[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung, welche aus mehreren Gehäuseteilen
aufgebaut ist, welche derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem
zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal und zumindest ein von einem Kühlfluid durchströmbarer
Kanal in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich von zumindest
einem der Gehäuseteile Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal
erstrecken, welche in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Fluids unterbrochen
sind.
[0002] Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise als Kühler in Verbrennungskraftmaschinen
eingesetzt. Sie dienen zur Kühlung von Abgasen zur Verbesserung des Verbrennungsprozesses
oder zur Kühlung der Ladeluft. Es ist bekannt, Wärmetauscher aus mehreren ineinander
angeordneten Druckgussschalen herzustellen, wobei sich von den Druckgussschalen Rippen
in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal erstrecken. Üblicherweise dient
die Schale, von der aus sich die Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren
Kanal erstrecken, gleichzeitig als Trennwand zwischen dem Kühlfluid durchströmten
Kanal und den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal.
[0003] Eine derartige Wärmeübertragungsvorrichtung wird beispielsweise in der
DE 20 2006 009 464 U1 offenbart. Der hierin offenbarte Wärmetauscher weist einen innen liegenden Kühlmittelkanal
auf, von dem aus sich Rippen in einen beispielsweise von Abgas durchströmten Kanal
erstrecken. Die Rippen weisen eine in Hauptströmungsrichtung des Abgases längliche
Form auf, sind in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet und sind quer zur
Strömungsrichtung unterbrochen ausgebildet. Hierdurch kann in den in Hauptströmungsrichtung
gesehen nicht mit Rippen bestückten Bereichen ein Austausch des zu kühlenden Fluides
quer zur Hauptströmungs-Obwohl ein derartiger Wärmetauscher insbesondere aufgrund
seiner Rippenform bereits einen relativ guten Kühlungsgrad aufweist, wird dieser durch
unsymmetrische Anströmungen oder ungleichmäßige Strömungswiderstände verringert.
[0004] Es ergibt sich somit die Aufgabe, eine Wärmeübertragungsvorrichtung bereitzustellen,
bei der der Wärmeaustausch und somit die Kühlleistung im Vergleich zu bekannten Ausführungen
weiter verbessert wird und somit insbesondere der Kühlerwirkungsgrad pro Größeneinheit
der Wärmeübertragungsvorrichtung erhöht wird. Hierbei sollen insbesondere unsymmetrische
Anströmungen oder ungleichmäßige Strömungswiderstände ausgeglichen werden.
[0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Rippen im Querschnitt des vom zu kühlenden
Fluid durchströmbaren Kanals zumindest im Bereich des Einlasses einen unterschiedlichen
Abstand zueinander aufweisen. Durch diese unterschiedlichen Abstände der Rippen über
die Breite der Wärmeübertragungsvorrichtung werden unterschiedliche Strömungswiderstände
geschaffen, so dass auch bei ungleichmäßiger Einleitung des Abgases in den Abgaskühler
oder anderen die Strömung konzentrierenden Gegebenheiten gegebenenfalls bereits nach
kurzer Distanz ein gleichmäßiger Volumenstrom über den Querschnitt erzielt werden
kann, wodurch sich insgesamt eine Homogenisierung des Abgasstroms einstellt.
[0006] So ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Abstände zwischen den Rippen im Querschnitt
des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals in Bereichen höherer Strömungsgeschwindigkeiten
kleiner sind als in Bereichen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten. Die kleineren
Abstände der Rippen zueinander führen zu einem erhöhten Strömungswiderstand, so dass
sich der Fluidstrom den Weg des geringeren Widerstandes wählt und somit in den in
Hauptströmungsrichtung rippenfreien Bereichen eine Querströmung in die Bereiche entsteht,
in denen der Abstand zwischen den Rippen größer ist und somit ein geringerer Strömungswiderstand
vorliegt, so dass eine Vergleichmäßigung des Fluidstromes über den Querschnitt erreicht
wird.
[0007] In einer bevorzugten Ausführungsform ist der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare
Kanal U-förmig ausgebildet, wobei das in den Kanal einströmende Fluid vom aus dem
Kanal ausströmenden Fluid durch eine Mittelwand getrennt ist und der Abstand der Rippen
im Querschnitt zumindest im Bereich des Einlasses mit steigendem Abstand von der Mittelwand
zunimmt. Bei derartigen U-förmigen Kühlern hat sich herausgestellt, dass sowohl durch
die längere für das zu kühlende Fluid zurückzulegende Strecke im außen liegenden Umfangsbereich
als auch durch Tendenzen zum Überströmen der Mittelwand eine Konzentration des Fluids
und somit Erhöhung des Volumenstroms im Bereich der Mittelwand folgt. Dem kann durch
die beschriebene Anordnung mit größeren Abständen im äußeren Bereich und somit Verringerung
der Strömungswiderstände im äußeren Umfangsbereich entgegengewirkt werden. Hierdurch
steigt der Kühlerwirkungsgrad.
[0008] Vorzugsweise sind die Abstände der Mittelachsen der Rippen im Querschnitt des vom
zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals bei konstanter Breite der Rippen in Bereichen
höherer Strömungsgeschwindigkeiten kleiner als in Bereichen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten,
so dass definierte Festigkeiten der Rippen geschaffen werden und gleichzeitig durch
unterschiedliche Abstände der Volumenstrom entsprechend beeinflusst werden kann.
[0009] In einer hierzu alternativen Ausführungsform ist die Breite der Rippen im Querschnitt
des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals bei konstantem Abstand der Mittelachsen
der Rippen in Bereichen höherer Strömungsgeschwindigkeiten größer als in Bereichen
geringerer Strömungsgeschwindigkeiten. Dies bedeutet, dass der tatsächliche Abstand
zwischen den Rippenwänden mit wachsender Breite der Rippen abnimmt und somit die Abstände
zur Mittelachse konstant gehalten werden können, was je nach Art der Fertigung einer
derartigen Wärmeübertragungsvorrichtung vorteilhaft sein kann.
[0010] Durch alle bevorzugten Ausführungen wird zuverlässig das Ziel der Vergleichsmäßigung
des Volumenstroms über den Querschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung und somit
eine Verbesserung des Kühlerwirkungsgrades erreicht.
[0011] Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
[0012] Die Figur zeigt eine Draufsicht auf eine Innenschale einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung.
[0013] In der Figur ist eine Innenschale 1 einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung
dargestellt, wobei die Innenschale 1 eine außen liegende Trennwand 2 aufweist, über
welche ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal 3 von einem von Kühlfluid
durchströmbaren Kanal getrennt ist. Hierzu ist in bekannter, jedoch nicht dargestellter
Weise ein äußeres Gehäuseteil um die Innenschale 1 herum angeordnet, so dass ein Kühlmittelmantel
um die Innenschale 1 entsteht.
[0014] Auch die in Innenschale 1 wird üblicherweise zweiteilig ausgeführt, so dass der hier
sichtbare vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal 3 beispielsweise durch ein Deckelteil
verschlossen wird und durch das Deckelteil, die Trennwände 2 und ein mit den Trennwänden
gemeinsam hergestelltes Bodenteil 4 vom Kühlmantel getrennt ist. Derartige Anordnungen
insbesondere bei im Druckgussverfahren hergestellten Wärmeübertragungsvorrichtungen
sind allgemein bekannt.
[0015] Die hier dargestellte Innenschale 1 der Wärmeübertragungsvorrichtung wird vom zu
kühlenden Fluid U-förmig durchströmt, so dass die Innenschale 1 einen Einlass 5 sowie
einen Auslass 6 aufweist, welche durch eine Mittelwand 7 voneinander getrennt sind.
Diese Mittelwand 7 verhindert zumindest weitgehend ein Überströmen vom Einlass 5 direkt
zum Auslass 6 über ihre Erstreckungslänge. Diese Mittelwand 7 ist leicht schräg zur
Trennwand 2 angeordnet, wobei im Bereich des Auslasses 6 durch eine Querschnittsverringerung
eine höhere Strömungsgeschwindigkeit vorliegt als bei bekannten Wärmetauschern, was
zu einem verbesserten Wärmeübergang im Auslassbereich führt. Diese höhere Geschwindigkeit
verringert auch die Dicke der isolierend wirkenden Grenzschicht, was ebenfalls eine
Verbesserung des Wärmeübergangs bewirkt. Der Druckverlust am Einlass 5 wird durch
den größeren vorhandenen Querschnitt durch die Schrägstellung der Mittelwand 7 reduziert.
Es findet somit eine Optimierung zwischen dem bei steigender Geschwindigkeit steigenden
Druckverlust und der Verbesserung der Kühlleistung bei steigender Strömungsgeschwindigkeit
statt.
[0016] Im vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal 3 sind Rippen 8 angeordnet, welche
sich vom Bodenteil 4 bzw. Deckelteil der Innenschale 1 senkrecht in den Kanal 3 erstrecken.
Hierdurch kann der Wärmeübergang vom außen liegenden Kühlfluid durchströmten Kanal
in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal 3 deutlich verbessert werden.
Die Rippen 8 weisen eine in Hauptströmungsrichtung X-X vom Einlass 5 zum Auslass 6
unterbrochene Form auf und sind somit in Reihen hintereinander angeordnet. Zusätzlich
ist jede Reihe von Rippen 8 versetzt zur dahinter und davor liegenden Reihe angeordnet.
[0017] Hierdurch kann sich das zu kühlende Fluid im Verlauf der Durchströmung des Kanals
3 über die Breite des Kanals 3 unterschiedlich verteilen und ist im Vergleich zu durchgezogenen
Rippen nicht entsprechend der Einströmung auf einen bestimmten Querschnittsbereich
festgelegt. Dies wird sich erfindungsgemäß zu Nutze gemacht, in dem der Abstand zwischen
den einzelnen Rippen 8 unterschiedlich groß gewählt wird.
[0018] Aus der Figur wird ersichtlich, dass insbesondere im Bereich des Einlasses 5 von
der Mittelwand 7 aus gesehen der Abstand der Rippen 8 zueinander stetig wächst. Es
sollte klar sein, dass im innen liegenden Bereich, das bedeutet nahe der Mittelwand
7, der Strömungswiderstand aufgrund der geringeren zurück zu legenden Strecke des
Fluids geringer ist als im längeren außen liegenden Bereich. Des Weiteren vergrößert
sich der Volumenstrom im Bereich der Mittelwand 7, da Überströmungen dieser Mittelwand
7 nicht vollständig ausgeschlossen werden können. Durch die Vergrößerung der Abstände
der Rippen 8 mit wachsender Entfernung von der Mittelwand wird erreicht, dass der
Strömungswiderstand im äußeren Bereich geringer ist als in der Nähe der Mittelwand
7. Dies führt zu Querströmungen des Fluids in den Bereich geringeren Widerstandes
und somit zum Ausgleich der anderen beschriebenen Phänomene, die zu einer Konzentration
des Volumenstromes und somit zu höheren Geschwindigkeiten im Bereich der Mittelwand
7 führen.
[0019] Des Weiteren ist es häufig notwendig, aufgrund eines nicht exakt zum Einlass symmetrischen
Einlaufes, derartige im Eintrittsbereich vorhandene Ungleichmäßigkeiten des Volumenstroms
auszugleichen. Zu diesem Zwecke kann ebenfalls, angepasst an die vorliegenden Einströmbedingungen,
durch die Wahl der unterschiedlichen Abstände der Rippen 8 der Strömungswiderstand
über die Breite gezielt verändert werden, wodurch nach einer relativ kurzen Einlaufstrecke
ein beinahe konstanter Volumenstrom über die Breite der Wärmeübertragungsvorrichtung
erreichbar ist. Dies führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Wärmeübertragungsvorrichtung.
[0020] Selbstverständlich ist es auch denkbar, bei einer nicht U-förmig durchströmten Wärmeübertragungsvorrichtung
vorhandene Volumenstromdifferenzen über die Breite des Kühlers, beispielsweise durch
nicht symmetrische Einströmbedingungen, auf diese Weise über genau berechnete Abstände
zwischen den Rippen 8 auszugleichen, so dass die Erfindung nicht auf die vorhandene
Bauform der Wärmeübertragungsvorrichtung festgelegt ist.
[0021] Des Weiteren sollte klar sein, dass eine derartige Veränderung des Strömungswiderstandes
sowohl durch eine unterschiedlich gewählte Breite der Rippen erreichbar ist, als auch,
wie in der Figur dargestellt, durch unterschiedliche Abstände der Mittelachsen der
Rippen zueinander.
1. Wärmeübertragungsvorrichtung, welche aus mehreren Gehäuseteilen aufgebaut ist, welche
derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem zu kühlenden Fluid
durchströmbarer Kanal und zumindest ein von einem Kühlfluid durchströmbarer Kanal
in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich von zumindest
einem der Gehäuseteile Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal
erstrecken, welche in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Fluids unterbrochen
sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (8) im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals (3)
zumindest im Bereich des Einlasses (5) einen unterschiedlichen Abstand zueinander
aufweisen.
2. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Rippen (8) im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren
Kanals (3) in Bereichen höherer Strömungsgeschwindigkeiten kleiner sind als in Bereichen
geringerer Strömungsgeschwindigkeiten.
3. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal (3) U-förmig ausgebildet ist, wobei
das in den Kanal (3) einströmende Fluid vom aus dem Kanal (3) ausströmenden Fluid
durch eine Mittelwand (7) getrennt ist und der Abstand der Rippen (8) im Querschnitt
zumindest im Bereich des Einlasses (5) mit steigendem Abstand von der Mittelwand (7)
zunimmt.
4. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Mittelachsen der Rippen (8) im Querschnitt des vom zu kühlenden
Fluid durchströmbaren Kanals (3) bei konstanter Breite der Rippen (8) in Bereichen
höherer Strömungsgeschwindigkeiten kleiner sind als in Bereichen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten.
5. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Rippen (8) im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren
Kanals (3) bei konstantem Abstand der Mittelachsen der Rippen (8) in Bereichen höherer
Strömungsgeschwindigkeiten größer ist als in Bereichen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten.