ElringKlinger AG, Max-Eyth-Str. 2, 72581 Dettingen/Erms

Abschirmbauteil, insbesondere Hitzeschild

Die Erfindung betrifft ein Abschirmbauteil, insbesondere Hitzeschild, mit mindestens zwei Schirmlagen, die zwischen sich zumindest einen Hohlraum begrenzen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Abschirmbauteiles.

Mehrlagige Abschirmbauteile sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt und finden insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik weitverbreitete Anwendung. Als Hitzeschild konzipiert, haben solche Bauteile die Aufgabe, die durch Strahlung und/oder Konvektion abgegebene Wärme von Motoren und deren Komponenten, wie Turbolader, Katalysatoren etc., abzuhalten.

Bei einem Einsatz als Hitzeschild müssen die Schirmlagen hinsichtlich ihrer Werkstoffeigenschaften und ihrer Dimensionierung so ausgelegt sein, dass sie den beim Betrieb auftretenden Extremwerten der thermischen Belastung gewachsen sind. Dies führt bei den bekannten Lösungen zu einer aufwendigen und kosten intensiven Bauweise, weil keine Möglichkeit gegeben ist, im Betrieb die auftretende Temperatur direkt am Hitzeschildmaterial aktiv zu beeinflussen. Die Wärmedämmwirkung bekannter Lösungen ist auch nicht zufriedenstellend, selbst wenn im Hohlraum zwischen den Schirmlagen als Isolierlage ein wärmedämmendes Material, beispielsweise Quarzsand oder ein ähnlicher mineralischer Füllstoff, eingebaut ist, was in nach-

teiliger Weise auch zu einer Erhöhung des Baugewichtes führt. Vergleichbare Lösungen zeigt auch die DE 102 53 508 B3, die als Isolierlage zwischen als Decklagen ausgebildeten Blechplatinen hoch dispergierte Kieselsäure einsetzt, die wie Quarzsand inkompressibel ist.

Im Hinblick auf den Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Abschirmbauteil zur Verfügung zu stellen, das den im Betrieb zu stellenden Anforderungen, insbesondere bei einem Einsatz als Hitzeschild, in besonderem Maße gerecht wird und weitere Funktionsaufgaben mit über- nehmen kann.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ein Abschirmbauteil gelöst, das die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

Danach besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass in das Abschirmbauteil zusätzlich zu seiner Abschirmwirkung eine Wärmetauscherfunktion implementiert ist. Hieraus resultieren mehrere Vorteile. Zum einen eröffnet sich hierdurch die Möglichkeit, die am Hitzeschildmaterial auftretende Temperatur unmittelbar, und zwar zweckgerichtet, in ge- wünschter Weise aktiv zu beeinflussen. So kann, je nach Beschaffenheit, Strömungsrate und Temperatur des Wärmeaustauschmediums, eine Abkühlung oder Erwärmung des Abschirmbauteiles bewirkt werden, unabhängig von der durch Strahlung und/oder Konvektion von der Hitzequelle abgegebenen Wärme. Es versteht sich, dass durch aktive Kühlung des Abschirm- bauteiles dieses in leichtgewichtiger Bauweise und ohne Einsatz teurer, besonders hochwärmefester Werkstoffe ausgeführt werden kann. Eine unabhängige Erwärmung kann während Kaltstartphasen beispielsweise in den Fällen günstig sein, wo das Abschtrmbauteil Lambdasonden oder Katalysatoren zugeordnet ist, die so schnell wie möglich ihre Betriebstemperatur erreichen sollen.

Schließlich eröffnet sich durch die Wärmetauscherfunktion die zusätzliche Möglichkeit, die Wärme des erhitzten, aus dem Abschirmbauteil austretenden Mediums sinnvoll als Prozesswärme auszunutzen, beispielsweise in Verbindung mit einem Fahrzeugheizungssystem.

Je nach Gegebenheiten wie Einsatzzweck, Temperaturniveau und anderen Parametern können übliche flüssige oder gasförmige Wärmeaustauschmedien zum Einsatz kommen.

Vorzugsweise erstreckt sich am Abschirmbauteil der wärmeaustauschende Bereich über den Großteil der Schirmfläche, indem zur Bildung eines Hohlraums, der sich im Wesentlichen über die gesamte, durch die Schirmlagen gebildete Abschirmzone erstreckt, die Schirmlagen längs ihrer Seitenränder miteinander verbunden sind.

Vorzugsweise sind Eingangsöffnungen und Ausgangsöffnungen für das Medium an zumindest einem Seitenrand vorgesehen, wobei, um den Medientransport strömungsgünstig zu gestalten, Eingangsöffnungen und Ausgangsöffnungen für das Medium vorzugsweise an einander gegenüberliegenden Seitenrändern vorgesehen sind.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann der Hohlraum mit einer Füllung aus einem Material mit offenzelliger Struktur versehen sein. Dadurch, dass hierbei der Medienstrom die Zellen des Füllmaterials durch- strömt, steht für den Wärmetransport eine in höchstem Maße vergrößerte Kontakt- oder Wärmetauschfläche zur Verfügung. Eine besonders gute Wärmeaustauschwirkung ergibt sich, wenn als Füllung ein Material guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise ein offenzelliger Metallschaum, vorgesehen ist. Derartige Materialien, beispielsweise auf Aluminium-, Stahl- oder Edel- stahlbasis, wirken zudem nicht nur wärmedämmend, sondern bilden auch eine wirksame Schalldämmung.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Abschirmteiles, insbesondere eines Hitzeschildes, wobei das Verfahren die Merkmale des Patentanspruches 8 in seiner Gesamtheit aufweist.

Eine Besonderheit des Verfahrens besteht demgemäß darin, dass bei einem aus mindestens zwei Schirmlagen gebildeten Abschirmbauteil die Schirmlagen durch Erzeugen eines überdrucks voneinander separiert werden, in- dem beispielsweise ein Druckfluid zum Aufweiten des Hohlraumes benutzt wird, wobei vor Ausbildung des überdrucks die Schirmlagen entlang ihrer Seitenränder und Bildung einer randseitigen Dichtung aufeinandergelegt werden.

Vorzugsweise wird hierbei so vorgegangen, dass zur Bildung der randseitigen Dichtung die einander benachbarten Schirmlagen in diesem Dichtungsbereich bis zu ihrer Fließgrenze zum Erhalt einer nahtlosen übergangsstelle umgeformt werden. Ein solches Verfahren ermöglicht eine besonders rationelle Fertigung, weil die dichte Verbindung der Schirmlagen, ohne dass randseitige Bördelungen erforderlich wären, erhalten wird.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die von einer Hitzequelle abgewandte Seite eines Ausführungsbeispieles des Abschirmbauteiles in Form eines Hitzeschildes;

Fig. 2 einen abgebrochen gezeichneten Teillängsschnitt wie in Fig. 1 mit der Schnittlinie H-Il angegeben und Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Teillängsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispieles.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, bei denen das Abschirmteil ein Hitzeschild bildet. Die Fig. 1 zeigt die Außenseite des Hitzeschildes, die bei der Einbauposition von der betref- fenden Hitzequelle abgewandt ist. Diese Außenseite ist durch eine erste Schirmlage 1 aus einem Edelstahlblech mit einem im großen Ganzen recht- eckförmigen Umriss gebildet, in einer zu einer zentralen Längsachse 4 symmetrischen Gestalt. Bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist das Hitzeschild zweilagig. Die zweite Schirmlage 3, die die der Hitzequelle zugewandte Innenseite des Hitzeschildes bildet, ist lediglich in den Detailschnitten der Fig. 2 und 3 sichtbar.

In Fig. 2 und 3 ist jeweils ein an einen Seitenrand 5 der Schirmlagen 1 und 3 angrenzender Abschnitt sichtbar. Wie gezeigt, bildet die innere Schirmla- ge 3 eine im Wesentlichen ebene Abschirmfläche, während die vordere Schirmlage 1 aus der Abschirmfläche leicht gewölbt nach außen verläuft, sodass zwischen äußerer, erster Schirmlage 1 und innerer, zweiter Schirmlage 3 ein Hohlraum 7 vorhanden ist, siehe Fig. 2. An dem in Fig. 2 und 3 sichtbaren Seitenrand 5 - dies gilt in entsprechender Weise auch für die übrigen Seitenränder 9, 11 und 13 - sind die beiden Schirmlagen 1 und 3 unter Ausbildung einer nahtlosen übergangsstelle 15, die einer Schweißstelle vergleichbar ist, verbunden. Diese Verbindung kann durch einen Pressvorgang, der den Werkstoff bis zur Fließgrenze umformt, hergestellt werden. Alternativ könnte an den Seitenrändern ein üblicher Schweißvor- gang stattfinden oder eine Umbördelung vorgenommen werden. Die Verbindung durch Kalt- oder Warmumformung ist jedoch fertigungstechnisch vorteilhafter und zeichnet sich gegenüber einer Umbördelung durch absolute Dichtheit aus.

Wie erwähnt, ist die äußere Schirmlage 1 aus der Abschirmfläche ausgewölbt, wobei aus der gewölbten Mantelfläche leicht vorstehend geformte

wulstartige Wölbungen 17 vorstehen, die über erhabene Verbindungsstege 19 miteinander verbunden sind. Diese Strukturierung bildet eine Art Verstärkungsrippen für die äußere Schirmlage 1.

Als Einlass für das betreffende, den Hohlraum 7 durchströmende Wärmeaustauschmedium ist am Seitenrand 9 eine Eingangsöffnung 21 mittig vorgesehen. Für die Abfuhr des Wärmeaustauschmediums aus dem Hohlraum 7 befinden sich am dazu gegenüberliegenden Seitenrand 13 seitlich gelegene Ausgangsöffnungen 23. Das mit den öffnungen 21 und 23 über ge- eignete Anschlüsse verbundene Leitungssystem für Zufuhr und Abfuhr des Wärmeaustauschmediums ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

Das in der Teildarstellung der Fig. 3 verdeutlichte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich gegenüber Fig. 2 dadurch, dass sich im Hohlraum 7 eine Füllung 25 befindet. Bei dieser handelt es sich um ein Material mit offenzelliger Struktur, sodass Poren oder Freiräume vorhanden sind, die vom Wärmeaustauschmedium durchströmbar sind. Als Füllstoffmaterialien kommen u. a. Metallschäume in Frage, insbesondere in Form offenzelliger Schäume auf Aluminium-, Stahl- oder Edelstahlbasis. Für den Erhalt des Me- tallschaumes lässt sich beispielsweise ein Verfahren einsetzen, wie es durch die DE 40 18 360 C1 vorgegeben ist. Ein weiteres Verfahren zum Herstellen von Metallschaum, insbesondere in Form von Aluminium- und Nickelschäumen, ergibt sich durch das so genannte SchlickerReaktionsSchaumSin- ter (SRSS)-Verfahren. Ferner kann eine so genannte Hohlkugelstruktur zum Einsatz kommen, wobei definiert herstellbare Einzelzellen, vorzugsweise aufgebaut aus metallischen Hohlkugeln, zu zellularen Strukturen miteinander verbunden werden.

Der Einsatz offenzelliger Strukturen erhöht nicht nur die Wärmeaustausch- Wirkung durch die entsprechende Vergrößerung der Kontakt- oder Wärmeaustauschfläche im Strömungsweg des den Hohlraum 7 durchströmenden

Wärmeaustauschmediums, sondern die Lage des Füüungsrnateriais trägt auch zur Verbesserung der Wärmedämmung des Hitzeschildes bei. Da die in Frage kommenden, abzuschirmenden Hitzequellen vielfach auch Schallquellen sind, stellt die durch das poröse Füllungsmaterial bewirkte Schall- dämmung einen weiteren Vorteil dar.