem Fluid handelt es sich
beispielsweise um flüssiges Kühlmittel eines Motor-Kühlkreislaufs, wobei ein Abzweig
des im Hochtemperaturabschnitt gekühlten Kühlmittels in den zweiten Abschnitt bzw.
Niedertemperatur-Abschnitt des erfindungsgemäßen Wärmetauschers strömt und dort weitere
gekühlt wird. Der Abzweig kann grundsätzlich auch außerhalb des Wärmetauschers vorgesehen
sein. Grundsätzlich kann im Sinne der Erfindung aber auch eine vollständige Trennung
der beiden Tauscherabschnitte bezüglich des durchströmenden Fluids vorgesehen sein,
wobei insbesondere die beiden Fluidkreisläufe unterschiedliche Fluide aufweisen können.
[0012] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen
Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
[0013] Nachfolgend werden mehrere Ausführungsboispiele der Erfindung beschrieben und anhand
der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
- Fig. 1
- zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Wärmetauschers.
- Fig. 2
- zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Strömungswegen im zweiten
Tauscherabschnitt.
- Fig. 3
- zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Strömungswegen im ersten
Tauscherabschnitt.
- Fig.4 zeigt
- ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Strömungswegen in jedem der
Tauscherabschnitle.
- Fig. 5
- zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Fluidabzweig vom zweiten
Tauscherabschnitt zum ersten Tauscherabschnitt.
- Fig. 6
- zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Dichtung für einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
[0014] Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher gemäß einer ersten Ausführungsform
mit einem ersten Sammler 1, einem zweiten Sammler 2 und einer Mehrzahl von sich zwischen
den Sammlem 1,2 erstreckenden Tauscherrohren 3. Die Tauscherrohre 3 sind als Flachrohre
aus Aluminium hergestellt, wobei zwischen benachbarten Tauscherrohren jeweils Rippen
zur Verbesserung des Wärmeübergangs angeordnet sind. Der Wärmetauscher hat einen ersten
Tauscherabschnitt A und einen zweiten Tauscherabschnitt B wobei in Hochrichtung h
bzw. Stapelrichtung der Flachrohre des Wärmetauschers der erste Tauscherabschnitt
A eine Höhe h1 und der zweite Tauscherabschnitt B ein Höhe h2 aufweiset. Das Verhältnis
der Höhen h1:h2 beträgt genau ein Drittel. lnsbesondere sind die Flachrohre 3 über
beide Tauscherabschnitte A, B äquidistant angeordnet und der zweite Tauscherabschnitt
B umfasst genau die doppelte Anzahl von Tauscherrohren 3 wie der erste Tauscherabschnitt
A.
[0015] Die beiden Tauscherabschnitte A, B sind jeweils unterschiedlichen Fluid kreisläufen
zugeordnet, zum Beispiel einem Hochtemperaturkreislauf zur Kühlung eines Verbrennungsmotors
für den Tauscherabschnitt B und einem Niedertemperatur-Kreislauf zur Kühlung eines
indirekten Ladeluftkühlers und/oder Abgaskühlers. Hierzu weisen beide Sammler 1,2
jeweils zwei Öffnungen 1a, 1b, 2a, 2b zur Zuführung (1a, 2a) und Abführung (1b. 2b)
der Fluide der beiden Fluidkreisläufe auf. In jedem der Sammler 1, 2 ist ein Trennglied
1c, 2c zur fluiddichten Abtrennung von den beiden Fluidkreisläufen zugeordneten Sammlerabschnitten
vorgesehen.
[0016] Wie aus Fig. 1 anhand der Strömungsrichtungen anzeigenden Pfeile erkennbar ist, wird
der erste Tauscherabschnitt A in Gegenrichtung zu dem zweiten Tauscherabschnitt B
durchströmt, so dass die maximal möglichen Temperaturunterschiede in der Nähe der
Trennabschnitte 1c, 2c und somit die in diesem Bereich besonders kritischen, thermisch
bedingten Materialspannungen verringert sind. Eine besondere Verringerung solcher
Materialspannungen ist durch die Wahl des Höhenverhältnisses h1.h2 der beiden Tauscherabschnitte
A, B als genau ein Drittel gewährleistet.
[0017] Die beiden Sammler 1, 2 umfassen jeweils ein Kastenteil (nicht dargestellt) mit einem
Bodenabschnitt und darin vorgesehenen Durchzügen zur Aufnahme der Enden der Flachrohre
3 sowie ein aus Kunststoff geformtes Deckelteil (nicht dargestellt), wobei auf bekannte
Weise zwischen dem Kastenteil aus Aluminium und dem Deckelteil aus Kunststoff eine
umlaufende Dichtung 4 (siehe Fig. 6) vorgesehen ist. Die Dichtung 4 ist vorliegend,
aber nicht notwendig als Spritzgussteil aus einem Elastomer hergestellt und umfasst
neben einem geschlossen umlaufenden, annähernd rechteckförmigen Au-βenrand 4a zwei
symmetrisch angeordnete Stege 4b. Die Stege 4b dienen jeweils der Abdichtung über
einem der in die Kastenteile eingesetzten Trennabschnitte 1c, 2c zur fluiddichten
Trennung der beiden Sammlerabschnitte. Die Stege 4b sind dabei symmetrisch zu einer
zentralen Symmetrieachse der Dichtung 4 ausgebildet, so dass insbesondere eine Invarianz
der Dichtung gegenüber einer Verdrehung um 180° in der Dichtungsebene (gleich der
Zeichnungsebene in Fig. 6) erzielt ist. Im Fall des Ausführungsbeispieles nach Fig.
1 würde somit einer der beiden Stege 4b über einem jeweiligen Trennabschnitt 1c. 2c
des Sammlers zu liegen kommen, während der andere Stege 4b keine dichtende Funktion
hat. Dennoch ist der Vorteil erreicht, dass die Dichtung 4 als Gleichteil für beide
Sammler 1,2 ausgebildet sein kann und zudem in der Zuführung bei einer automatisierten
Montage von Deckelteil und Kastenteil invariant gegenüber ihrer Orientierung ist.
[0018] Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel
dadurch, dass der höhere Tauscherabschnitt B in zwei Strömungswege B1, B2 unterteilt
ist, wobei der erste Sammler 1 sowohl einen Zufluss als auch einen Abfluss für den
zweiten Tauscherabschnitt B umfasst. Der zweite Sammler 2 hat im Sammlerabschnitt
des zweiten Tauscherabschnitts B keine Anachlussöffnungen, sondern dient einer Umlenkung
des Fluidstroms um 180°, Der zweite Tauscherabschnitt B ist im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 somit als U-Flow-Kühler ausgebildet.
[0019] Jeder der beiden Strömungswege B1, B2 des höheren zweiten Tauscherabschnitts B hat
eine Höhe von einem Drittel der Gesamthöhe h = h1+h2 des Wärmetauschers bzw. die Hälfte
der Höhe h2 des zweiten Tauscherabschnitts B. Es ist unmittelbar ersichtlich, dass
die in Fig. 6 gezeigte Dichtung, deren Stege 4b die Dichtung in ihrer Hochrichtung
jeweils dritteln, geeignet ist, mit dem Wärmetauscher nach Fig. 2 verwendet zu werden.
[0020] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist nicht der höhere zweite Tauscherabschnitt
B in zwei Strömungswege aufgeteilt, sondern in analoger Weise der niedrigere erste
Tauscherabschnitt A. Die beiden Strömungswegen A1. A2 des ersten Tauscherabschnitts
A haben jeweils eine Höhe von einem Sechstel der Gesamthöhe des Wärmetauschers so
dass der erste Tauscherabschnitt A wie in den vorherigen Beispielen insgesamt eine
Höhe h1 von einem Drittel der Gesamthöhe h aufweist.
[0021] Bei dem Beispiel nach Fig. 4 sind sowohl der erste Tauscherabschnitt A als auch der
zweite Tauscherabschnitt B in zwei Strömungswege A1, A2, B1, B2 aufgeteilt. Bei einem
solchen Ausführungsbeispiel kann ein besonders stark geglätteter Verlauf eines Wärmegradienten
über die Hochrichtung des Wärmetauschers erzielt werden, so dass die thermischen Spannungen
besonders gering sind.
[0022] Es versteht sich, dass die Dichtung nach Fig. 6 zur Verwendung mit den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 3 und Fig. 4 dahingehend modifiziert werden kann, dass sie zusätzliche Trennstege
4b auf der Höhe der erforderlichen Trennglieder 1c, 2c aufweist, welche zur Auftrennung
der Tauscherbereiche A, B in separate Strömungswege vorgesehen sind.
[0023] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 liegt eine dem ersten Ausführungsbeispiel
ähnliche Anordnung vor, wobei der Wärmetauscher jedoch nur einen Fluidzufluss 1a und
zwei Fluidabflüsse 2b, 1b aufweist. Dabei tritt der gesamte heiße Fluidstrom, welcher
zum Beispiel von der Kühlung eines Verbrennungsmotors zurückströmt, durch den Anschluss
1a in den höheren zweiten Tauscherbereich B ein, wonach er in den ohne ein Trennglied
ausgebildeten zweiten Sammler 2 eintritt. Ein Teilstrom des so vorgekühlten Fluidstroms
verlässt den zweiten Sammler 2 durch den Abfluss 2b. Ein weiterer Teilstrom strömt
durch eine genau bemaßte Blende 5 im zweiten Sammler 2 und nachfolgend in den ersten
Tauscherabschnitt A, dessen Höhe h1 wie im Beispiel nach Fig. 1 ein Drittel der Gesamthöhe
des Wärmetauschers beträgt. In diesem ersten Tauscherabschnitt A wird der vorgekühlte
Teilfluidstrom weitergekühlt, so dass es sich beim Abschnitt A ebenfalls um einen
Niedertemperatur-Kühlstrecke handelt. Der besonders stark heruntergekühlte Teilstrom
verlässt den ersten Tauscherbereich A dann durch die Ausflussöffnung 1b im ersten
Sammler 1.
[0024] Sämtliche der vorstehend erläuterten Wärmetauscher können je nach Anforderungen als
ein- oder mehrreihige Wärmetauscher ausgebildet sein, also in einer Durchströmungsrichtung
mit kühlender Luft (Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene gemäß Fig. 1 bis Fig. 5)
mehrere Flachrohre hintereinander aufweisen.
[0025] Es versteht sich, dass die einzelnen Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können.
1. Wärmetauscher, insbesondere Kühlmittelkühler für ein Kraftfahrzeug, umfassend
einen ersten Sammler (1) und einen zweiten, gegenüberliegend angeordneten Sammler
(2), und
eine Mehrzahl von die Sammler (1, 2) verbindenden Tauscherrohren (3),
wobei die Tauscherrohre (3) in einer Hochrichtung insgesamt über eine Höhe h des Wärmetauschers
gestapelt sind,
wobei eine erste Teilmenge (A) der Tauscherrohre (3) über eine erste Teilhöhe h1 gestapelt
und einem ersten Tauscherabschnitt (A), insbesondere einem Niedertemperaturabschnitt,
zugeordnet ist, und wobei eine zweite Teilmenge (B) der Tauscherrohre (3) in der Hochrichtung
an die erste Teilmenge (A) angrenzend über eine zweite Teilhöhe h2 gestapelt ist und
einem zweiten Tauscherabschnitt (B), insbesondere einem Hochtemperaturabschnitt zugeordnet
ist,
wobei die beiden Tauscherabschnitte (A, B) jeweils einem ersten und einem zweiten
Fluidkreislauf mit insbesondere verschiedenen Temperaturen zugeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis der ersten Teilhöhe zu der zweiten Teilhöhe h1:h2 zwischen etwa 0,2
und etwa 0,4 beträgt.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Teilhöhen h1.h2 zwischen etwa 0,3 und etwa 0,36 beträgt.
3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Teilhöhen h1:h2 genau ein Drittel beträgt, insbesondere bemessen
als Verhältnis der Anzahlen der in der 1 lochrichtung gestapelten Flachrohre (3) der
beiden Teilmengen (A, B).
4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekenntzeichnet, dass
zumindest einer der Sammler (1, 2) ein Trennglied (1c, 2c) zwischen zwei jeweils den
Tauscherabschnitten (A, B) zugeordneten Sammlerabschnitten aufweist, wobei eine Dichtung
(4) zwischen einem Kastenteil und einem Deckelteil des Sammlers (1, 2) vorgesehen
ist.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) als umlaufende Dichtung (4a) mit einem Steg (4b) im Bereich des
Trennglieds (1c, 2c) ausgebildet ist, wobei die Dichtung (4) invariant bezüglich einer
Drehung um 180º in der Dichtungsebene ausgebildet ist.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sammler (1, 2) jeweils eine bezüglich der Drehung um 180° in der Dichtungsebene
invariante Dichtung aufweisen.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Dichtungen (1, 2) als Gleichteile ausgebildet sind.
8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Tauscherabschnitte (A, B) eine Aufteilung in zumindest zwei Strömungswege
(A1, A2, B1, B2) von insbesondere entgegen gesetzter Strömungsrichtung aufweist.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tauscherabschnitt (B) symmetrisch in zwei Strömungswege (B1, B2) aufgeteilt
ist, wobei insbesondere jeder der Strömungswege (B1, B2) eine Höhe von einem Drittel
der Gesamthöhe des Wärmetauschers aufweist.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Tauscherabschnitt (A) symmetrisch in zwei Strömungswege (A1, A2) aufgeteilt
ist, wobei insbesondere jeder der Strömungswege (A1, A2) eine Höhe von einem Sechstel
der Gesamthöhe des Wärmetauschers aufweist.
11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkreisläufe der beiden Tauscherabschnitte (A, B)in einem Fluidaustausch miteinander
stehen, wobei insbesondere der erste Tauscherabschnitt (A) eingangsseitig von einem
ausgangsseitigen Abzweig (5) des zweiten Tauscherabschnitts (B) beströmt wird.