DE102009039833A1

DE102009039833A1 - Wärmeübertragungsvorrichtung sowie Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wärmeübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102009039833A1
Application number: DE102009039833A
Authority: DE
Inventors: Axel Hemsing; Frank Langner
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-10
Also published as: EP2299225A2

Abstract

Zur Verbesserung der Festigkeit und des Wirkungsgrades von im Druckguss hergestellten Wärmeübertragungsvorrichtungen wird vorgeschlagen, dass im ersten Abschnitt (14) des Grundgehäuseteils (12) zwei gegenüberliegende Umfangswände (20, 26) durch Rippen (24) fest miteinander verbunden sind. Dies wird erreicht, indem nach dem Gießen des Grundgehäuseteils (12) und vor dem Verbinden des Deckelteils (22ntformen der Rippen (24) des ersten Abschnitts (14) von einer Vorderseite (8) des Grundgehäuseteils (12) aus der Gießform gezogen wird und ein Formeinsatz zum Entformen der Rippen (30) des zweiten Abschnitts (16) von der offenen Umfangswand (20) aus der Gießform gezogen wird. So entsteht eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit verbessertem Wirkungsgrad und erhöhter Bauteilefestigkeit durch Verringerung der druckbelasteten Sprengfläche.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Außengehäuse, einem Innengehäuse, welches im Außengehäuse angeordnet und vom Kühlmittel umströmt sowie von einem zu kühlenden Medium durchströmbar ist, und welches ein Grundgehäuseteil aufweist, welches einen ersten, über den Umfang geschlossenen Abschnitt aufweist und einen zweiten über den Umfang einseitig offenen Abschnitt aufweist, der durch ein Deckelteil verschlossen ist sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wärmeübertragungsvorrichtung, bei dem die Wärmeübertragungsvorrichtung im Druckgussverfahren hergestellt wird und das Deckelteil mit dem Grundgehäuseteil durch Schweißen, insbesondere Reibrührschweißen, verbunden wird.
Derartige Wärmeübertragungsvorrichtungen 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 dem vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal, so dass zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse ein Kühlmittelmantel entsteht.
Eine derartige Wärmeübertragungsvorrichtung wird beispielsweise in der DE 10 2005 058 204 B4 offenbart. Dieser im Druckgussverfahren hergestellte Wärmetauscher weist einen Kühlmittelmantel zwischen Innengehäuse und Außengehäuse auf und wird U-förmig von Abgas durchströmt. Das Innengehäuse besteht aus einem Grundgehäuseteil, welches durch einen Deckel verschlossen ist. Vom Deckel und vom Boden des Grundgehäuseteils erstrecken sich zur Verbesserung des Wirkungsgrades unterbrochene Rippen in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Wand. Um über eine möglichst lange Laufstrecke des Abgases Rippen anordnen zu können, die sich in den Kanal erstrecken, wird der Bereich des Grundgehäuseteils, in dem eine geschlossene Umfangswand vorliegt, möglichst kurz gehalten. So kann ein Formeinsatz zur Formung der Rippen von der Seite des Deckelteils aus dem Grundgehäuseteil nach dem Gießen entfernt werden.
Nachteilig an einem derartig aufgebauten Wärmeübertrager ist jedoch, dass sich Probleme mit der Festigkeit des Wärmetauschers und seiner einseitig befestigten Rippen im Betrieb ergeben.
Es stellt sich somit die Aufgabe, eine Wärmeübertragungsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wärmeübertragungsvorrichtung bereitzustellen, mittels derer die Bauteilefestigkeit im Vergleich zum Stand der Technik erhöht wird und gleichzeitig verbesserte Kühlerwirkungsgrade erzielt werden können. Bei der Herstellung sollen möglichst Kosten eingespart werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Dadurch, dass im ersten Abschnitt des Grundgehäuseteils zwei gegenüberliegende Umfangswände durch Rippen fest miteinander verbunden sind, werden die Rippen im ersten Abschnitt von beiden gegenüberliegenden Seiten gekühlt. Es wird somit Wärme in beide Richtungen abgegeben. Zusätzlich erhöht sich bei gleicher Baugröße die Wärmeübertragungsfläche, da die Rippen bereits vom Einlass an ausgebildet werden können. Dazu wird nach dem Gießen des Grundgehäuseteils und vor dem Verbinden des Deckelteils mit dem Grundgehäuseteil ein Schieber zum Entformen der Rippen des ersten Abschnitts von einer Frontseite des Grundgehäuseteils aus der Gießform gezogen und ein Formeinsatz zum Entformen der Rippen des zweiten Abschnitts von der offenen Umfangswand aus der Gießform gezogen. Durch die Verwendung des zusätzlichen Schiebers wird keine zusätzliche Zeit benötigt. Stattdessen kann der erste Abschnitt ohne Wirkungsgradverluste deutlich länger gestaltet werden, so dass die Länge der Schweißnaht bei der Befestigung des Deckels sinkt. Hierdurch können Bearbeitungszeit und somit Bearbeitungskosten gesenkt werden. Zusätzlich wächst die Festigkeit der Wärmeübertragungsvorrichtung durch die erhöhte Steifigkeit des Grundgehäuseteils und die Verringrung der Deckelgröße und somit Schweißnahtlänge.
Vorzugsweise erstrecken sich die Rippen in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Fluids über den gesamten ersten Abschnitt. Somit wird die maximale Kühlwirkung der Rippen und gleichzeitig die maximale Steifigkeit des Grundgehäuseteils erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführung weisen die Rippen im Bereich der geschlossenen Umfangswand in Hauptströmungsrichtung eine größere Ausdehnung auf als die in Hauptströmungsrichtung folgenden unterbrochenen Rippen. Somit bildet sich in diesem Bereich zunächst eine gleichmäße Strömung ohne Abrisse auf, wodurch Druckverluste vermindert werden. Gleichzeitig wird im Vergleich zu bekannten Ausführungen die druckbelastete Sprengfläche verkleinert, so dass eine verbesserte Festigkeit erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführung ist der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal U-förmig ausgebildet, wobei eine im ersten Abschnitt angeordnete Rippe als Trennwand dient, über die ein Einlassbereich von einem Auslassbereich getrennt ist. Im Vergleich zu anderen Kühlern kann durch die U-Form der axiale Bauraum verringert werden. Gleichzeitig wird ein Überströmen der Trennwand durch die beidseitige Anbindung der als Trennwand dienenden Rippe zuverlässig verhindert, wodurch wiederum der Wirkungsgrad der Wärmeübertragungsvorrichtung erhöht wird, da Kurzschlussströme vermieden werden, die sonst vor allem in Bereichen höchsten Druckgefälles, also zwischen Einlass und Auslass auftreten.
In einer weiterführenden Ausführung erstreckt sich die als Trennwand dienende Rippe in den zweiten Abschnitt des Grundgehäuseteils, wobei das Deckelteil auf der als Trennwand dienenden Rippe im zweiten Abschnitt aufliegt. Auch hierdurch werden weitestgehend Kurzschlussströme verhindert, da keine Lücken in der Trennwand vorhanden sind und die vergleichmäßigte Strömung aus dem ersten Abschnitt zunächst nicht zum Überströmen der Trennwand tendiert.
Es wird somit eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit verbessertem Wirkungsgrad geschaffen, bei der gleichzeitig durch die Verringerung der Deckelgröße die druckbelastete Sprengfläche vermindert wird, so dass höhere Bauteilfestigkeiten entstehen. Gleichzeitig werden die Herstellkosten insbesondere durch Verkürzung der Schweißnaht verringert.
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Innengehäuses einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Innengehäuses mit teilweise aufgeschnittenem Grundkörper.
In der 1 ist ein Innengehäuse 2 einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung dargestellt, welches im zusammengebauten Zustand von einem nicht dargestellten Außengehäuse umgeben ist, das von einer geschlossenen Rückseite 4 des Innengehäuses 2 gegen einen vorderen Flansch 6 des Innengehäuses 2 geschoben wird und dort verschweißt wird. So entsteht zwischen dem Außengehäuse und dem Innengehäuse 2 ein Kühlmittelmantel, der das Innengehäuse 2 mit Ausnahme einer offenen Vorderseite 8 des Innengehäuses 2 vollständig umgibt. Durch am Innengehäuse 2 ausgebildete Stege 10 kann der Kühlmittelstrom im Kühlmittelmantel zwangsgeführt werden, so dass Todräume vermieden werden und eine gleichmäßige Kühlung des gesamten Innengehäuses 2 erreicht wird.
Das Innengehäuse 2 weist ein Grundgehäuseteil 12 auf, welches von der Vorderseite 8 zur Rückseite 4 betrachtet, zwei hintereinander liegende Abschnitte 14, 16 aufweist. Der erste Abschnitt 14 weist eine geschlossene Umfangswand 18 bestehend aus vier im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordneten Seitenwänden auf. Der folgende, zweite Abschnitt 16 weist über seinen Umfang eine offene obere Umfangswand 20 auf, welche in den Figuren durch ein im Wesentlichen plattenförmiges Deckelteil 22 verschlossen ist.
Der erste Abschnitt 14 des Grundgehäuseteils 12 weist Rippen 24 auf, die sich von der oberen Umfangswand 20 zur unteren Umfangswand 26 und über die gesamte Länge des ersten Abschnitts 14 erstrecken. Sie sind einstückig mit der geschlossenen Umfangswand 18 hergestellt, wie im Weiteren noch beschrieben wird. Dies bedeutet auch, dass eine feste Verbindung zwischen den Rippen 24 und den gegenüberliegenden Umfangswänden 20, 26 besteht, die somit nicht nur durch die seitlichen Umfangswände 28 sondern auch durch die Rippen 24 miteinander verbunden sind.
Im zweiten Abschnitt 16 erstrecken sich Rippen 30 abwechselnd vom Deckelteil 22 und von der unteren Umfangswand 26 des Grundgehäuseteils 12 in das Innere des Innengehäuses 2. Sie enden jeweils vor der gegenüberliegenden Wand. Diese Rippen 30 stehen zusätzlich in Reihen hintereinander, wobei die aufeinanderfolgenden Reihen versetzt zueinander angeordnet sind.
Eine der Rippen, welche im mittleren Bereich der offenen Vorderseite 8 angeordnet ist, wird ohne Unterbrechung aus dem ersten Abschnitt 14 bis in den zweiten Abschnitt 16 des Innengehäuses 2 weitergeführt. Diese Rippe dient als Trennwand 32 und endet vor der geschlossenen Rückseite 4, so dass hier eine U-förmige Umlenkung eines zu kühlenden Medienstroms stattfindet. Im ersten Abschnitt 14 wird somit durch die Trennwand 32 ein Einlassbereich 34 des Innengehäuses 2 von einem Auslassbereich 36 getrennt. Im zweiten Abschnitt 16 erstreckt sich diese als Trennwand 32 dienende Rippe von der unteren Umfangswand 26 in Richtung zur gegenüberliegenden oberen Umfangswand 20, an der das Deckelteil 22 lose auf der Trennwand 32 aufliegt. Hier muss gegebenenfalls ein geringer Abstand eingehalten werden, um Spannungen durch ein festes Aufliegen des Deckelteils 22 auf der Trennwand 32 nach dem Verbinden des Deckelteils 22 mit dem Grundgehäuseteil 12 zu vermeiden. Da in diesem Bereich das Druckgefälle zwischen den beiden Durchströmhälften bereits deutlich geringer ist als am Einlassbeziehungsweise Auslassbereich sind die entstehenden Kurzschlussströme weitestgehend zu vernachlässigen.
Im Inneren des Innengehäuses 2 wird ein vom zu kühlenden Medium durchströmbarer Kanal 38 ausgebildet, der jeweils durch eine seitliche Umfangswand 28, die Trennwand 32, sowie einen Teil der oberen Umfangswand 20 und der unteren Umfangswand 26 begrenzt ist.
Ein Gasstrom eines zu kühlenden Mediums kann entsprechend über den an der Vorderseite 8 ausgebildeten Einlassbereich 34 in das Innengehäuse 2 einströmen. Das Gas strömt weiter durch den ersten Abschnitt 14 an einer Seite der Trennwand 32 vorbei durch die Rippen 24. Hierdurch wird eine Hauptströmungsrichtung A des Mediums festgelegt. Anschließend, im zweiten Abschnitt 16, können durch die Unterbrechungen zwischen den Rippen 30 Querströmungen entstehen, wobei die Hauptströmungsrichtung A erhalten bleibt. Am Ende der Trennwand 32 findet eine Umkehrung der Gasströmung entlang der halbrunden Rückseite 4 des Innengehäuses 2 statt. Nach Durchströmen des Umkehrbereiches setzt sich die Strömung in nun entgegengesetzter Hauptströmungsrichtung A bis zum Auslassbereich 36 an der Vorderseite 8 fort. Durch den Kontakt des Gases zu den Seitenwänden 20, 26, 28, 32 und den Rippen 24, 30 erfolgt eine sehr gute Wärmeabfuhr vom zu kühlenden Medium über die Wärmeaustauschflächen zum Kühlmittel.
Insbesondere im ersten Abschnitt 14 der Wärmeübertragungsvorrichtung ist der Wärmeübergang sehr gut, da die Wärme aus den Rippen 24 zu beiden Seiten hin abgeführt werden kann, was in folgenden Bereichen nicht möglich ist.
Eine derartige Wärmeübertragungsvorrichtung wird hergestellt, indem eine Druckgussform mit einem die Rippen 24 bildenden Schieber und einem die Rippen 30 bildenden Formeinsatz verwendet wird, wobei der Schieber von der Vorderseite 8 eingeschoben ist und nach dem Gießprozess zur Vorderseite entformt werden kann während der Formeinsatz von der Oberseite 20 in der Druckgussform aufgeschoben und nach dorthin auch zur Entformung ausgezogen wird. Durch die Verwendung dieser zwei Formungsteile können im ersten Abschnitt durchgehende Rippen 24 über den Schieber hergestellt werden, die die gegenüberliegenden Umfangswände 20, 26 miteinander verbinden, während der Formeinsatz die unterbrochenen Rippen 30 formt, welche sich von der unteren Umfangswand 26 nach oben erstrecken. Beide Arten von Rippen 24, 30 weisen in Entformungsrichtung einen sich verringernden Querschnitt auf, so dass die Rippen 24 im ersten Abschnitt 14 in Hauptströmungsrichtung keilförmig sind, während die Rippen 30 in ihrem jeweiligen zur Befestigungswand weisenden Abschnitt einen größeren Querschnitt aufweisen, um eine saubere Entformung sicherstellen zu können.
Nach dem Herstellen des Grundgehäuseteils 12 und des Deckelteils 22 im Druckgussverfahren können beide durch Reibrührschweißen miteinander verbunden werden. Anschließend wird das ebenfalls gegossene Außengehäuse von der Rückseite 4 über das Innengehäuse 2 geschoben und mit diesem am Flansch 6 verschweißt oder unter Zwischenlage einer Dichtung verschraubt.
Es sollte deutlich sein, dass es nicht möglich ist, ein derartiges U-förmiges Innengehäuse mit Rippen einteilig im Druckgussverfahren herzustellen. Es ist daher erforderlich ein zumindest zweiteiliges Innengehäuse herzustellen, bei dem einerseits ein hoher Kühlerwirkungsgrad erreicht wird und andererseits eine hohe Bauteilfestigkeit erzielt werden soll. Aus diesem Grund wurde der erste Abschnitt möglichst maximiert, ohne im Folgenden auf die Anbringung von Rippen verzichten zu müssen, welche im nicht mehr geradlinig und somit nicht mehr zur Frontseite entformbaren Bereich nur durch einen weiteren Schieber herstellbar sind, so dass ein Deckelteil verwendet werden muss. Auf diese Weise entsteht jedoch eine minimierte druckbelastete Sprengfläche sowie eine deutliche Verkürzung der Schweißnaht und somit der Schweißzeit, wodurch Herstellkosten verringert werden. Zusätzlich ist die Gefahr eines Abbrechens der hochbelasteten ersten angeströmten Rippen durch die beidseitige Anbindung ans Gehäuse minimiert. Durch diese beidseitige Anbindung der Rippen am Gehäuse wird dieses wiederum steifer und stabiler. Gleichzeitig steigt der Kühlerwirkungsgrad hierdurch ebenso wie durch die vollständige Anordnung von Rippen über die gesamte Lauflänge.
Selbstverständlich sind innerhalb des Schutzbereichs der Hauptansprüche konstruktive Änderungen denkbar. Insbesondere die Anordnung und Befestigung des Innengehäuses zum beziehungsweise am Außengehäuse, die Anordnung der Stege auf dem Innengehäuse und die Ausformung der Rippen im Innengehäuse lassen sich unterschiedlich ausführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005058204 B4 [0003]

Claims

Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Außengehäuse, einem Innengehäuse, welches im Außengehäuse angeordnet und vom Kühlmittel umströmt sowie von einem zu kühlenden Medium durchströmbar ist, und welches ein Grundgehäuseteil aufweist, welches einen ersten, über den Umfang geschlossenen Abschnitt aufweist und einen zweiten über den Umfang einseitig offenen Abschnitt aufweist, der durch ein Deckelteil verschlossen ist, wobei sich in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal Rippen erstrecken, welche in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Fluids unterbrochen sind, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Abschnitt (14) des Grundgehäuseteils (12) zwei gegenüberliegende Umfangswände (20, 26) durch Rippen (24) fest miteinander verbunden sind.
Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippen (24) in Hauptströmungsrichtung (A) des zu kühlenden Fluids über den gesamten ersten Abschnitt (14) erstrecken.
Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (30) im Bereich der geschlossenen Umfangswand (18) in Hauptströmungsrichtung (A) eine größere Ausdehnung aufweisen als die in Hauptströmungsrichtung (A) folgenden unterbrochenen Rippen (30).
Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal (38) U-förmig ausgebildet ist, wobei eine im ersten Abschnitt (14) angeordnete Rippe als Trennwand (32) dient, über die ein Einlassbereich (34) von einem Auslassbereich (36) getrennt ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die als Trennwand (32) dienende Rippe in den zweiten Abschnitt (36) des Grundgehäuseteils (12) erstreckt, wobei das Deckelteil (22) auf der als Trennwand (32) dienenden Rippe im zweiten Abschnitt (16) aufliegt.
Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung im Druckgussverfahren hergestellt wird und das Deckelteil mit dem Grundgehäuseteil durch Schweißen, insbesondere Reibrührschweißen, verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Gießen des Grundgehäuseteils (12) und vor dem Verbinden des Deckelteils (22) mit dem Grundgehäuseteil (12) ein Schieber zum Entformen der Rippen (24) des ersten Abschnitts (14) von einer Vorderseite (8) des Grundgehäuseteils (12) aus der Gießform gezogen wird und ein Formeinsatz zum Entformen der Rippen (30) des zweiten Abschnitts (16) von der offenen Umfangswand (20) aus der Gießform gezogen wird.