Niedertemperaturkühlmittelkühler

Die Erfindung betrifft einen Niedertemperaturkühlmittelkühler zur indirekten Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Vielzahl von Flachrohren, die im Betrieb pro Stunde von 700 bis 1800 Litern Kühlmittel durchströmt werden und in Kühlmittelsammelkästen münden, wobei zwi¬ schen den Flachrohren Luftleiteinrichtungen, insbesondere Luftleitlamellen, angeordnet sind, die von zu kühlender Ladeluft umströmt werden.

Bei Ladeluftkühlern für Verbrennungskraftmaschinen kann die zu kühlende Ladeluft Temperaturen von bis zu 220 Grad Celsius oder höher aufweisen. Aufgrund der hohen Temperaturen können an der Eintrittsseite des Kühlers Schäden auftreten. Deshalb wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 62 391 A1 ein Ladeluftkühler vorgeschlagen, der durch mindestens zwei Kühlkreisläufe mit unterschiedlichen Kühlmitteltemperaturen gekennzeichnet ist, die jeweils durch Wärmeübertragerblöcke geführt sind, die in Strömungs¬ richtung der Luft hintereinander geschaltet sind. Der bekannte Ladeluftkühler umfasst einen Vorkühler, einen Hochtemperaturiadeluftkühler und einen Niedertemperaturladeluftkühler. Der Niedertemperaturiadeluftkühler wird über einen separaten Niedertemperaturkreislauf mit Kühlmittel beaufschlagt und wird daher auch als Niedertemperaturkühlmittelkühler bezeichnet. Das Kühlmittel weist beim Eintritt in den Niedertemperaturkühlmittelkühler bei¬ spielsweise eine Temperatur von 45 bis 60 Grad Celsius auf. Der Nieder¬ temperaturkreislauf wird zum Beispiel durch eine elektrische Kühlmittelpum- pe, die auch als Niedertemperaturkühlmittelpumpe bezeichnet wird, ange-

trieben. Der Kühlmitteldurchsatz des Niedertemperaturkühlmittelkühlers ist relativ gering und beträgt circa 700 bis 1800 Liter pro Stunde. Bekannte Nie¬ dertemperaturkühlmittelkühler weisen Flachrohre auf, die innen glatt ausge¬ bildet sind. Um ausreichende Strömungsgeschwindigkeiten für den inneren Wärmeübergang zu erreichen, sind bei innen glatt ausgebildeten Flachroh¬ ren drei oder mehr Umlenkungen erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Niedertemperaturkühlmittelkühler zur indirekten Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Viel- zahl von Flachrohren, die im Betrieb pro Stunde von 700 bis 1800 Litern Kühlmittel durchströmt werden und in Kühlmittelsammelkästen münden, wo¬ bei zwischen den Flachrohren Luftleiteinrichtungen, insbesondere Luftleitla¬ mellen, angeordnet sind, die von zu kühlender Ladeluft umströmt werden, zu schaffen, der über einen breiten Betriebsbereich des Kühlmitteldurchsatzes eine konstante Abkühlleistung gewährleistet.

Die Aufgabe ist bei einem Niedertemperaturkühlmittelkühler zur indirekten Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Vielzahl von Flachrohren, die im Betrieb pro Stunde von 700 bis 1800 Litern Kühlmittel durchströmt werden und in Kühlmittelsammelkästen münden, wobei zwi¬ schen den Flachrohren Luftleiteinrichtungen, insbesondere Luftleitlamellen, angeordnet sind, die von zu kühlender Ladeluft umströmt werden, durch die folgenden Merkmale gelöst: Die Flachrohre weisen eine Tiefe auf, die klei¬ ner/gleich 20 Millimeter ist; das die Flachrohre durchströmende Kühlmittel wird in den Sammelkästen maximal zweimal umgelenkt; und die Flachrohre sind innen mit Turbulenz erzeugenden Einrichtungen ausgestattet. Die zwi¬ schen den Flachrohren angeordneten Luftleiteinrichtungen werden im Be¬ trieb von Luft umströmt, die dem Kühlmittel im Inneren der Flachrohre Wär¬ me entzieht. Die Ausdehnung der Flachrohre in Luftdurchströmungsrichtung der Luftleiteinrichtungen wird als Tiefe der Flachrohre bezeichnet. Bekannte Niedertemperaturkühlmittelkühler sind mit Flachrohren ausgestattet, die in¬ nen glatt ausgebildet sind. Um ausreichende Strömungsgeschwindigkeiten für den inneren Wärmeübergang zu erreichen, sind drei oder mehr Umlen¬ kungen in den Sammelkästen erforderlich. Im Rahmen der vorliegenden Er- findung wurde herausgefunden, dass ein bei bekannten Niedertemperatur-

kühlmittelkühlern festgestellter kühlmittelseitiger Druckverlust auf einen aus¬ geprägten Einfluss der Kühlmittelviskosität und damit letztendlich auf die Umgebungstemperatur zurückzuführen ist. Zusammen mit einer flachen Pumpenkennlinie ergibt sich daraus eine starke Abhängigkeit des Kühlmit- teldurchsatzes und der Leistung von der Außentemperatur. Trotz mehrfacher Umlenkungen ist die Strömung in den bekannten Niedertemperaturkühlmit¬ telkühlern mit innen glatten Rohren laminar oder im Übergangsbereich la¬ minar bis turbulent. Die Leistung der bekannten Niedertemperaturkühlmittel¬ kühler ist damit stark abhängig vom Kühlmitteldurchsatz. Das kann dazu füh- ren, dass, insbesondere bei sehr tiefen Temperaturen, der Druckaufbau der Niederdrucktemperaturkühlmittelpumpe wegen des hohen Widerstands im Niedertemperaturkühlmittelkühler nicht ausreicht. Durch die erfindungsge¬ mäße Auslegung des Niederdrucktemperaturkühlmittelkühlers kann über einen breiten Betriebsbereich des Kühlmitteldurchsatzes eine nahezu kon- stante Abkühlleistung aufrechterhalten werden. Dadurch werden die Einflüs¬ se der Umgebungstemperatur und von Toleranzen auf die Ladeluftkühlung deutlich abgeschwächt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Niedertemperaturkühlmittelkühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre mit den Turbulenz erzeu¬ genden Einrichtungen so ausgelegt sind, dass das Verhältnis zwischen dem maximalen und dem minimalen Druckverlust in den Flachrohren bei einem Kühlmitteldurchsatz von 700 bis 1800 Litern pro Stunde kleiner als 3 ist. Da¬ durch wird ein schnelleres Ansprechen der indirekten Ladeluftkühlung bei tiefen Außentemperaturen erreicht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Niedertemperaturkühl¬ mittelkühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der maximalen und der minimalen Nusseltzahl in den Flachrohren bei einem Kühlmitteldurchsatz von 700 bis 1800 Litern pro Stunde kleiner als 3 ist. Die Nusseltzahl ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen dem Produkt aus der Wärmeübergangszahl mit einer charakteristischen Länge und der Wärme¬ leitfähigkeit des verwendeten Materials. Bei dem verwendeten Material han¬ delt es sich vorzugsweise um Aluminiumblech.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Niedertemperaturkühl¬ mittelkühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre an wenigstens einer ihrer Flachseiten nach innen gerichtete Einprägungen aufweisen. Die Einprägungen sind vorzugsweise entsprechend den Ausführungsbeispielen ausgebildet, die in der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 27 084 A1 of¬ fenbart sind.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Niedertemperaturkühl¬ mittelkühlers ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Flachrohren Turbu- lenzeinlagen angeordnet sind. Die Turbulenzeinlagen sind vorzugsweise mit ähnlichen Einprägungen ausgestattet, wie die vorab beschriebenen Flach¬ rohre.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeich¬ nung verschiedene Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben sind. Da¬ bei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungs¬ wesentlich sein. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Niedertem¬ peraturkühlmittelkühlers gemäß einem ersten Ausführungsbei¬ spiel;

Figur 2 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Figur 3 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in dem die Ladelufttempe¬ ratur nach dem Ladeluftkühler über dem Kühlmitteldurchsatz auf- getragen ist;

Figur 4 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in dem der Kühlmitteldruck über dem Kühlmitteldurchsatz aufgetragen ist und

Figur 5 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in dem die auf eine mini¬ male Nusseltzahl normierte Nusseltzahl beziehungsweise der auf einen minimalen Druckverlust normierte Druckverlust im Kühler¬ netz über dem Kühlmitteldurchsatz aufgetragen ist.

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Niedertemperaturkühlmittelkühler 1 schematisch und perspektivisch dargestellt. Der Niedertemperaturkühlmittel¬ kühler 1 umfasst einen oberen Sammelkasten 4, an dem ein Eintrittsstutzen 5 für Kühlmittel vorgesehen ist. Durch einen Pfeil 6 ist das in den oberen Sammelkasten 4 eintretende Kühlmittel angedeutet. Der Kühlmitteldurchsatz durch den erfindungsgemäßen Niedertemperaturkühlmittelkühler 1 ist größer als 0,2 und kleiner als 0,5 kg/s.

Der Niedertemperaturkühlmittelkühler 1 weist des Weiteren einen unteren Sammelkasten 8 auf, an dem ein Austrittsstutzen 9 für das Kühlmittel vorge¬ sehen ist. Das aus dem unteren Sammelkasten 8 austretende Kühlmittel ist durch einen Pfeil 10 angedeutet. Bei dem Kühlmittel handelt es sich vor¬ zugsweise um Wasser mit speziellen Zusätzen.

Zwischen dem oberen Sammelkasten 4 und dem unteren Sammelkasten 8 ist ein Wärmetauscherblock 12 vorgesehen, der eine Vielzahl von (nicht dar¬ gestellten) Flachrohren umfasst, die zwischen den Sammelkästen 4 und 8, die auch als Kühlmittelsammeikästen bezeichnet werden, verlaufen. Zwi¬ schen den Flachrohren sind Luftleitlamellen, zum Beispiel in Form von WeII- rippen angeordnet, die von zu kühlender Ladeluft umströmt werden.

In dem oberen Sammelkasten 4 ist eine erste Trennwand 17 angeordnet, durch die das durch den Eintrittsstutzen 5 in den Niedertemperaturkühlmitte- kühler 1 eintretende Kühlmittel entlang eines Pfeiles 18 ein erstes Mal um- gelenkt wird. In dem unteren Sammelkasten 8 ist eine zweite Trennwand 20 angeordnet, durch die das Kühlmittel entlang eines Pfeiles 21 ein zweites Mal in den Niedertemperaturkühlmittelkühlers 1 umgelenkt wird, bevor es durch den Austrittsstutzen 9 aus dem Niedertemperaturkühlmittelkühler 1 austritt.

Der Niedertemperaturkühlmittelkühler 1 ist vorzugsweise aus Aluminium¬ blech ausgebildet und weist eine Tiefe 23 von kleiner/gleich 20 Millimetern auf. Unter Umständen vorteilig weist der erfindungsgemäße Niedertempera¬ turkühler eine größere Breite als Höhe auf, wie in Fig. 1 beispielhaft darge- stellt ist.

In Figur 2 ist ein Niedertemperaturkühlmittelkühler 31 schematisch und per¬ spektivisch dargestellt. Der Niedertemperaturkühlmittelkühler 31 umfasst einen linken Sammelkasten 34, der mit einem Eintrittsstutzen 35 ausgestat- tet ist. Durch den Eintrittsstutzen 35 tritt, wie durch einen Pfeil 36 angedeutet ist, Kühlmittel in den linken Sammelkasten 34 ein. Der Massendurchsatz des Kühlmittels ist größer als 0,2 und kleiner als 0,5 kg/s. Außerdem ist der linke Sammelkasten 34 mit einem Austrittsstutzen 38 ausgestattet. Durch den Austrittsstutzen 38 tritt das Kühlmittel aus dem Niedertemperaturkühlmittel- kühler 31 aus.

Des Weiteren weist der Niedertemperaturkühlmittelkühler 31 einen rechten Sammelkasten 42 auf. Zwischen dem linken Sammelkasten 34 und dem rechten Sammelkasten 42 ist ein Wärmetauscherblock 44 ausgebildet. Der Wärmetauscherblock 44 umfasst eine Vielzahl von (nicht dargestellten) Flachrohren, die in horizontaler Richtung zwischen dem linken Sammelka¬ sten 34 und dem rechten Sammelkasten 42 verlaufen. Zwischen den Flach¬ rohren sind Luftleitlamellen, zum Beispiel in Form von Wellrippen, angeord¬ net, die von zu kühlender Ladeluft umströmt werden.

In dem linken Sammelkasten 34 ist eine erste Trennwand 48 vorgesehen, durch welche das durch den Eintrittsstutzen 35 in den Niedertemperatur¬ kühlmittelkühler 31 eintretende Kühlmittel entlang eines Pfeiles 49 ein einzi¬ ges Mal umgelenkt wird, bevor es durch den Austrittsstutzen 38 austritt. Der in Figur 2 dargestellte Niedertemperaturkühlmittelkühler 31 hat eine Tiefe 51 von maximal 20 Millimetern.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Niedertemperaturkühlmittelkühler weisen jeweils eine Bautiefe von maximal 20 Millimetern auf. Die Flachrohre der Niedertemperaturkühlmittelkühler sind mit Turbulenz erzeugenden Ober-

flächen, wie sie in den Figuren 2 bis 8 der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 27 084 A1 offenbart sind, oder mit Turbulenz erzeugenden Einschoben, die auch als Turbulatoren bezeichnet werden, sowie mit maximal zwei Um¬ lenkungen ausgestattet. Dadurch wird erreicht, dass das Verhältnis des Druckverlustes in den Rohren bei einem minimalen/maximalen Massenstrom (0,2 kg/s kleiner Massenstrom kleiner 0,5 kg/s) kleiner als 3 ist. Gleichzeitig variiert die Nusseltzahl zwischen maximalem und minimalem Kühlmittel¬ durchsatz maximal um den Faktor 3.

Wie in Fig. 2 beispielhaft dargestellt ist, ist es unter Umständen vorteilhaft, wenn der erfindungsgemäße Niedertemperaturkühler eine Breite aufweist, die kleiner als seine Höhe ist. Die Höhe ist dabei die Abmessung in Rohr¬ längsrichtung.

In Figur 3 ist die Ladelufttemperatur nach dem kühlmittelgekühlten Ladeluft¬ kühler in Grad Celsius über den Kühlmitteldurchsatz in kg/s aufgetragen. Anhand verschiedener Kennlinien ist die Auswirkung der erfindungsgemä¬ ßen Auslegung auf die Ladeluftabkühlung dargestellt. Anhand zweier Kenn¬ linien 53 ist die Ladeluftabkühlung für Kühler ohne turbulenzsteigernde Roh- rinnenseite mit einer laminaren Rohrströmung beziehungsweise einer Rohr¬ strömung im Umschlagbereich zwischen laminar und turbulent dargestellt. Mit 54 ist ein Bereich dargestellt, der wegen eines unerwünschten Siedens im Kühlmittel gekühlten Ladeluftkühler zu vermeiden ist. Mit 56 ist eine Kennlinie eines erfindungsgemäßen Niedertemperaturkühlmittelkühlers, der auch als Ladeluftkühler bezeichnet wird, bezeichnet. Der erfindungsgemäße Niedertemperaturkühlmittelkühler ist mit einer turbulenzsteigernden Rohrin¬ nenseite ausgestattet. Dadurch wird eine verbesserte und nahezu konstante Ladeluftabkühlung über einen breiten Kühlmitteldurchsatzbereich gewährlei¬ stet. Mit 58 und 59 sind Betriebspunkte mit einem toleranzbedingten Streu- band bezeichnet.

In Figur 4 ist der Kühlmitteldruck in bar über dem Kühlmitteldurchsatz in kg/s aufgetragen. Mit 62 ist eine Pumpenkennlinie bezeichnet. Mit 64 bis 67 sind verschiedene Anlagenkennlinien eines erfindungsgemäßen (64, 65) und ei- nes bekannten Wärmeübertragers (66, 67) bezeichnet. Die Anlagenkennlinie

64 entspricht einer Umgebungstemperatur von 35 Grad Celsius. Die zugehö¬ rige Anlagenkennlinie 65 entspricht einer Umgebungstemperatur von -5 Grad Celsius. Die Anlagenkennlinie 66 wiederum entspricht einer Umge¬ bungstemperatur von 35 Grad Celsius. Zu zugehörige Anlagenkennlinie 67 entspricht einer Umgebungstemperatur von -5 Grad Celsius. Aus Fig. 4 ist eine vorteilhafte Absenkung des für einen gewünschten Kühlmitteldurchsatz erforderlichen Druckes durch die vorliegende Erfindung ersichtlich.

Mit 70 ist die Differenz des Kühlmitteldurchsatzes bei den verschiedenen Umgebungstemperaturen bei einer Auslegung nach dem Stand der Technik bezeichnet. Da der Temperatureinfluss auf den Kühlmitteldurchsatz bei einer Auslegung nach dem Stand der Technik recht groß ist, ist die Differenz 70 ebenfalls recht groß. Durch 71 ist die Differenz der Massendurchsätze bei verschiedenen Temperaturen bei einer erfindungsgemäßen Auslegung mit einer turbulenzsteigernden Innenseite dargestellt. Ein Vergleich zwischen 70 und 71 macht deutlich, dass der Temperatureinfluss durch die erfindungs¬ gemäße Auslegung deutlich reduziert werden kann.

In Figur 5 ist die auf eine minimale Nusseltzahl normierte Nusseltzahl bezie- hungsweise der auf einen minimalen Druckverlust normierte Druckverlust in den Flachrohren über dem Kühlmitteldurchsatz aufgetragen. Da sämtliche aufgetragenen Größen mit wachsendem Kühlmitteldurchsatz stetig anstei¬ gen und bei 0,2 kg/s minimal sind, beginnen sämtliche Kurven bei 0,2 kg/s mit dem Wert 1.

Mit 74 ist die normierte Nusseltzahl bei glatten Rohren mit drei Umlenkungen bezeichnet. Mit 75 ist der normierte Druckverlust bei glatten Rohren mit drei Umlenkungen bezeichnet. Mit 76 ist der normierte Druckverlust bei einer er¬ findungsgemäßen Auslegung mit einer Umlenkung bezeichnet. Mit 77 ist d die normierte Nusseltzahl bei der neuen Auslegung mit einer Umlenkung bezeichnet. In Figur 5 sieht man, dass der Einfluss der Kühlmittelmenge auf die Wärmeübertragungsfunktion und der kühlmittelseitige Druckverlust durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen reduziert werden kann.