[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinheit für eine Verbrennungskraftmaschine,
insbesondere zur Kühlung von Abgasen, mit einem von einem zu kühlenden Fluid durchströmten
Kanal mit einem Einlass und einem Auslass und einem von einem Kühlfluid durchströmten
Kanal mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der vom zu kühlenden Fluid durchströmte
Kanal und der vom Kühlfluid durchströmte Kanal durch zumindest eine Trennwand voneinander
getrennt sind, von der aus sich Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmten
Kanal erstrecken.
[0002] Wärmeübertragungseinheiten für Verbrennungskraftmaschinen sind allgemein bekannt
und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Sie dienen sowohl zur Kühlung
von Gasen, wie beispielsweise Ladeluft oder Abgas oder zur Kühlung von Flüssigkeiten
wie beispielsweise Öl.
[0003] Nichtzuletzt aufgrund der vielfältigen Anwendungen sind sehr unterschiedliche Bauformen
der Wärmeübertrager bekannt. Hier sind insbesondere Rohrbündelkühler, Kühler in Plattenbauweise
oder auch Druckgusskühler zu nennen.
[0004] Insbesondere bei der Kühlung von Abgas ist eine zu große Versottung der Abgas durchströmten
Kanäle zu verhindern, so dass die Kanäle im Querschnitt nicht zu klein gewählt werden
können. Um dennoch einen ausreichend guten Wärmeübergang sicherzustellen, wurden insbesondere
im Druckgussverfahren hergestellte Kühler entwickelt, bei denen von den Trennwänden
zwischen einem vom Kühlfluid durchströmten Kanal und einem von einem zu kühlenden
Fluid durchströmten Kanal Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal
ragen. Diese Rippen verbessern insbesondere bei hohen Temperaturgradienten deutlich
den Wärmeübergang.
[0005] Ein derartiger Wärmetauscher ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 058 204 A1 bekannt. Der hier offenbarte Wärmetauscher weist eine Innen- und eine Außenschale
auf, wobei das Kühlfluid zwischen der Außenschale und der Innenschale strömt, während
das zu kühlende Fluid U-förmig durch die Innenschale strömt, also zunächst über den
Einlass in einen Einströmabschnitt und von hier aus über einen Umlenkbereich und einen
folgenden Rückströmabschnitt zum Auslass. In den Kanal ragen von der Trennwand zwischen
den beiden Kanälen über die gesamte Länge des Fluid durchströmten Kanals Rippen.
[0006] Bei einem derartig aufgebauten Wärmeübertrager hat sich herausgestellt, dass die
Kühlwirkung im Strömungsverlauf mit sinkendem Temperaturgradienten nachlässt.
Zusätzlich entsteht im Umlenkbereich eines derartigen U-förmigen Wärmeübertragers
eine deutlich erhöhte Versottung, was zu einem steigenden Druckverlust führt.
[0007] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeübertragungseinheit bereitzustellen,
bei der die Kühlleistung im Vergleich zu bekannten Ausführungen bei gleichem oder
reduziertem Druckverlust verbessert wird, ohne dass zusätzlicher Bauraum benötigt
wird.
[0008] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Querschnittsfläche zwischen den vom
zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal begrenzenden Wänden in einem ersten Abschnitt
größer ist als in einem zweiten Abschnitt, wobei die Rippen über die Länge des Kanals
derart verteilt sind, dass ein durchströmbarer Querschnitt im ersten durchströmten
Abschnitt kleiner oder gleich dem durchströmbaren Querschnitt im zweiten durchströmten
Abschnitt ist. Somit kann im Vergleich zu bekannten Einheiten die Anzahl der Rippen
im ersten Abschnitt, in dem ein hoher Temperaturgradient vorhanden ist, deutlich erhöht
werden und somit eine deutlich höhere Kühlleistung erreicht werden. Der in diesem
Bereich im Vergleich zu bekannten Ausführungen steigende Druckverlust kann im zweiten
Abschnitt wieder ausgeglichen werden, so dass die Verweilzeit im Vergleich zu gleich
großen bekannten Einheiten im Wesentlichen unverändert bleiben kann.
[0009] In einer weiterführenden Ausführungsform ist der zweite Abschnitt des vom zu kühlenden
Fluid durchströmten Kanals als freier Querschnitt ausgebildet ist. Durch diesen freien
Querschnitt im zweiten Abschnitt kann der Druckverlust durch die fehlenden Einbauten
im Kanal der Wärmeübertragungseinheit im Vergleich zu den bekannten Ausführungen reduziert
werden und der Platzbedarf für den zweiten Abschnitt minimiert werden.
[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform ist der vom zu kühlenden Fluid durchströmte
Kanal U-förmig ausgebildet, wobei der erste Abschnitt als Einströmabschnitt dient,
an den sich ein Umlenkbereich anschließt, an den sich der zweite Abschnitt anschließt,
der als Rückströmabschnitt dient. Bei einer derartigen U-Form liegen der Einströmabschnitt
und der Rückströmabschnitt nebeneinander. Der Einströmabschnitt kann dadurch bei gleich
bleibender Gesamtbreite breiter ausgeführt und mit zusätzlichen Rippen bestückt werden,
wodurch die Verbesserung der Kühlleistung im Bereich hoher Temperaturgradienten erreicht
werden kann. Gleichzeitig wird der Druckverlust im Vergleich zur bekannten Ausführung
mit Rippen über den gesamten Bereich im Wesentlichen konstant gehalten oder gegebenenfalls
verkleinert.
[0011] In einer weiterführenden Ausführung ist der Umlenkbereich im Wesentlichen als freier
Querschnitt ausgebildet. Somit kann im Vergleich zu bekannten U-förmig durchströmten
Kühlern eine Versottung im Umlenkbereich weitestgehend vermieden werden. Insbesondere
über die Lebensdauer der Wärmeübertragungseinheit kann so eine Erhöhung des Druckverlustes
und Verminderung der Kühlleistung vermieden werden, da die Versottung im Umlenkbereich
deutlich reduziert wird.
[0012] Durch diese Ausführungen wird eine bezüglich der Kühlleistung und Baugröße optimierte
Wärmeübertragungseinheit geschaffen, ohne einen erhöhten Druckverlust zu generieren.
[0013] Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
[0014] Die Figur zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinheit
in geschnittener Darstellung.
[0015] Die in der Figur dargestellte Wärmeübertragungseinheit, welche insbesondere zur Kühlung
von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine dient, besteht aus einem Gehäuse 1, in
dem ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmter Kanal 2 sowie ein von einem Kühlfluid
durchströmter Kanal 3 angeordnet sind. Das Gehäuse 1 besteht aus einer ein- oder mehrteiligen
Innenschale 4 sowie einer die Innenschale 4 umgebenden Außenschale 5, welche im Wesentlichen
beabstandet von der Innenschale 4 angeordnet ist.
[0016] Der vom Kühlfluid durchströmte Kanal 3 ist in vorliegendem Ausführungsbeispiel zwischen
der Innenschale 4 und der Außenschale 5 angeordnet, während der vom zu kühlenden Fluid
durchströmte Kanal 2 durch die Innenschale 4 begrenzt ist. Somit bildet die Innenschale
4 eine Trennwand 6 zwischen den beiden in Wärmeaustausch stehenden Fluiden.
[0017] Die Innenschale 4 ist ebenso wie die Außenschale 5 einseitig offen ausgebildet und
weist an ihrer offenen Stirnseite einen ersten Einlass 7 sowie einen daneben angeordneten
ersten Auslass 8 auf. An den Einlass 7 schließt sich ein erster Abschnitt 9 an, der
als Einströmabschnitt dient, der durch eine Mittelwand 10 von einem zweiten Abschnitt
12, der als Rückströmabschnitt dient, getrennt ist, der wiederum im Auslass 8 mündet.
In Strömungsrichtung zwischen dem Einströmabschnitt 9 und dem Rückströmabschnitt 12
wird ein Umlenkbereich 13 durchströmt, mit dessen Beginn die Mittelwand 10 endet.
[0018] Im Einströmabschnitt 9 ist eine Vielzahl von Rippen 14 ausgebildet, welche sich von
der Innenschale 4 und somit der Trennwand 6 in den vom zu kühlenden Fluid durchströmten
Kanal 2 erstrecken. Im Umlenkbereich 13 ist die Innenschale 4 lediglich im ersten
Abschnitt noch mit Teilrippen 15 ausgestattet, während der übrige Umlenkbereich 13
keine weiteren Rippen aufweist. Die Rippen 14 im Umlenkbereich nicht auszuführen,
birgt den Vorteil, dass hierdurch eine sonst häufig zu beobachtende Versottung in
diesem Bereich weitestgehend vermieden werden kann. Die Rippen 14 sind auch in Form
von Ausbuchtungen 19 an der Mittelwand 10 bzw. den Trennwänden 6 weitergeführt, so
dass auch bei versetzt in Reihen hintereinander angeordneten Rippen 14 die durchströmten
Querschnitte im Bereich einer Rippenreihe weitestgehend konstant gehalten werden können,
ohne die Rippenform verändern zu müssen.
[0019] Im Rückströmabschnitt 12 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel keine Rippen ausgebildet,
so dass dieser einen freien Querschnitt darstellt. Denkbar ist es, auch hier einzelne
Rippen anzuordnen. Der vorhandene Querschnitt ohne Rippen zwischen den Trennwänden
6 beziehungsweise der Mittelwand 10 ist im Einströmbereich deutlich größer als im
Rückströmbereich. Die Anordnung beziehungsweise Verteilung der Rippen 14 ist so gewählt,
dass der tatsächlich durchströmbare Querschnitt im Einströmbereich 9 durch eine hohe
Anzahl an Rippen 14 derart verkleinert wird, dass dieser trotz der ohne Rippen größeren
vorhandenen Breite im Vergleich zum Rückströmabschnitt 12 kleiner oder gleich dem
tatsächlich durchströmbaren Querschnitt des Rückströmabschnitts 12 ist. Die Erweiterung
des durchströmbaren Querschnitts findet dabei im Umlenkbereich 13 statt.
[0020] Ein derartiger Aufbau wird gewählt, da im Bereich des Einströmabschnitts 9 ist der
Temperaturgradient zwischen dem heißen einströmenden Fluid, insbesondere Abgas, und
dem umströmenden Kühlfluid besonders groß ist. Aus diesem Grund wird in diesem Bereich
durch die im Vergleich zu bekannten Ausführungen, welche gleichen Bauraum benötigen,
zusätzlichen Rippen über den Querschnitt die zur Verfügung stehende Kühlfläche und
die Verweildauer in diesem Bereich erhöht. Hierdurch wird zwar auch der Strömungswiderstand
und somit der Druckverlust erhöht, was jedoch durch den größeren durchströmbaren Querschnitt
im zweiten Abschnitt wieder ausgeglichen wird. In den hinteren Bereichen mit geringerem
Temperaturgradienten wird in einer solchen Ausführung zwar weniger Kühlleistung erzeugt,
was jedoch durch die erzeugte Küjhlleistung im ersten Abschnitt mehr als ausgeglichen
wird. Somit wird insgesamt die Kühlleistung über die Lauflänge bei etwa gleicher Verweilzeit
und gleichem Bauraum im Vergleich zu bekannten Ausführungen mit gleichmäßigen Querschnitten
und Rippenverteilungen erhöht.
[0021] Am Einlass 7 bzw. Auslass 8 weist die Innenschale 4 zusätzlich eine flanschförmige
Erweiterung 16 auf, über die die Außenschale 5 an der Innenschale 4 beispielsweise
durch Schweißen befestigt werden kann. Gleichzeitig dient diese flanschförmige Erweiterung
16 zum Verschluss des vom Kühlfluid durchströmten Kanals 3.
[0022] Die Außenschale 5 weist wiederum einen Einlass 17 sowie einen Auslass 18 auf, welche
in vorliegendem Ausführungsbeispiel im vorderen und hinteren Bereich der Wärmeübertragungseinheit
seitlich an der Außenschale 5 angeordnet sind. An der Innenschale 4 können zusätzlich
Stege zur Zwangsführung des Kühlfluids angeordnet werden, die sich bis zur Außenschale
5 erstrecken.
[0023] Es sollte klar sein, dass sich diese Konstruktion auch auf andere Bauweisen von Wärmeübertragungseinheiten
übertragen lässt, wobei zu beachten ist, dass bei gleich bleibendem, zur Verfügung
stehenden Bauraum jeweils die benutzte Kühlfläche im Bereich hoher Temperaturgradienten
vergrößert werden sollte, auch wenn hierdurch eine Verkleinerung der Kühlflächen im
Bereich kleinerer Temperaturgradienten die Folge ist.
1. Wärmeübertragungseinheit für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zur Kühlung
von Abgasen, mit einem von einem zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal (2) mit einem
Einlass (7) und einem Auslass (8) und einem von einem Kühlfluid durchströmten Kanal
(3) mit einem Einlass (17) und einem Auslass (18), wobei der vom zu kühlenden Fluid
durchströmte Kanal (2) und der vom Kühlfluid durchströmte Kanal (3) durch zumindest
eine Trennwand (6) voneinander getrennt sind, von der aus sich Rippen (14, 15) in
den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal (2) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche zwischen den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal (2)
begrenzenden Wänden (6, 10) in einem ersten Abschnitt (9) größer ist als in einem
zweiten Abschnitt (12), wobei die Rippen (14) über die Länge des Kanals (2) derart
verteilt sind, dass ein durchströmbarer Querschnitt im ersten durchströmten Abschnitt
(9) kleiner oder gleich dem durchströmbaren Querschnitt im zweiten durchströmten Abschnitt
(12) ist.
2. Wärmeübertragungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (12) des vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanals (2) als
freier Querschnitt ausgebildet ist.
3. Wärmeübertragungseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vom zu kühlenden Fluid durchströmte Kanal (2) U-förmig ausgebildet ist, wobei
der erste Abschnitt (9) als Einströmabschnitt dient, an den sich ein Umlenkbereich
(13) anschließt, an den sich der zweite Abschnitt (12) anschließt, der als Rückströmabschnitt
dient.
4. Wärmeübertragungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkbereich (13) im Wesentlichen als freier Querschnitt ausgebildet ist.