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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der
die Merkmale des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 aufweist.
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Ein
gattungsgemäßer Wärmetauscher
ist aus der
DE 41 06
296 A1 bekannt. Die
DE
410296 A1 beschreibt einen Wärmetauscher, insbesondere einen
Wasser/Luft-Kühler für Brennkraftmaschinen
mit einem Rohr-Rippen-Block aus wenigstens einer Reihe von Flachrohren
und zwischen diesen angeordneten Rippenelementen. Die Enden der
Flachrohre sind in Rohrböden
aufgenommen. Die Rohrböden
sind über
Seitenteile, die den Rohr-Rippen-Block einfassen, miteinander verbunden.
Die Rohrböden
und der Rohr-Rippen-Block bestehen aus Aluminium. Erfindungsgemäß werden
die Seitenwände
anstatt aus Aluminium aus einem Metall hergestellt, das einen höheren Elastizitätsmodul
als Aluminium aufweist. Der Einsatz von Wasser als Kühlmittel
für eine
Brennkraftmaschine, wobei das Wasser wiederum an Luft abgekühlt wird,
bedeutet, dass das den Aluminium Wärmetauscher durchströmende zu
kühlende
Medium Wasser maximal um die 120°C
beim Eintritt in den Kühler
aufweist. Damit liegt die Eingangstemperatur weit unterhalb einer
kritischen Temperatur, bei welcher Aluminium seine Formbeständigkeit
verliert.
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Die
DE 20 2005 020 584
U1 beschreibt ein Aluminium Strangpressprofil, das gleichzeitig
für Wärmeübertragung
und Wärmespeicherung
genutzt wird. Dabei werden Kammern des Aluminium Strangpressprofils
mit Speichermaterial gefüllt.
Ein innerer Kanal wird von einem Medium durchströmt, das Abwärme an das Speichermaterial
abgibt. Das Speichermaterial wiederum gibt die Wärmeenergie über äußere Kühlrippen während eines längeren Zeitraums
konstant an die Umgebung ab. Dabei geht die
DE 20 2005 020 584 U1 beispielsweise
davon aus, dass das durchströmende
Medium eine Temperatur von 80°C
aufweist.
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Die
DE 199 00 970 A1 beschreibt
eine aus stranggepresstem Aluminium hergestellte Kühleinheit
mit einer Vielzahl von einer Kühleinheit
abragender Kühlrippen.
Zusätzlich
weist die Kühleinheit
ein randseitiges Rippenabstandsprofil mit auf der Seite der Kühlrippen
versehenen Einsatznuten auf, in welche die freien Enden der Kühlrippen
hineinragen und seitlich abgestützt
darin festliegen. Es wird nicht offenbart, für welchen Einsatzzweck die
Kühleinheit hergestellt
ist.
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Zur
Reduzierung der Rohemissionen von Brennkraftmaschinen wird ein Teil
des erzeugten Abgases in die Zylinder der Brennkraftmaschine zurückgeführt und
der Ladeluft zugemischt, hierbei handelt es sich um die sogenannte
Abgasrückführung. Dabei erfolgt
eine Entnahme des Abgases entweder in einem Hochdruckbereich hinter
einem Turbolader oder Abgaskrümmer
oder in einem Niederdruckbereich hinter einem Katalysator oder Dieselpartikelfilter.
Die Temperatur des entnommenen Abgases variiert demnach etwa zwischen
650° bis
200°C. Mit
steigender Abgasentnahme muss das rückgeführte Abgas vor der Zumischung
gekühlt
werden, die Temperatur des Abgases nach einer Kühlung liegt zwischen 100° bis 180°C. Grundsätzlich werden
AGR-Kühler
aufgrund der thermischen Belastung durch das heiße Abgas und aufgrund der korrosiven
Eigenschaften des Abgases und der damit verbundenen Kondensatbildung
aus Edelstahl gefertigt. Aluminium ist ohne entsprechende Kühlung je
nach Legierungszusammensetzung oberhalb von etwa 200° bis 280°C nicht mehr
formbeständig,
das heißt,
dass es unter Temperatureinwirkung zur bleibenden Verformung eines
Aluminiumkühlers
kommen würde.
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Die
DE 102 16 773 B4 zeigt
einen Kühler
für ein
dem Hauptabgasstrom eines Verbrennungsmotors entnommenes Abgas.
Der Kühler
ist U-förmig gestaltet
und wird quer angeströmt.
Dabei umfasst der Kühler
eine Abgasleitung, die einerseits an eine Leitung zwischen dem Motorauslass
und der Turbine und andererseits an eine Leitung angeschlossen ist, welche
Frischluft zum Ladekühler
führt.
Die Abgasleitung ist mit einem Gehäuse verbunden, in welchem sich
mehrere U-förmige
Kühlrohre
erstrecken. Die Enden der Kühlrohre
sind zur Abgasleitung hin offen. Umfangsseitig der Enden ist eine
Trennwand zwischen der Abgasleitung und dem Gehäuse vorge sehen. Das andere
Ende des Gehäuses
ist durch eine Wand ebenfalls verschlossen. An das Gehäuse ist ein
Rohrstutzen angeschlossen, über
den ein Motorkühlmittel
in das Gehäuse
eingeführt
wird, die Kühlrohre
quer anströmt
und nach dem indirekten Wärmetausch
mit dem in den Kühlrohren
geführten
Abgas das Gehäuse über einen
weiteren bogenförmigen
Rohrstutzen verlässt.
Dieser Kühler
besteht nicht aus Aluminium, sondern aus Stahl oder Edelstahl.
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Die
DE 103 55 649 A1 beschreibt
einen längsdurchströmten Abgaskühler für eine Abgasrückführung zu
einem Verbrennungsmotor. Der AGR-Kühler weist einen von einer
Gehäusewandung umgebenen
Abgaseintrittsbereich und ein Abgaszuführrohr und einen Abgasaustrittsbereich
mit Abgasabführrohr
auf. Dazwischen ist ein Wärmeübertragungsbereich
sowie ein darin integrierter isolierter Bypasskanal angeordnet.
Auch dieser Kühler
besteht nicht aus Aluminium, sondern aus Stahl oder Edelstahl.
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Die
DE 44 27 854 A1 zeigt
eine Kühlvorrichtung
und ein Montageverfahren dafür,
um den Temperaturanstieg in Wärme
abstrahlenden Teilen von elektronischen Geräten zu steuern. Diese Wärme wird
durch die Basisteile der Halbleiter zu einem Kühlkörper geleitet, der aus einer
Vielzahl von Rippen aus Lotblechplatten besteht, die jeweils ein
Kernmaterial aus einer Aluminiumlegierung und ein auf einer Oberfläche desselben
vorgesehenes Lotmaterial aufweisen, wobei die Rippen auf einer flachen
Platte aus einer Aluminiumlegierung in einem Vakuum durch Hartlöten befestigt
wurden. Die Wärme
tritt an den gesamten Oberflächen
der Rippen aus. Von einem Kühlgebläse wird
Zwangsluft zwischen die Rippen geblasen, so dass die von den Oberflächen der Rippen
abgestrahlte Wärme
zur Atmosphäre
geleitet wird. Es handelt sich daher um einen Luft/Luft Kühler. Aufgabe
der
DE 44 27 854 A1 ist
es, eine Kühlvorrichtung
zu schaffen, die eine Positionierung von Rippen ohne die Verwendung
eines Werkzeugs ermöglicht
und die Rippen in ihrer aufrechten Stellung in den richtigen Positionen
halten kann, indem eine Verlagerung oder ein Umfallen der Rippen
ausgeschlossen wird. Hierbei geht es ausschließlich um ein vorübergehendes
Fixieren, denn die Befestigung der Rippen erfolgt durch ein Löten. Diese
Aufgabe löst
die
DE 44 27 854 A1 dadurch,
dass jede Rippe durch Biegen eines oberen und eines unteren Randbereichs
unter einem bestimmten Winkel in die gleiche Richtung geformt ist.
Aussparungen und Vorsprünge sind
auf einer Linie angeordnet, die die Biegerichtung unter einem rechten
Winkel an einer Vielzahl von Stellen in den oberen und unteren kürzeren Randbereichen
der Rippen kreuzt. Die Aussparungen einer Rippe sind in Eingriff
mit den Vorsprüngen
einer weiteren Rippe, wenn die Rippen parallel auf der Metallplatte
angeordnet sind. Die
DE
44 27 854 A1 zeigt reine Positionierhilfen, die nicht geeignet
sind, eine feste Verbindung herzustellen, zumal der Kühler der
DE 44 27 854 A1 keinerlei
Dichtigkeitsanforderung erfüllen
muss, da Kühlmedium
und zu kühlendes
Medium identisch aus Luft bestehen. Bei der
DE 44 27 854 A1 ist deswegen
auch eine Lötung
zwingende Voraussetzung, um den Kühler zusammenzuhalten.
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Die
aufgezeigten Lösungen
aus Edelstahl sind material- und montagebedingt relativ teuer, so dass
es Bestrebungen gibt, diese Kühler
aus anderen Materialien wie Aluminium, Kunststoff oder Mischlösungen herzustellen.
Eine immer größere Herausforderung
ist auch das Verhältnis
von Baugröße zur Kühlleistung
aufgrund des immer geringer vorhandenen Bauraums im Motorraum.
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Ausgehend
vom Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung daher die Aufgabe,
einen Aluminiumkühler
sowohl bezüglich
der Kühlleistung
als auch bezüglich
der Baugröße so zu
gestalten, dass er variabel und günstig herstellbar und auch
im Abgasstrang einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe löst
die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach besteht
ein Wärmetauscher
aus einem Gehäuse
und aus mindestens einem hohlen Kühlprofil, welches in dem Gehäuse angeordnet
ist. Kühlprofil
und Gehäuse
sind aus einem Aluminiumstrangpressprofil hergestellt. In dem Kühlprofil
wird ein heißes,
zu kühlendes
Medium geführt
und in dem Gehäuse
ein kaltes, kühlendes Medium.
Das Kühlprofil
verfügt über eine
Aufnahmenut und/oder einen Befestigungssteg, über welche das Kühlprofil
mit dem Gehäuse
oder mit einem anderen Kühlprofil
verbunden ist. So wird quasi eine Art System-Kühler geschaffen. Im Strangpressverfahren sind
Gehäuse
und Kühlprofile
beliebiger Größe und Länge günstig herstellbar. Über die
Aufnahmenut und den Befestigungssteg können zwei Kühlprofile ineinander geschoben
werden, die sich dabei im Verbindungsbereich kalt verfestigen und
verdichten. Diese Verbindung ist unterstützt durch den Formschluss so
fest, dass kein weiterer Fügevorgang
notwendig ist, insbesondere kann ein Lötprozess entfallen. Der Wärmetauscher
kann einfach auf verschiedene zu erzielende Kühlleistungen in unterschiedlichen
Fahrzeugmodellen angepasst werden, indem jeweils eine bestimmte
Menge Kühlprofile
miteinander zu einer Kühlmatrix
zusammengeschoben werden. An mindestens einem Ende ist die Kühlmatrix
dann mit der Innenwand des Gehäuse
verbunden. An dem anderen Ende kann die Kühlmatrix in einer besonderen Ausführungsform
mit einem Endstück
versehen sein, welches nur eine Aufnahmenut und keinen Befestigungssteg
aufweist. Im Gehäuse
befindet sich mindestens ein Steg, an den ein Kühlprofil oder eine ganze Kühlmatrix
angebunden werden kann. Je nach zu erzielender Leistung können auch
verschiedene Kühlmatrizen über- oder
nebeneinander liegen. Für eine
entsprechende Anbindung weist das Gehäuse daher für jede Matrix einen Befestigungssteg
auf. Alternativ kann das Gehäuse
auch mit Aufnahmenuten anstatt mit Befestigungsstegen ausgestattet
sein, in die ein einzelnes Kühlprofil
oder eine Kühlmatrix
mit jeweils einem Befestigungssteg angekoppelt werden. Bei dieser
Ausführungsform
besitzen die Endstücke dann
jeweils nur einen Befestigungssteg und keine Aufnahmenut. Sowohl
Gehäuse
als auch Kühlprofile können zur
Verbesserung der Leistung eine profilierte oder strukturierte Oberfläche aufweisen.
Beispielsweise können
in das Kühlprofil
Verprägungen
eingebracht sein. Das Gehäuse
kann in der Außenwand Kühlrippen
aufweisen.
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In
einer besonderen Ausführungsform
ist die Aufnahmenut des Kühlprofils
als federnde Aufnahme im Sinne einer Nut und Feder Verbindung ausgestaltet.
Dazu ist die Wand der Nut beispielsweise mit einer Unterbrechung
versehen, die beim Ineinanderschieben der Kühlprofile von dem Befestigungssteg des
anderen Kühlprofils
verschlossen wird, so dass kein Medium aus dem Inneren des Kühlprofils
austreten kann.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher kann
auch im relativ heißen
Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs zur Kühlung eines Abgases einer Brennkraftmaschine
eingesetzt werden. Die Aluminiumkühlprofile werden dadurch, dass
sie innerhalb des Ge häuses
von Kühlmedium
umströmt
werden, ständig
so weit abgekühlt,
dass sie trotz der hohen Abgastemperaturen von bis zu 650°C des in
den Kühlprofilen
geführten
Abgases formstabil bleiben. Insbesondere wenn der Kühler als
AGR-Kühler
eingesetzt wird, ist es sinnvoll, in dem Gehäuse einen kühlmittelfreien Bereich zur
Aufnahme eines Bypasskanals vorzusehen. In diesem kühlmittelfreien
Bereich wird ein Edelstahlrohr ohne Berührung mit der Gehäusewand
so aufgenommen, dass ein luftspaltisolierter Bypass entsteht. Über eine
Klappe oder ein Ventil ist es möglich,
den Kühler
wahlweise anzusteuern oder zu umgehen.
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Der
erfindungsgemäße Aluminium
System Kühler
kann aber auch an anderer Stelle im Abgasstrang genutzt werden,
um Abgase herunterzukühlen oder
beispielsweise die Abgaswärme
zur Erwärmung eines
Kühlwasserkreislaufs
zu nutzen. Grundsätzlich kann
der Aluminium System Kühler
in fast allen Anwendungsgebieten eines Wärmetauschers eingesetzt werden.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
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1 einen
Schnitt durch zwei identische erfindungsgemäße Kühlprofile (1)
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2 einen
Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Gehäuse (4)
mit einem Detailausschnitt A
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3 einen
Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Endstück (6)
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4 einen
Schnitt durch eine Variante eines Kühlprofils (10) mit
einer federnden Aufnahmenut (20)
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5 eine
perspektivische Ansicht einer weiteren Variante eines Kühlprofils
(11) mit Detailausschnitt A
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6 einen
schematischen Schnitt durch ein Gehäuse (4) mit mehreren
Kühlmatrizen
(12)
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7 eine
perspektivische Ansicht des leeren Gehäuses (4)
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8 einen
Schnitt durch das gefüllte
Gehäuse
(4)
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9 eine
schematische Ansicht eines Wärmetauschers
(15)
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1 zeigt
einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes, im Aluminium Strangpressverfahren hergestelltes
Kühlprofil
(1). Das Kühlprofil
(1) ist innen hohl, um ein zu kühlendes Medium darin zu führen. Auf
einer Seite ist das Kühlprofil
(1) mit einem Befestigungssteg (3) versehen. Auf
der gegenüberliegenden
Seite weist das Kühlprofil
(1) eine Aufnahmenut (2) auf. Befestigungssteg
(1) und Aufnahmenut (2) korrespondieren in der
Form, dass die Befestigungsstege (3) von identischen Kühlprofilen
(1) jeweils in die Aufnahmenuten (2) des jeweils
anderen Kühlprofils
(1) passen. Idealerweise sind Befestigungssteg (3)
und Aufnahmenut (2) so ausgelegt, dass beide sich beim
Zusammenschieben kalt verfestigen und verdichten. Dadurch ist eine
weitere Fügeoperation
entbehrlich. Die einzelnen Kühlprofile
(1) können
kostengünstig
und prozessgenau im Strangpressverfahren hergestellt werden. Sie
bauen leicht und sind in beliebiger Anzahl miteinander koppelbar.
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2 zeigt
einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Gehäuse (4) mit einem
Detailausschnitt A. Das Gehäuse
(4) hat in diesem Fall einen kreisrunden Durchmesser. In
der Innenwand des Gehäuses
(4) sind Befestigungsstege (3) ausgebildet. Diese
Befestigungsstege (3) passen ebenfalls in die Aufnahmenuten
(2) der Kühlprofile
(1). Außerdem
ist in dem Gehäuse
(4) noch eine separate Kammer (5) vorgesehen.
In dem Gehäuse
(4) zirkuliert mit Ausnahme der Kammer (5) ein
Kühlmedium.
Die Kammer (5) bleibt kühlmedienfrei.
Sie dient zur Aufnahme eines Bypasses.
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3 zeigt
ein als Endstück
ausgestaltetes Kühlprofil
(6). Das Endstück
verfügt
nur über
eine Aufnahmenut (2). Ein Befestigungssteg (3)
fehlt. Auch das Endstück
(6) ist in sich geschlossen und hohl, so dass durch das
Endstück
(6) ein zu kühlendes
Medium fließen
kann.
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4 zeigt
eine weitere Variante eines Kühlprofils
(10). Der Befestigungssteg (3) ist gleich geblieben,
jedoch die Aufnahmenut (20) ist an einer Stelle (21)
nach Art einer Nut- und Federverbindung unterbrochen, um beim Ineinanderschieben
federn zu können.
Auch diese Variante des Kühlprofils
(10) kann mit einer beliebig großen Anzahl anderer Kühlprofile
(10) zusammengeschoben werden.
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In 5 ist
die Oberfläche
einer weiteren Variante eines Kühlprofils
(11) durch Prägen
oder Rollen oder anderweitig mit einer Strukturierung (7)
oder Verprägung
(7) versehen. Die Strukturierung (7) dient der
Verwirbelung des in dem Kühlprofil
(11) geführten Mediums
zur Erhöhung
der Kühlleistung.
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In 6 ist
das Gehäuse
(4) schematisch im Schnitt dargestellt. In dem Gehäuse (4)
befinden sich mehrere Kühlmatrizen
(12). Eine Kühlmatrix
(12) ist dabei aus mehreren miteinander gekoppelten Kühlprofilen
(10) aufgebaut, wobei die Kühlprofile (10) im Querschnitt
in 4 dargestellt sind. Über die Menge der miteinander
gekoppelten Kühlprofile
(10) kann die Kühlleistung
gesteuert werden. Auf einer Seite der Kühlmatrix (12) ist
jeweils ein Endstück
(6) angebracht.
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7 zeigt
das Gehäuse
(4) in einer perspektivischen Ansicht. Die Befestigungsstege
(3) erstrecken sich über
die gesamte Länge
des Gehäuses (4),
ebenso die abgetrennte Kammer (5). An dem Gehäuse (4)
angedeutet sind Durchgangsöffnungen (13, 14)
zum Anfügen
von nicht dargestellten Zuführ und
Abführleitungen
für das
im Gehäuse
(4) zirkulierende Kühlmedium.
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In 8 sind
die Kühlmatrizen
(12) jeweils an einem Ende mit einem Befestigungssteg (3)
des Gehäuses
(4) verbunden. Das andere Ende der Kühlmatrix (12) ist
mit einem Endstück
(6) versehen. Durch die Kühlmatrizen (12) strömt ein zu
kühlendes Medium.
Die Kühlmatrizen
(12) sind von außen über ein
im Gehäuse
(4) fließendes
Kühlmedium
gekühlt, welches
auch zwischen die einzelnen Kühlmatrizen 12 gelangt.
Die Kammer (5) ist kühlmittelfrei.
In der Kammer (5) befindet sich ein Bypass (8),
welcher von den Wänden
der Kammer (5) beabstandet ist, so dass der Bypass (8)
spaltisoliert ist. Vorzugsweise befindet sich in der Kammer (5)
schlicht Luft.
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In 9 ist
ein AGR-Kühler
(15) in perspektivischer Ansicht dargestellt. Über die
Stutzen (9, 90) wird Kühlmittel, vorzugsweise Kühlmittel
aus dem Kühlkreislauf
der Brennkraftmaschine, also in der Regel Wasser, zu- und abgeführt. Die Öffnungen
im Gehäuse
für die
Stutzen oder Rohre (9, 90) werden dabei zum Beispiel
mechanisch eingearbeitet. Anschließend werden die Stutzen eingelötet oder
angeschweißt.
Die offenen Enden (16, 17) des Wärmetauschers 15 werden
abgedichtet und mit einem Trichter zur Zu- und Abführung des
Abgases versehen. Optional kann noch ein AGR-Ventil eingebaut werden. Da die Wärmeleitfähigkeit
von Aluminium besser ist als die von Edelstahl, lassen sich bei
gleicher Baugröße bessere
Kühlleistungen
erreichen. Durch das Strangpressverfahren ist der Wärmetauscher
(15) preisgünstig
und ein fach herzustellen und im Übrigen
besitzt er ein geringeres Gewicht als ein vergleichbarer AGR-Kühler aus
Edelstahl.