Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertrageranordnung, insbesondere zur Ladeluftkühlung,
mit einem ersten Wärmeübertrager und einem zweiten Wärmeübertrager, die von einem
zu kühlenden ersten Fluid derart durchströmt werden, dass der erste Wärmeübertrager
in Strömungsrichtung des ersten Fluids vor dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet
ist.
Stand der Technik
[0002] Bei Kraftfahrzeugen mit aufgeladenen Motoren ist die Ladeluftkühlung wesentlich,
um eine hohe Motorleistung erreichen zu können. Dazu sind Ladeluftkühler als Wärmeübertrager
in Kraftfahrzeugen in Anwendung, wobei in der Vergangenheit vorwiegend luftgekühlte
Ladeluftkühler im Kühlmodul in der Fahrzeugfront eingesetzt wurden. In jüngster Zeit
nimmt der Anteil an kühlmittelgekühlten Ladeluftkühlern zu, was den Vorteil hat, dass
der kühlmittelgekühlte Ladeluftkühler nicht mehr im Kühlmodul angeordnet sein muss,
sondern auch an anderer Stelle im Motorraum beispielsweise direkt am Motor angeflanscht
angeordnet werden kann.
[0003] Die kühlmittelgekühlten Ladeluftkühler haben jedoch gegenüber den luftgekühlten Ladeluftkühlern
den Nachteil, dass das Kühlmittel üblicherweise eine höhere Temperatur aufweist als
die Luft für die luftgekühlten Ladeluftkühler, so dass die Temperaturabsenkung in
kühlmittelgekühlten Ladeluftkühlern meist geringer ist, als bei luftgekühlten Ladeluftkühlern.
[0004] Darüber hinaus ist auch die Anforderung hinsichtlich der Ladeluftkühlung in letzter
Zeit immer mehr gestiegen, weil auf Grund der immer stärkeren Aufladung der Motoren
auch die Ladelufttemperaturen immer stärker zunehmen, so dass eine höhere Kühlleistung
notwendig wird, um die Ladeluft auf niedrigere Temperaturen abzukühlen.
[0005] Darüber hinaus sind die Anforderungen an den Druckverlust der Ladeluft im Ladeluftkühler,
sowie die immer steigenden Anforderungen an reduzierte Bauräume weiterhin gegeben,
so dass auch dies für die Erreichung der immer weiter steigenden Kühlleistungen nachteilig
ist.
[0006] Auch sind durch die
DE 41 14 704 C 1 Ladeluftkühler in zwei Stufen bekannt geworden, bei der ein Hochtemperatur- und ein
Niedertemperaturkreislauf zur Abkühlung der Luft in zwei Stufen vorgesehen ist.
[0007] Die Anordnung zweistufiger Ladeluftkühler führt jedoch zu dem Problem, dass bei einer
Anordnung von mehreren Wärmetauschern bei gleichzeitiger Durchströmung unterschiedlich
temperierter Kühlfluide hohe Spannungen auf Grund von thermischer Ausdehnung entstehen,
die auf Grund der sich häufig ändernden thermischen Belastungen zu unkontrollierten
Schädigungen der Wärmeübertrager führen können.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
[0008] Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeübertrageranordnung nach dem Oberbegriff
Anspruch 1 zu schaffen, welche hinsichtlich Dauerfestigkeit, Bauraumbedarf und Druckabfall
gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
[0009] Dies wird erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1.
[0010] Dabei wird eine Wärmeübertrageranordnung geschaffen, insbesondere zur Ladeluftkühlung,
mit einem ersten Wärmeübertrager und einem zweiten Wärmeübertrager, die von einem
zu kühlenden ersten Fluid derart durchströmt werden, dass der erste Wärmeübertrager
in Strömungsrichtung des ersten Fluids vor dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet
ist, wobei der erste Wärmeübertrager von einem ersten Kühlfluid durchströmt wird und
der zweite Wärmeübertrager von einem zweiten Kühlfluid durchströmt wird, derart, dass
der erste Wärmeübertrager das erste Fluid auf eine erste Temperatur kühlt und der
zweite Wärmeübertrager das erste Fluid von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur
kühlt, die geringer als die erste Temperatur ist, wobei der erste und der zweite Wärmeübertrager
als eine Baueinheit ausgebildet sind.
[0011] Dabei ist es vorteilhaft, wenn der erste Wärmeübertrager einen Einlasskasten und
einen Auslasskasten für das erste Fluid und einen dazwischen angeordneten Wärmeübertragerkern
aufweist, wobei der zweite Wärmeübertrager im Auslasskasten des ersten Wärmeübertragers
angeordnet oder dem Auslasskasten des ersten Wärmeübertragers nachgeordnet ist.
[0012] Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es zweckmäßig, wenn der zweite Wärmeübertrager
einen Einlasskasten und einen Auslasskasten für das erste Fluid und einen dazwischen
angeordneten Wärmeübertragerkern aufweist, wobei der erste Wärmeübertrager im Einlasskasten
des zweiten Wärmeübertragers angeordnet oder dem Einlasskasten des zweiten Wärmeübertragers
vorgeschaltet ist.
[0013] Auch ist es zweckmäßig, wenn der erste Wärmeübertrager einen Einlasskasten und einen
ersten Wärmeübertragerkern und der zweite Wärmeübertrager einen zweiten Wärmeübertragerkern
und einen Auslasskasten für das erste Fluid aufweisen, wobei die beiden Wärmeübertragerkerne
in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind oder jeweils ein eigenes Gehäuse aufweisen
oder in ein Gehäuse aufgenommen sind und/oder mittels eines Verbindungselements miteinander
verbunden sind.
[0014] Gemäß eines weiteren Gedankens der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der erste und/oder
der zweite Wärmeübertragerkern ein Rohrbündelwärmeübertragerkern mit einem Bündel
von von dem ersten Fluid durchströmbaren Rohren ist, die an ihren Enden jeweils in
Öffnungen eines Rohrbodens aufgenommen sind, wobei die Rohre von dem ersten bzw. zweiten
Kühlfluid umströmbar sind.
[0015] Auch ist es zweckmäßig, wenn der Einlasskasten des zweiten Wärmetauschers und/oder
der Auslasskasten des ersten Wärmetauschers eine Öffnung aufweist, in welcher der
erste bzw. der zweite Wärmetauscher eingebracht ist.
[0016] Dabei ist es vorteilhaft, wenn der erste und/oder der zweite Wärmeübertragerkern
ein Rohrbündelwärmeübertragerkern oder Scheibenwärmeübertragerkern ist, mit einem
Bündel oder Stapel von Rohren oder Scheiben, wobei die Rohre oder Scheiben von dem
ersten Fluid umströmbar sind und wobei die Rohre oder Scheiben von dem ersten bzw.
zweiten Kühlfluid durchströmbar sind.
[0017] Vorteilhaft ist es auch, wenn der Einlasskasten des zweiten Wärmetauschers und/oder
der Auslasskasten des ersten Wärmetauschers eine Öffnung aufweist, in welcher der
erste bzw. der zweite Wärmetauscher eingebracht ist.
[0018] Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der in die Öffnung eingebrachte Wärmetauscher
an einer Seite einen Sammelkasten aufweist, der aus der Öffnung zumindest teilweise
herausragt und zumindest einen Anschluss für ein Kühlfluid aufweist.
[0019] Auch ist es zweckmäßig, wenn der Austrittskasten des ersten oder des zweiten Wärmetauschers
eine Verteilleiste des Zylinderkopfes darstellt oder mit einer solchen verbindbar
ist.
[0020] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung
und durch die Unteransprüche beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0021] Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung mit
zwei Stufen zur Kühlung eines Fluids, insbesondere einer Ladeluft,
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung eines ersten Wärmeübertragers, insbesondere für die
erste Stufe,
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung eines ersten Wärmeübertragers, insbesondere für eine
erste Stufe,
- Fig.4
- eine schematische Darstellung eines ersten Wärmeübertragers, insbesondere für eine
erste Stufe, in einer Explosionsdarstellung,
- Fig. 5
- eine schematische Darstellung eines zweiten Wärmeübertragers, insbesondere für eine
zweite Stufe,
- Fig. 6
- eine schematische Darstellung eines zweiten Wärmeübertragers, insbesondere für eine
zweite Stufe,
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung eines zweiten Wärmeübertragers, insbesondere für eine
zweite Stufe,
- Fig. 8
- eine schematische Darstellung eines zweiten Wärmeübertragers, insbesondere für eine
zweite Stufe,
- Fig. 9
- eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung mit
zwei Wärmeübertragern zur zweistufigen Kühlung eines Fluids, wie insbesondere einer
Ladeluft,
- Fig. 10
- eine Wärmeübertrageranordnung gemäß Fig. 9 in perspektivischer Ansicht,
- Fig. 11
- einen Rohrblock mit Rohrböden eines Wärmeübertragerkerns, und
- Fig. 12
- eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung mit
zwei Wärmeübertragern zur zweistufigen Kühlung eines Fluids, wie insbesondere einer
Ladeluft.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[0022] Die Figur 1 zeigt eine Wärmeübertrageranordnung 1 mit einem ersten Wärmeübertrager
2 und einem zweiten Wärmeübertrager 3, die von einem zu kühlenden ersten Fluid 4,
wie Ladeluft, durchströmt werden. Dazu sind die Pfeile 5 und 6 verwendet, welche die
Einströmung des Fluids 4 in den Einlasskasten 7 des ersten Wärmeübertragers kennzeichnen,
bzw. die Ausströmung des ersten Fluids 4 aus dem Auslasskasten 8 des ersten Wärmeübertragers.
[0023] Der erste Wärmeübertrager 2 wird somit gebildet durch einen Einlasskasten 7 und einen
Auslasskasten 8, wobei zwischen dem Einlasskasten 7 und dem Auslasskasten 8 ein Wärmeübertragerkern
9 angeordnet ist, der von dem ersten Fluid 4 durchströmt wird.
[0024] Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist der erste Wärmeübertragerkern 9 als Rohrbündelwärmeübertragerkern
ausgestaltet, bei dem eine Vielzahl von Rohren 10 in Rohrböden 11 und 12 endseitig
und fluiddicht verbunden angeordnet sind, so dass das einströmende Fluid 4 ausgehend
vom Einlasskasten 7 innen durch die Rohre 10 zum Auslasskasten 8 strömen kann, während
die Rohre im Rohrbündel in einem Gehäuse 13 aufgenommen sind und von einem Kühlfluid
umströmt werden können. Dazu weist das Gehäuse 13 einen Einlassanschluss 14 und einen
Auslassanschluss 15 auf, so dass das Kühlfluid 16 gemäß dem Pfeil 17 in den Einlassanschluss
14 einströmen kann, um die Rohre 10 herumströmen kann und anschließend aus dem Auslassanschluss
15 wieder herausströmen kann, siehe feil 18. Somit kühlt der erste Wärmeübertragerkern
9 das einströmende erste Fluid 4 von einer Eingangstemperatur auf eine erste Temperatur,
mit der das Fluid in den Auslasskasten 8 eintritt.
[0025] Im Auslasskasten 8 ist der zweite Wärmeübertrager 3 angeordnet. Dieser Wärmeübertrager
3 nimmt im Wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des Auslasskastens 8 ein, so
dass im Wesentlichen der gesamte Strom des ersten Fluids 4 aus dem ersten Wärmeübertragerkern
im Anschluss daran durch den zweiten Wärmeübertragerkern 19 des zweiten Wärmeübertragers
3 durchströmt, bevor es aus dem Auslasskasten 8 austreten kann.
[0026] Das erste Fluid 4 strömt gemäß dem Pfeil 20 durch den ersten Wärmeübertrage 2, wobei
das Kühlfluid gemäß Pfeil 21 in die entgegengesetzte Richtung strömt, so dass eine
Gegenstromanordnung vorliegt.
[0027] Der zweite Wärmeübertrager 3 ist quer zu der Durchströmungsrichtung 20 des ersten
Fluids angeordnet, so dass das erste Fluid den Wärmeübertrager in seiner vollen Breite
senkrecht zur Durchströmungsrichtung des Fluids 22 durchströmen kann. Dabei strömt
das zweite Kühlfluid 23 durch den Einlassanschluss 24 in den Wärmeübertrager 3 ein,
durchströmt gemäß Pfeil 22 den Wärmeübertrager quer zur Durchströmungsrichtung 20
des ersten Fluids, wird im Sammelkasten 25 beispielsweise U-förmig umgelenkt und strömt
im Anschluss daran gemäß Pfeil 26 wieder zum Sammelkasten 27 zurück, von wo es aus
dem Wärmeübertrager 3 wieder ausströmen kann. Wie zu erkennen ist, sitzt der Wärmeübertrager
3 mit einem Flansch 28 in einer Öffnung 29 des Auslasskastens 8 und dient der Abkühlung
des Fluids von einer ersten Temperatur, mit welcher es den ersten Wärmeübertrager
verlässt, auf eine zweite Temperatur, die unterhalb der ersten Temperatur liegt.
[0028] Das in Fig. 2 gezeigte Saugrohr 50 umfasst einen Einlasskasten 51. Dieser kann als
Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet sein. Alternativ kann er auch als Metallteil
ausgebildet sein. Der Einlasskasten 51 verjüngt sich im Querschnitt in einer Breitenrichtung
B des Saugrohrs 50. An seinem seitlichen Ende mit maximalem Querschnitt ist ein Einlassanschluss
52 zur Zuführung von einem ersten Fluid, wie beispielsweise Ladeluft, vorgesehen,
wie beispielsweise angeflanscht. Die Zuführung ist durch den Pfeil 53 gekennzeichnet.
Der Einlasskasten 51 erfüllt im Wesentlichen die Funktion eines eintrittsseitigen
Sammlers eines an den Eintrittsabschnitt 1 angrenzenden Wärmeübertragers 54. Der Wärmeübertrager
54 wird in einer Richtung gemäß Pfeil 55 von dem ersten Fluid durchströmt, wobei Wärme
des Fluids an ein erstes Kühlfluid in Form eines flüssigen Kühlmittels abgegeben wird.
[0029] Austrittsseitig des von dem ersten Fluid durchströmten Wärmeübertragers 54 ist ein
Motorflansch 56 angeordnet, der an einen (nicht dargestellten) Zylinderkopf eines
Verbrennungsmotors unmittelbar angeflanscht werden kann. Vorliegend erfolgt die Festlegung
mittels Dichtflächen 57 und Befestigungsbohrungen 58. Der Durchtrittsquerschnitt des
Motorflanschs 56 erweitert sich in Strömungsrichtung des ersten Fluids vom Austritt
des Wärmeübertragers 54 bis zur Anschlussebene des Zylinderkopfs. Dabei stellt der
Flansch 56 den Auslasskasten des Wärmeübertragers dar, welcher das erste Fluid dann
direkt in den Zylinderkopf des Motors leiten kann.
[0030] Der Wärmeübertrager wird dabei gebildet durch den Einlasskasten 51, den Auslasskasten
56 und den Wärmeübertragerkern 59, welcher zwischen den beiden Kästen 51, 56 angeordnet
ist. Der Wärmeübertragerkern 59 ist dabei mittels einer Bördelung 60, 61 mit den Einlasskasten
51 und Auslasskasten 56 verbunden.
[0031] Der Wärmeübertragerkern 59 wird von einem ersten Kühlfluid durchströmt, welches durch
den Anschluss 62 einströmt, durch den Kern 59 strömt und bei dem Anschluss 63 wieder
ausströmt. Dabei strömt das erste Kühlfluid im Gegenstrom gemäß Pfeil 64 zu der Strömungsrichtung
55 des ersten Fluids.
[0032] Der Motorflansch 56 ist vorliegend als Aluminium-Druckgussteil ausgeformt. Er kann
aber auch als Kunststoffteil gebildet sein. Er umfasst an einem seitlichen Bereich
ein Anschlussglied 65 für eine Hochdruck-Abgasrückführung, die jedoch auch optional
ist und weggelassen sein kann. Der Wärmeübertragerkern 70 ist in Fig. 3 sowie in der
explodierten Darstellung nach Fig. 4 im Detail dargestellt. Er umfasst eine Mehrzahl
von in der Breitenrichtung B gestapelten Rohren 71, die als Flachrohre ausgebildet
sind. Die Breitseiten der Flachrohre erstrecken sich in Hochrichtung H und Tiefenrichtung
T. Die Schmalseiten der Flachrohre erstrecken sich in Hochrichtung H und Breitenrichtung
B. Nicht dargestellt sind Turbulenzeinlagen oder Rippen, die jeweils zwischen den
Breitseiten benachbarter Flachrohre 71 angeordnet sind. Diese können mit den Rohren
auch flächig verlötet sein.
[0033] Die Flachrohre 5 sind vorliegend als aus Blechen gefaltete und geschweißte oder extrudierte
Flachrohre ausgeformt. Sie können alternativ auch als Strangpressprofile ausgebildet
sein. Je nach Anforderungen können die Flachrohre 71 Einprägungen nach innen und/oder
nach außen aufweisen, um Turbulenzen zu erzeugen und/oder einen definierten Abstand
benachbarter Flachrohre bei einer Montage zu gewährleisten. Das Innere der Flachrohre
71 kann alternativ oder zusätzlich zu solchen Ausprägungen mit Turbulenzeinlagen oder
Rippenblechen versehen sein.
[0034] Die Flachrohre 71 münden endseitig in Öffnungen 72 mit oder ohne Durchzüge eines
Rohrbodens 73. Die Rohrböden 73 sind als Blechformteile aus einem Aluminiumblech hergestellt.
Eintrittsseitiger und austrittsseitiger Boden 73 sind vorteilhaft baugleich, wodurch
die Zahl der verschiedenen Bauteile verringert wird.
[0035] Der Stapel von Flachrohren 71 wird von einem Wassermantel 74 umfangen, der einen
ersten Wassermantelteil 75 und einen zweiten Wassermantelteil 76 aufweist. Der Wassermantel
74 bildet zugleich einen Teil des Gehäuses des erfindungsgemäßen Saugrohrs aus, welches
insgesamt von dem Eintrittsabschnitt 51, dem Wassermantel 74 und dem Motorflansch
56 gebildet ist.
[0036] Beide Wassermantelteile 75, 76 haben jeweils eine Basis 77, 78 mit zwei endseitigen,
abgewinkelten Schenkeln 79. Die Basis 77, 78 erstreckt sich jeweils entlang der Breitenrichtung
B quer zu der Strömungsrichtung des ersten Fluid, wie der Ladeluft, und ist flächig
mit den Schmalseiten der Tauscherrohre 71 verlötet. Die Schenkel 79 überdecken jeweils
einen Teil einer Breitseite des jeweils äußeren Flachrohrs 71 des Stapels und sind
mit dieser Breitseite flächig verlötet.
[0037] Alternativ hat der Wassermantel zwei Basis 77, 78 und zwei endseitige Seitenteile
79, die von der Basis getrennt ausgebildet sind. Dabei ist sowohl die Basis als auch
die Seitenteile im Wesentlichen flach ausgebildet und bilden die vier Seiten einer
Vierecks bzw. Kastens. Die Basis 77, 78 erstreckt sich jeweils entlang der Breitenrichtung
B quer zu der Strömungsrichtung des ersten Fluid, wie der Ladeluft, und ist flächig
mit den Schmalseiten der Tauscherrohre 71 verlötet. Die Seitenteile 79 überdecken
die Breitseite des jeweils äußeren Flachrohrs 71 des Stapels und sind mit dieser Breitseite
flächig verlötet.
[0038] Alternativ kann der seitliche Schenkel auch vollflächig sein und von den seitlichen
Flachrohren beabstandet sein, so dass sich ein Gehäuse bildet, das vollständig durchströmt
werden kann und damit auch die äußeren Flachrohre umströmt werden können.
[0039] Zur Verbindung der Rohrböden 73 bzw. des Gehäuses mit den Einlass- bzw. Auslasskästen
51, 56 gemäß Figur 2 sind an den Rohrböden 73 umlaufende Ränder 80 vorgesehen, welche
als Bördelung der Verbindung mit den Einlass- und Auslasskästen dienen.
[0040] Die Wassermantelteile 75, 76 haben im Bereich ihrer Basen 77, 78 jeweils längliche,
sich in der Breitenrichtung B erstreckende Ausbuchtungen 81, die die Funktion eines
Sammlers für das die Flachrohre 71 umströmende flüssige erste Kühlfluid ausüben. Zur
Zuleitung und Ableitung des Kühlfluids sind an den Ausbuchtungen 81 des einen Wassermantelteils
Anschlüsse 82, 83 vorgesehen. Die Ausbuchtungen 81 an dem zweiten, unten dargestellten
Wassermantelteil verbessern die Verteilung des Kühlfluids, das insgesamt im Wesentlichen
in der Hochrichtung H entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung des ersten Fluids Ladeluft
an den Breitseiten der Flachrohre 71 entlang strömt, also in Gegenstromrichtung bezüglich
des ersten Fluids strömt. Bei alternativen Ausführungsformen können die Anschlüsse
auch an unterschiedlichen Seiten des Wassermantels vorgesehen sein.
[0041] Die Rohrböden 73 werden zusammen mit den Flachrohren 71 und den Wassermantelteilen
75, 76 mechanisch vormontiert bzw. kassettiert und in einem Lötofen zu einem Wärmetauscherblock
verlötet. Hierzu sind geeignete Oberflächen der einzelnen Bauteile mit Lot plattiert.
[0042] Zum Anschluss des Einlasskastens und des Motorflansches als Auslasskasten haben die
Böden um 90° abgewinkelte Ränder, die vorteilhaft mit Wellschlitz-Bördelungen versehen
sind. Bei der Montage des erfindungsgemäßen Saugrohrs werden korrespondierende Strukturen
an den Seiten des Einlasskastens und des Motorflansches als Auslasskasten mit den
Wellschlitz-Bördelungen formschlüssig verbunden, so dass eine nicht dargestellte Dichtung
zwischen Einlasskastens und des Motorflansches als Auslasskasten einerseits sowie
dem jeweiligen Boden andererseits dichtend angepresst ist.
[0043] Die Figuren 5, 6, 7 und 8 zeigen schematische Ausgestaltungen von Wärmeübertragern,
die als erste oder zweite Wärmeübertrager verwendet werden können, und die in einen
Einlass- bzw. Auslasskasten angeordnet werden können. Dabei verfügen die Wärmeübertrager
101, 102, 103 jeweils über einen Wärmeübertragerkern 104, 105, 106 und einen ersten
Sammelkasten 107, 108, 109 sowie über einen Umlenkkasten 110, 111, 112, wobei der
eine Sammelkasten 107, 108, 109 und der Umlenkkasten 110, 111, 112 jeweils an entgegengesetzten
Enden des Wärmeübertragerkerns angeordnet sind.
[0044] Der Sammelkasten 107, 108, 109 weist dabei jeweils einen Einlassanschluss 113 und
einen Auslassanschluss 114 auf, so dass ein erstes oder zweites Kühlfluid durch den
Einlassanschluss in den Sammelkasten einströmen kann, durch den Wärmetauscherkern
strömen kann um im Umlenkkasten umgelenkt zu werden, um anschließend den Wärmetauscherkern
erneut zu durchströmen um im Sammelkasten, der vorteilhaft getrennt durch eine Trennwand
unterteilt ist, wieder einzuströmen um durch den Auslassstutzen 114 wieder aus dem
Wärmeübertrager auszuströmen.
[0045] Mit dem jeweiligen Sammelkasten ist ein Flansch 115 vorgesehen, welcher dazu dient,
dass der Wärmeübertrager in einer Öffnung in einem Gehäuse beispielsweise eines Einlasskastens
oder eines Auslasskastens angeordnet und abgedichtet befestigt werden kann.
[0046] Ein Wärmeübertragerkern gemäß den Figuren 5 bis 8 ist vorteilhaft als Kühlerblock
mit Rohren und Rippen ausgebildet, wobei die Rohre mit den Sammelkästen durch Öffnungen
in einem Rohrboden fluiddicht eingepasst und verbunden sind und ein Kühlmittel durch
den Innenraum der Rohre strömt, wobei zwischen den Rohren vorteilhaft Rippen oder
Turbulenzeinlagen angeordnet sind, so dass quer zur Strömungsrichtung des Fluids durch
die Rohre ein erstes Fluid durchströmen kann, bzw. um die Rohre des Kühlerblocks herumströmen
kann, um den Wärmetauscher zu durchströmen.
[0047] Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen Ausführungsbeispiele eines Wärmeübertragers, bei dem
der Sammelkasten mit der Flanschplatte an einem seitlichen kleinen Ende des Wärmetauscherkerns
angeordnet ist, wobei das Ausführungsbeispiel der Figur 5 ein Ausführungsbeispiel
ist, bei dem der Sammelkasten mit der Flanschplatte an einem seitlichen größeren Endbereich
des Wärmeübertragerkerns angeordnet ist. Dabei ist in Figur 5 die Flanschplatte im
Wesentlichen in einer Ebene parallel zu einer Ebene der Rohre angeordnet, wobei in
den Figuren 6 bis 8 die Flanschplatte im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet ist,
die senkrecht zu der Ebene der Flachrohre ausgerichtet ist.
[0048] Ein Wärmeübertrager gemäß der Figuren 5 bis 8 kann somit einfach in eine Öffnung
eines Einlass- oder Auslasskastens gemäß der Figur 1 integriert werden, so dass der
Wärmeübertrager den zweiten Wärmeübertrager im Auslasskasten des ersten Wärmeübertragers
bilden kann.
[0049] Die Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertrageranordnung
200, bei welcher zwei Wärmeübertragerkerne 201 und 202 in ein Gehäuse 203 aufgenommen
sind. Die Figuren 10 und 11 zeigen diese Wärmeübertrageranordnung noch einmal in einer
perspektivischen Darstellung von außen, bzw. einen Wärmeübertragerkern mit Rohren
und Rohrböden.
[0050] Die Figur 11 zeigt dazu den Wärmetauscherkern 201 als Anordnung von Rohren 204, die
in Rohrböden 205, 206 in Öffnungen aufgenommen sind, wobei zwischen den Rohren 204
jeweils Turbulenzeinlagen 207 angeordnet sind, welche von einem die Rohre umströmenden
Kühlmittel durchströmt werden.
[0051] Die Figur 12 zeigt eine Wärmeübertrageranordnung, die aus im Wesentlichen zwei Wärmeübertragerkernen
im Wesentlichen entsprechend der Figuren 3 bzw. 4 oder diesen ähnliche Wärmeübertragerkerne
gebildet ist. Dabei wird ein erster Wärmeübertragerkern 301 zwischen einem Einlasskasten
302 und einem Zwischenelement 303 angeordnet, wobei der zweite Wärmeübertragerkern
304 zwischen dem Zwischenelement 303 und dem Auslasskasten 305 angeordnet ist. Das
erste zu kühlende Fluid strömt gemäß Pfeil 306 durch den Einlassanschlussflansch bzw.
durch den Einlassanschlussstutzen 307 in den Einlasskasten 302. Anschließend durchströmt
er den Wärmübertragerkern 301. Von dort strömt er in das Zwischenelement 303, welches
als Kopplungselement dient. Von dort strömt das erste Fluid durch den zweiten Wärmeübertragerkern
304 und anschließend durch den Auslasskasten 305 und den entsprechenden Anschlussstutzen
308 gemäß Pfeil 309 wieder aus.
[0052] Die Wärmeübertragerkerne weisen ein Gehäuse mit einer entsprechenden Abdeckung 310,
311 auf, wobei Anschlussstutzen 312, 313, 314 und 315 vorgesehen sind, zur Einströmung
bzw. zur Ausströmung eines ersten Kühlfluids für den ersten Wärmübertragerkern 301
und für ein zweites Kühlfluid für den zweiten Wärmeübertragerkern 304.
[0053] Wie zu erkennen ist, sind die Rohrböden 316, 317, 318, 319 jeweils beiderseits des
Wärmeübertragerkerns 301 bzw. 304 angeordnet und dienen der Verbindung zwischen dem
Wärmeübertragerkern und dem Einlasskasten 302 bzw. dem Auslasskasten 305 sowie mit
dem Zwischenelement 303. Die Verbindung erfolgt vorteilhaft über eine Wellschlitzbördelung.
[0054] In den Rohren 204 können weiterhin nicht dargestellte ladeluftseitige Rippen angeordnet
sein.
[0055] Der Eintrittskasten 208 ist als trichterförmiges Element mit einem Rohranschlussstutzen
209 ausgebildet. Der Auslasskasten 210 ist schematisch als sich öffnender Kasten ausgebildet,
welcher mit einem Zylinderkopf des Motors verbindbar ist. Wie zu erkennen ist, sind
die Gehäuseteile 203 der Einzelnen Wärmetauscherkerne an der Grenzfläche miteinander
verbunden, vorteilhaft einteilig miteinander ausgebildet. Dabei kann es besonders
vorteilhaft sein, wenn die Gehäuse bzw. das Gehäuse 203 einteilig aus Kunststoff hergestellt
wird. Die Gehäusestruktur kann dabei im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sein,
wobei an der Oberfläche eine rippenartige Gestaltung zur Verbesserung der Festigkeit
ausgebildet sein kann.
[0056] Weiterhin sind Anschlussstutzen 211, 212, 213 und 214 zu erkennen, die dazu dienen,
ein erstes Kühlfluid und ein zweites Kühlfluid in den ersten Wärmetauscherkern bzw.
in den zweiten Wärmetauscherkern einzulassen und wieder auszulassen. Dazu wird das
erste Kühlfluid in den Einlass 212 eingelassen, es durchströmt den Wärmetauscherkern
und umströmt die dort angeordneten Rohre 204 und wird bei dem Auslass 211 wieder aus
dem Wärmetauscherkern ausgelassen. Bei dem Anschluss 214 wird das zweite Kühlfluid
in den zweiten Wärmetauscherkern eingelassen, es durchströmt ebenso den Wärmetauscherkern
und umströmt die dort angeordneten Rohre 204, bevor es bei dem Auslassanschluss 213
den Wärmetauscherkern wieder verlässt. Die beiden Wärmetauscherkerne werden somit
im Gegenstrom im Vergleich zur Strömungsrichtung des ersten Fluids, wie der Ladeluft,
durchströmt.
[0057] Dabei wird die Wärmeübertrageranordnung von einem Gehäuse 203 als Kunststoffmantel
umhaust. Auch kann das Gehäuse aus Kunststoff oder alternativ aus Metall, wie beispielsweise
aus Aluminium gebildet werden.
[0058] Die beiden Kühlfluide werden über die Abdichtung 215 zwischen den mittleren Böden
216, 217 mit dem Gehäuse 203 getrennt, so dass es zu keiner Vermischung der Kreisläufe
kommen kann.
[0059] Bei entsprechender Bauweise, bei dem Aluminium-Kühlmittelmäntel mit den Flachrohren
und Böden verlötet werden, können die beiden Rohrbündel der Wärmeübertragerkerne auch
direkt miteinander verschweißt oder über eine mechanische Verbindung, wie beispielweise
Krimpen oder Schrauben bzw. kleben über ein Kunststoff oder Aluminium Zwischenelement
als Kopplungselement verbunden werden. Ein Zwischenelement welches über Elastomerdichtungen
an beiden Böden abgedichtet wird, hat den Vorteil, dass dieses als Entkopplungselement
Thermospannungen und Vibrationsspannungen, die zwischen den beiden Bauteilen auftreten
können, reduzieren kann.
1. Wärmeübertrageranordnung (1), insbesondere zur Ladeluftkühlung, mit einem ersten Wärmeübertrager
(2) und einem zweiten Wärmeübertrager (3), die von einem zu kühlenden ersten Fluid
(4) derart durchströmt werden, dass der erste Wärmeübertrager (2) in Strömungsrichtung
des ersten Fluids (4) vor dem zweiten Wärmeübertrager (3) angeordnet ist, wobei der
erste Wärmeübertrager von einem ersten Kühlfluid durchströmt wird und der zweite Wärmeübertrager
von einem zweiten Kühlfluid durchströmt wird, derart, dass der erste Wärmeübertrager
das erste Fluid auf eine erste Temperatur kühlt und der zweite Wärmeübertrager das
erste Fluid von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur kühlt, die geringer
als die erste Temperatur ist, wobei der erste und der zweite Wärmeübertrager als eine
Baueinheit ausgebildet sind.
2. Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeübertrager (2) einen Einlasskasten (7) und einen Auslasskasten (8)
für das erste Fluid (4) und einen dazwischen angeordneten Wärmeübertragerkern (9)
aufweist, wobei der zweite Wärmeübertrager (3) im Auslasskasten (8) des ersten Wärmeübertragers
(2) angeordnet oder dem Auslasskasten des ersten Wärmeübertragers nachgeordnet ist.
3. Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeübertrager (3) einen Einlasskasten und einen Auslasskasten für das
erste Fluid (4) und einen dazwischen angeordneten Wärmeübertragerkern aufweist, wobei
der erste Wärmeübertrager im Einlasskasten des zweite Wärmeübertragers angeordnet
oder dem Einlasskasten des zweite Wärmeübertragers vorgeschaltet ist.
4. Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeübertrager (2) einen Einlasskasten (7) und einen ersten Wärmeübertragerkern
(9, 201) und der zweite Wärmeübertrager (3) einen zweiten Wärmeübertragerkern (202)
und einen Auslasskasten für das erste Fluid aufweisen, wobei die beiden Wärmeübertragerkerne
(201,202) in einem gemeinsamen Gehäuse (203) aufgenommen sind oder jeweils ein eigenes
Gehäuse aufweisen oder in ein Gehäuse aufgenommen sind und/oder mittels eines Verbindungselements
miteinander verbunden sind.
5. Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Wärmeübertragerkern ein Rohrbündelwärmeübertragerkern
mit einem Bündel von von dem ersten Fluid durchströmbaren Rohren ist, die an ihren
Enden jeweils in Öffnungen eines Rohrbodens aufgenommen sind, wobei die Rohre von
dem ersten bzw. zweiten Kühlfluid umströmbar sind.
6. Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskasten des zweiten Wärmetauschers und/oder der Auslasskasten des ersten
Wärmetauschers eine Öffnung aufweist, in welcher der erste bzw. der zweite Wärmetauscher
eingebracht ist.
7. Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Wärmeübertragerkern ein Rohrbündelwärmeübertragerkern
oder Scheibenwärmeübertragerkern mit einem Bündel oder Stapel von Rohren oder Scheiben
von von dem ersten Fluid umströmbaren Rohren oder Scheiben ist, wobei die Rohre oder
Scheiben von dem ersten bzw. zweiten Kühlfluid durchströmbar sind.
8. Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskasten des zweiten Wärmetauschers und/oder der Auslasskasten des ersten
Wärmetauschers eine Öffnung aufweist, in welcher der erste bzw. der zweite Wärmetauscher
eingebracht ist.
9. Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Öffnung eingebrachte Wärmetauscher an einer Seite einen Sammelkasten aufweist,
der aus der Öffnung zumindest teilweise herausragt und zumindest einen Anschluss für
ein Kühlfluid aufweist.
10. Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittskasten des ersten oder des zweiten Wärmetauschers eine Verteilleiste
des Zylinderkopfes darstellt oder mit einer solchen verbindbar ist.