Wärmetauscheranordnung, Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauscheranordnung und Brennkraftmaschine mit Wärmetauscheranordnung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung, ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauscheranordnung und eine Brennkraftmaschine mit Wärmetauscheranordnung.

Stand der Technik

US2014326222A1 offenbart eine Wärmetauscheranordnung in Form eines Saugrohrs mit integriertem Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine. Der Ladeluftkühler ist vom Saugrohr umgeben und mit einer umlaufenden Elastomerdichtung gegen das Saugrohr abgedichtet, um ein unerwünschtes Umgehen des Ladeluftkühlers durch die erhitzte La deluft zu vermeiden.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Wärmetauscheranordnung anzu geben.

Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Wärmetauscheranordnung.

Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer Brennkraftmaschine mit einer solchen Wär metauscheranordnung.

Die vorgenannte Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung gelöst durch eine Wär metauscheranordnung mit einem Wärmetauscher, der von einem Gehäuse umgeben ist, wobei das Gehäuse von einem Fluid durchströmbar ist und einen Fluideingang und einen Fluidausgang für das Fluid aufweist, wobei der Wärmetauscher zwischen Fluideingang und Fluidausgang für das Fluid durchströmbar angeordnet ist. Das Gehäuse weist eine Dichtkontur auf, mit welcher der Wärmetauscher an seinem Fluideingang oder Fluid ausgang formschlüssig verbunden ist. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wärmetauscheranordnung mit Gehäuse und Wärmetauscher gelöst, indem eine Dichtfläche einer Dichtkontur im Gehäuse aufgeschmolzen und an eine Dichtfläche des Wärmetauschers gepresst wird. Durch eine plastische Verformung wird die Dichtkontur dichtend an die Dichtfläche des Wärmetauschers angelegt und verbleibt in der dichtenden Position.

Unter "dicht" wird im Sinne der Anmeldung verstanden, dass bei vorgesehenen Be triebszuständen der Brennkraftmaschine die durch das Gehäuse strömende Luft durch den Wärmetauscher hindurch geleitet wird und nicht innerhalb des Gehäuses außen an dem Wärmetauscher vorbeiströmt. Die Dichtkontur kann so in den vorgesehenen Be triebszuständen einer Brennkraftmaschine eine Bypass-Strömung um den Wärme tauscher innerhalb des Gehäuses verhindern.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Brennkraft maschine mit einer solchen Wärmetauscheranordnung gelöst.

Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren An sprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

Es wird eine Wärmetauscheranordnung vorgeschlagen mit einem Wärmetauscher, der von einem Gehäuse umgeben ist. Das Gehäuse ist von einem Fluid durchströmbar und weist einen Fluideingang und einen Fluidausgang für das Fluid auf, wobei der Wärme tauscher zwischen Fluideingang und Fluidausgang für das Fluid durchströmbar angeord net ist. Das Gehäuse weist eine Dichtkontur auf, mit welcher der Wärmetauscher an seinem Fluideingang oder Fluidausgang formschlüssig verbunden ist.

Der Wärmetauscher kann einen einzigen Fluideingang und/oder Fluidausgang auf weisen. Dann kann die Dichtkontur so ausgebildet sein, dass diese an einer Innenwand des Gehäuses umlaufend ausgebildet ist. Der Wärmetauscher kann optional auch meh rere Kühlbereiche umfassen, so dass die Dichtkontur so ausgebildet ist, dass diese den jeweiligen Fluideingang oder den jeweiligen Fluidausgang der Kühlbereiche umgibt. Eine formschlüssige Verbindung kann erreicht werden, wenn die Dichtkontur des Gehäu ses und des Dichtbereichs des Wärmetauschers aus unterschiedlichen Materialien be stehen. Beispielsweise kann die Dichtkontur aus Kunststoff und der Dichtbereich des Wärmetauschers aus Metall gebildet sein.

Vorteilhaft kann die Dichtkontur Bestandteil des Gehäuses sein, insbesondere kann die Dichtkontur materialschlüssig mit dem Gehäuse ausgebildet sein.

Die Dichtkontur kann dabei als eigenständige Kontur materialeinheitlich und einstückig von dem Gehäuse ausgebildet sein. Die Dichtkontur kann ähnlich einer Dichtlippe an dem Gehäuse angeformt sein. Vorzugsweise kann eine Dichtkontur in Form einer Rippe vor gesehen sein, die außer der Dichtfunktion keine weiteren Funktionen aufweist.

Vorteilhaft kann beim Fügeprozess der Wärmetauscheranordnung eine separate Dich tung eingespart werden. Dadurch werden Fehlmontagen und damit möglicherweise un erkannte Leckagen vermieden. Ferner vorteilhaft sind Kosteneinsparungen durch den Entfall separater Elastomerdichtungen und den Entfall des Montageprozess der separa ten Dichtungen.

Durch die formschlüssige Verbindung zwischen Wärmetauscher und Dichtkontur können Toleranzen zwischen den Bauteilen Wärmetauscher und Gehäuse ausgeglichen werden. Darüber hinaus kann der notwendige Bauraum für den Wärmetauscher im Gehäuse deutlich reduziert werden. Der reduzierte Bauraumbedarf ermöglicht günstigerweise ein optimiertes Design hinsichtlich Berstdruck und Druckpulsation des Gehäuses.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung kann das Gehäuse aus wenigstens zwei Schalen gebildet sein, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in Strömungsrichtung des Fluids aufeinander folgen. Insbesondere kann eine Schale mit der anderen Schale an einer Kontaktstelle verbunden sein, insbesondere angeschweißt, sein. Vorteilhaft kann in den Schweißprozess die plastische Verformung der Dichtkontur integriert sein.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung kann die Dichtkontur an einer Innenwand der einen Schale angeordnet sein, insbesondere angeformt sein. Es kann eine für den Einbau des Wärmetauschers günstige Position und Geometrie für die Dichtkontur gewählt werden. Beispielsweise kann die Dichtkontur in Form einer umlau fenden Rippe ausgebildet sein, die den Fluidausgang oder Fluideingang des Wärme tauschers umgibt.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung kann zumindest die Dichtkontur einen Bereich mit Dichtfläche aufweisen, welche den Wärmetauscher kon taktiert, wobei zumindest der Bereich aus Kunststoff gebildet sein kann. Insbesondere können das Gehäuse und die Dichtkontur aus Kunststoff gebildet sein, vorzugsweise einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise einem Polyamid, beispielsweise mit einem Füllstoff wie Glasfaser oder anderen bekannten Zusatzstoffen. Zweckmäßiger weise kann die Dichtkontur innerhalb eines Verbindungsflanschs der einen Schale ange ordnet sein. Vorteilhaft kann die Rippe der Schale während des Schweißprozesses, der in erster Linie der luftdichten Verbindung der Schalen miteinander dient, an ihrer Stirn seite angeschmolzen und während eines Fügeprozesses mit einem wärmetauscher seitigen Dichtbereich, beispielsweise einem Flansch, dicht verbunden werden. Durch die zusätzliche Schweißung, d.h. das Aufschmelzen bzw. die plastische Verformung des Materials an der Stirnseite der Rippe können Bauteiltoleranzen zwischen dem Dichtbe reich des Wärmetauschers und der Dichtkontur einfach ausgeglichen werden. Auch eine unterschiedliche Wärmedehnung der Materialien von Wärmetauscher und Gehäuse kann durch die Dichtung ausgeglichen werden. Der reduzierte Bauraumbedarf für den Wärme tauscher ermöglicht zudem ein optimiertes Design hinsichtlich Berstdruck und Druck pulsation des Gehäuses.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung kann eine Dicht fläche der Dichtkontur zum Wärmetauscher koplanar mit einer Dichtfläche der einen Schale zur anderen Schale sein. Dies erlaubt einen günstigen Fügeprozess des Wärme tauschers mit der Dichtkontur, während die Schalen des Gehäuses miteinander verbun den werden. Optional kann der Wärmetauscher jedoch auch gegenüber der Dichtfläche der Schalen geneigt sein und/oder einen Versatz aufweisen und/oder eine oder beide Dichtflächen können wellig ausgebildet sein.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung kann die Dichtfläche der Dichtkontur zum Wärmetauscher mit der Dichtfläche der einen Schale zur anderen Schale fluchten. Dies erlaubt einen günstigen Fügeprozess des Wärmetauschers mit der Dichtkontur, während die Schalen des Gehäuses miteinander verbunden werden. Optio nal kann der Wärmetauscher jedoch auch gegenüber der Dichtfläche der Schalen geneigt sein und/oder einen Versatz aufweisen und/oder eine oder beide Dichtflächen können wellig ausgebildet sein.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung kann der Wärme tauscher vollständig vom Gehäuse umgeben sein. Vorteilhaft kann durch die zuverlässige Abdichtung zum Gehäuse auf der Innenseite des Gehäuses ein unerwünschtes Um gehen des Wärmetauschers durch das Fluid erreicht werden. Insbesondere kann der Wärmetauscher in eine der Schalen vollständig eintauchen. Alternativ kann der Wärme tauscher in beide Schalen eintauchen. Die Anordnung des Wärmetauschers im Gehäuse kann abhängig von verfügbarem Bauraum gewählt werden.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung kann der Wärme tauscher einen Metallflansch, beispielsweise aus Aluminium, zur Verbindung mit der einen Schale aufweisen. Eine Kunststoff-Metall-Verbindung kann die Dichtheit der Ver bindung über die Lebenszeit der Wärmetauscheranordnung unterstützen. Die Verbin dung kann sich im Gegensatz zu einer üblichen Elastomerdichtung unter Temperaturein fluss und/oder dem Einfluss von Fluiden im Gehäuse nicht setzen.

Nach einer günstigen Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung kann der Wärme tauscher als Ladeluftkühler ausgebildet sein und das Gehäuse als Saugrohr oder Lade luftverteiler ausgebildet sein. Dies erlaubt eine kostengünstige Bereitstellung eines Saug rohrs oder Ladeluftverteilers mit reduziertem Bauraumbedarf des Wärmetauschers und einer langzeitstabilen Abdichtung des Wärmetauschers im Saugrohr. Unerwünschte Leckagen der Ladeluft um den Ladeluftkühler herum innerhalb des Gehäuses können vermieden werden.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Wär metauscheranordnung vorgeschlagen, umfassend ein Gehäuse und einen Wärmetau scher, der von dem Gehäuse umgeben ist, wobei das Gehäuse von einem Fluid durch- strömbar ist und einen Fluideingang und einen Fluidausgang für das Fluid aufweist Dabei ist der Wärmetauscher zwischen Fluideingang und Fluidausgang für das Fluid durch- strömbar angeordnet. Das Gehäuse weist dabei eine Dichtkontur auf, mit welcher der Wärmetauscher an seinem Fluideingang oder Fluidausgang formschlüssig verbunden ist. Eine Dichtfläche der im Gehäuse ausgebildeten Dichtkontur wird aufgeschmolzen und an einen Dichtbereich des Wärmetauschers gepresst.

Vorteilhaft braucht beim Fügeprozess keine separate Dichtung eingesetzt zu werden. Dadurch werden Fehlmontagen und damit unerkannte Leckagen vermieden. Dies ermög licht Kosteneinsparungen durch den Entfall zusätzlicher Elastomerdichtungen und den Entfall eines zusätzlichen Montageprozesses für Elastomerdichtungen. Günstigerweise können Toleranzen zwischen den Bauteilen ausgeglichen werden. Der Bauraumbedarf für den Wärmetauscher kann deutlich reduziert werden. Es kann eine langzeitstabile Ab dichtung zwischen Wärmetauscher und Gehäuse erreicht werden.

Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Aufschmelzen der Dicht fläche während eines Verbindungsprozesses, insbesondere eines Schweißprozesses, erfolgen, bei dem Schalen des Gehäuses miteinander verbunden werden. Dies ermög licht Kosteneinsparungen durch einen kompakten Verbindungsprozess, indem Gehäuse und Wärmetauscher in einem Verfahrensschritt zusammengefügt werden können. Optional können die Schalen jedoch auch miteinander verschraubt, vernietet oder mit Klammern verbunden sein.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einer er findungsgemäßen Wärmetauscheranordnung vorgeschlagen, wobei die Wärmetau scheranordnung ein Gehäuse und einen Wärmetauscher umfasst, wobei das Gehäuse als Saugrohr für Ladeluft ausgebildet ist und der Wärmetauscher als Ladeluftkühler im Saugrohr vorgesehen ist.

Vorteilhaft wird eine langzeitstabile Abdichtung zwischen Ladeluftkühler und Saugrohr erreicht. Der Bauraumbedarf des Ladeluftkühlers wird reduziert. Die besonderen Anfor derungen an die Luftdichtheit der internen Schnittstelle Ladeluftkühler zu Saugrohr kön nen erfüllt werden. Ein Bypass heißer Luft am Ladeluftkühler vorbei kann verhindert wer den bzw. die Luft kann möglichst vollständig durch den Ladeluftkühler geleitet werden, um die Kühlleistung, d.h. die Wärmeübertragung von der heißen Luft an das Kühlwasser, zu gewährleisten. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeich nungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Be schreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fach mann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen beispielhaft:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Saugrohrs mit integriertem Ladeluftkühler mit Elas tomerdichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Wärmetauscheranordnung nach einem Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 ein Detail einer Schnittstelle der Wärmetauscheranordnung nach Figur 2;

Fig. 4 einen schematischen Verfahrensablauf zur Herstellung einer Wärmetauscheran ordnung;

Fig. 5 in Explosionsdarstellung ein Saugrohr mit einem Ladeluftkühler nach einem Aus führungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 als Draufsicht auf eine Schale des Saugrohrs in Figur 5 mit angedeuteter ge stufter Schnittebene A;

Fig. 7 eine Draufsicht entsprechend der Schnittebene A auf das Saugrohr und den Ladeluftkühler aus Figur 5 mit einer angedeuteten Schnittebene B durch das Saugrohr; und

Fig. 8 eine Draufsicht auf den Ladeluftkühler in Figur 5 in der Schnittebene B.

Ausführungsform der Erfindung

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu ver stehen.

Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Saugrohrs 50 mit integriertem Ladeluftkühler mit einer eingelegten, separaten Elastomerdichtung zwischen Ladeluftkühler 12 und Saugrohr 50 nach dem Stand der Technik. Die Elastomerdichtung 22 muss in einem se paraten Montageschritt angebracht werden. Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Wärmetauscheranordnung 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 3 zeigt ein Detail einer Schnittstelle der Wärme tauscheranordnung 100 nach Figur 2.

Die Wärmetauscheranordnung 100 umfasst einen Wärmetauscher 10, der von einem Gehäuse 52 umgeben ist. Das Gehäuse 52 ist von einem Fluid durchströmbar und weist einen Fluideingang 54 und einen Fluidausgang 56 für das Fluid auf. Der Wärmetauscher 10 ist zwischen Fluideingang 54 und Fluidausgang 56 für das Fluid durchströmbar ange ordnet. Das Gehäuse 52 weist eine beispielsweise eine in Teilen oder ganz umlaufende Dichtkontur 80 auf, mit welcher der Wärmetauscher 10 formschlüssig verbunden ist.

Das Gehäuse 52 ist beispielsweise als Saugrohr 50 ausgebildet und der Wärmetauscher 10 als Ladeluftkühler 12.

Das Gehäuse 52 ist aus zwei Schalen 58, 60 gebildet, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in Strömungsrichtung 90 des Fluids aufeinander folgen. Die eine Schale 58 ist mit der anderen Schale 60 an einer Kontaktstelle 70 zwischen den Flanschen 72 der einen Schale 58 und 74 der anderen Schale 60 verschweißt. Optional können die Schalen jedoch auch miteinander verschraubt, vernietet oder mit Klammern verbunden sein.

Der Wärmetauscher 10 ist vollständig vom Gehäuse 52 umgeben und taucht in die Scha le 58 vollständig ein, welche der Schale 60 mit der Dichtkontur 80 gegenüberliegt. Dabei ist der Wärmetauscher 10 mit einem Element 24 an seinem der Dichtkontur 80 entfernten Ende in eine Aufnahme 62 der Schale 58 eingesteckt.

Die Dichtkontur 80 ist in diesem Ausführungsbeispiel als umlaufende Rippe an der Innen seite der einen Schale 60 angeformt und umgibt den Fluidausgang des Wärmetauschers 10 vollständig. Eine Dichtfläche 82 der Dichtkontur 80 zum Wärmetauscher 10 ist kopla- nar mit einer Dichtfläche 76 der einen Schale 60 zur anderen Schale 58 ausgebildet. Dies erleichtert das Zusammenfügen der Bauteile. Selbstverständlich kann die Anordnung auch so gewählt sein, dass die Dichtkontur 80 den Fluideingang des Wärmetauschers umgibt. In diesem Ausführungsbeispiel fluchtet die Dichtfläche 82 der Dichtkontur 80 zum Wär metauscher 10 innerhalb des Gehäuses mit der Dichtfläche 76 der einen Schale 60 zur anderen Schale 58 nach außen.

Das Gehäuse 52 mit der Dichtkontur 80 ist beispielsweise aus Kunststoff gebildet.

Der Wärmetauscher 10 ist an seiner Stirnseite 14 mit einem Flansch 16 ausgestattet und an die Dichtkontur 80 gepresst. Die Stirnseite 14 ist beispielsweise das ausströmseitige Ende des Wärmetauschers, aus dem das Fluid aus dem Wärmetauscher 10 austritt.

Der Flansch 16 ist beispielsweise ein Metallflansch, beispielsweise aus Aluminium. Die Dichtkontur 80 kontaktiert mit der Dichtfläche 82 den Flansch 16 an der Dichtfläche 18.

Vorteilhaft wird die Dichtfläche 82 der Dichtkontur 80 im Schweißprozess, bei dem die beiden Schalen 58, 60 an ihren Flanschen 72, 74 verbunden werden, aufgeschmolzen und plastifiziert und an den Dichtbereich 18 des Wärmetauschers 10 gepresst, wo die Dichtkontur erstarrt. Sind die Schalen 58, 60 zusammengeführt, ist der Wärmetauscher 10 zwischen der Aufnahme 62 und der Dichtkontur 80 geklemmt.

Figur 4 erläutert schematisch den Verfahrensablauf.

In Schritt S100 werden zwei Schalen 58, 60 bereitgestellt, von denen die eine mit einer Dichtkontur 80 versehen ist und in der anderen Schale 58 der Wärmetauscher 10 einge steckt ist.

In Schritt S102 wird die Dichtfläche 82 der Dichtkontur 80 angeschmolzen und an den Flansch 16 des Wärmetauschers 10 an seinem Flansch 16angepresst, indem die Scha len 58, 60 zusammengeführt werden. Flierdurch können Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden.

In Schritt S104 werden die Flansche 72, 74 der Schalen 58, 60 miteinander verbunden, insbesondere verschweißt und eine luftdichte Verbindung zwischen den Schalen 58, 60 hergestellt. Figuren 5 bis 8 zeigen verschiedene Ansichten eines Saugrohrs 50 mit einem Ladeluft kühler 12 entsprechend der vorstehend beschriebenen Wärmetauscheranordnung 100.

Figur 5 zeigt in Explosionsdarstellung das Saugrohr 50 mit zwei Schalen 58, 60, zwischen denen der Ladeluftkühler 12 angeordnet ist. Der Ladeluftkühler 12 weist zwei separate Kühlbereiche auf, die durch einen Zwischenraum 26 getrennt sind, der nicht durchströmt wird. Die Dichtkontor 80 ist in der Schale 60 angeordnet und mit unterbrochener Bezugs linie angedeutet.

Figur 6 zeigt das Saugrohr 50 als Draufsicht auf die Schale 58 des Saugrohrs 50. Die Schale 58 weist vier nicht näher bezeichnete Austrittsöffnungen auf, durch welche im Ladeluftkühler 12 gekühlte Luft aus dem Saugrohr 50 austritt. Die Strömungsrichtung 90 der Luft ist durch dicke Pfeile angedeutet.

Eine angedeutete gestufte Schnittebene A verläuft durch die Schale 60 und den Lade luftkühler 12.

Figur 7 zeigt die Draufsicht auf die Schnittebene A mit einer angedeuteten Schnittebene B. In der linken Bildhälfte verläuft die Schnittebene A durch einen Strömungsbereich der Schale 60, während in der rechten Bildhälfte der Ladeluftkühler 12 innerhalb des Saug rohrs 50 zu erkennen ist.

Der Ladeluftkühler 12 liegt am Fluideingang des jeweiligen Kühlbereichs an der Dicht kontur 80 in der Schale 60 an. Am Fluidausgang stützt sich der Ladeluftkühler 12 an einem nicht näher bezeichneten Absatz der Schale 58 ab.

Die Dichtkontur 80 umschließt, entsprechend der Strömungsrichtung 90 des Fluids in diesem Ausführungsbeispiel, der Fluideingang des Ladeluftkühlers 12. Die Schnittebene B liegt so, dass der Verbindungsflansch 74 der Schale 60 von der Schale 60 getrennt ist.

Es versteht sich jedoch, dass die Dichtungskontur 80 auch so angeordnet sein kann, dass der Fluidausgang des Ladeluftkühlers 12 umschlossen ist. Wie in Figur 8 in einer Draufsicht auf die Schnittebene B zu erkennen ist, ist der Ladeluft kühler 12 durch den nicht durchströmten Zwischenraum 26 in zwei Kühlbereiche mit je weils einem Fluideingang des Ladeluftkühlers 12 getrennt. Die Dichtungskontur 80 um schließt jeden Fluideingang vollständig.