Wärmeübertrager

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Wärmeübertrager, die einen Wärmeübertragerblock, kurz Block genannt, mit parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen aufweisen, sind bekannt, z. B. als Kühlmittel/Luftkühler bei Kraftfahrzeugen. Durch die Strömungskanäle strömt ein zu kühlendes Medium, z. B. das Kühlmittel eines Kühlkreislaufes einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. Das Kühlmittel wird vorzugsweise von Luft (Umgebungsluft) gekühlt, wobei Sekundäraustauschflächen in Form von Rippen vorgesehen sein können. Für einen derartigen Block sind unterschiedliche Strömungsmuster bekannt, z. B. Fallstromkühler oder Querstromkühler mit einem oder zwei Strömungsfäden. In letzterem Falle erfolgt die Durchströmung des Blockes U-förmig. Hierzu sind zwei Sammelkästen am Block vorgesehen, wobei der erste eine Ein- und eine Austrittskammer aufweist und der zweite als Umlenkkasten ausgebildet ist. Die Umlenkung der Strömung erfolgt somit „in der Breite", d. h. in Längsrichtung des Umlenkkastens. Die Aufteilung des Blockes in einen ersten und einen zweiten Durchgang erfolgt in der Regel 50 : 50, so dass die Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohren beider Blockhälften gleich sind. Die Strömungsrichtung der Kühlluft ist senkrecht zur Strömungsrichtung des

zu kühlenden Mediums - somit erfolgt die Wärmeübertragung im Kreuzstrom. Die Temperatur des Mediums in den Rohren des ersten Durchganges ist infolge der Abkühlung höher als die Temperatur des Mediums im zweiten Durchgang. Im Vergleich zu einem Parallelstromkühler (wobei der gesamte Block in einer Richtung durchströmt wird) ergeben sich durch die Umlenkung erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten in den Strömungskanälen, die zu einem verbesserten Wärmeübergang bei kleinen Kühlmitteldurchsätzen führen. Durch die Temperaturdifferenz der Rohre im ersten und zweiten Durchgang ergeben sich unterschiedliche Ausdehnungen der Rohre, welche zu thermischen Spannungen im Wärmeübertrager führen. Insbesondere bei einer Erhöhung der Kühlmitteleintrittstemperatur in Folge einer höheren Motorlast ergibt sich eine erhöhte Temperaturdifferenz zwischen erstem und zweiten Durchgang des Blockes, weil bei einem derartigen instationären Vorgang eine zeitliche Verzögerung auftritt, mit der das Medium die beiden Durchgän- ge nacheinander durchläuft.

Durch die DE 197 22 099 B4 der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager bekannt, welcher einen Sammelkasten mit eingesetzter Trennwand sowie Ein- und Austrittsstutzen aufweist. Damit wird eine U-förmige Durchströmung des Wärmeübertragers ermöglicht, welche zu den oben erwähnten Temperaturdifferenzen im ersten und zweiten Strömungsdurchgang führen.

Durch die DE 32 12 891 C2 der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager für Verbrennungskraftmaschinen ausgebildeter Wärmeübertrager bekannt, wel- eher aus einem Rippen/Rohr-Block, einem oberen sowie einem unteren Kasten und Seitenteilen besteht, welche als Strömungskanäle ausgebildet und vom Kühlmittel durchströmt werden. Das zu kühlende Medium wird den Kästen entnommen und kühlt somit die Seitenteile, die dadurch eine geringere Bauteiltemperatur erhalten. Damit werden zu hohe Temperaturdifferenzen zwischen Kühlrohren und Seitenteilen und erhöhte Thermospannungen vermieden.

Ausgehend von einem U-förmig durchströmbaren Wärmeübertrager, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, thermische Spannungen, hervorgerufen durch Temperaturdifferenzen im Wärmeübertrager, insbesondere in dessen Strömungskanälen zu vermeiden bzw. zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, dass dem ersten Durchgang des Wärmeübertragers, also dem ersten U-Schenkel des Strömungsverlaufes ein Bypass zugeordnet ist, d. h. ein Anteil des zu kühlenden Mediums wird vor Eintritt in den ersten Durchgang des Wärmeübertragers abgezweigt, durch den Bypass geleitet und ungekühlt nach dem ersten Durchgang bzw. vor dem zweiten Durchgang der Hauptströmung wieder zugeführt. Damit wird der Vorteil erreicht, dass die Temperatur im zweiten Durchgang angehoben und damit die Temperaturdifferenz verringert wird. Damit werden auch die thermisch bedingten Spannungen in den Strömungskanälen, beispielsweise Rohren und Rohrbodenverbindungen reduziert.

Dem Block des Wärmeübertragers sind vorteilhafterweise ein erster Sammelkasten mit Ein- und Austrittskammer sowie ein zweiter Sammelkasten in Form eines Umlenkkastens zugeordnet. Der Bypasskanal erstreckt sich in diesem Falle zwischen Eintrittskammer und Umlenkkasten, wobei der lokale Eintritt des Bypasskanals in den Umlenkkasten variabel gestaltet werden kann, d. h. abhängig von der gewünschten Temperaturerhöhung im zweiten Durchgang. Vorzugsweise kann der Eintritt des Bypasskanals in den Umlenkkasten auf der Höhe einer Trennwand liegen, welche Eintritts- und Aus- trittskammer voneinander trennt. Der Wärmeübertrager weist in diesem Falle vorzugsweise horizontal verlaufende Strömungskanäle und senkrecht ange-

ordnete Sammelkästen auf. Der Umlenkkasten weist eine Eintrittsöffnung auf. Der Bypasskanal mündet in den Umlenkkasten. Der Bypasskanal und/oder der Umlenkkasten führt nur geringfügig abgekühltes Medium. Der Bypasskanal ist im Umlenkkasten angeordnet. über eine Eintrittsöffnung ge- langt geringfügig abgekühltes Medium in den Umlenkkasten. Je näher die Eintrittsöffnung des Bypasskanals an den Eintritt zum zweiten Durchgang gelegt wird, desto weniger findet eine Vermischung mit dem abgekühlten Medium des ersten Durchganges statt und umso mehr eine Anhebung der Temperatur im zweiten Durchgang statt.

Die Aufteilung des Blockes in einen ersten Durchgang und einen zweiten Durchgang kann 1 : 1 , aber auch davon abweichend erfolgen. Bei gleicher Aufteilung ergeben sich in beiden Durchgängen im Wesentlichen gleiche Strömungsgeschwindigkeiten. Die Strömungsgeschwindigkeit im Bypasska- nal dagegen ist höher und kann durch Bemessung dessen Querschnittes oder Strömungswiderstandes auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit im Bypasskanal ist, umso schneller erreicht die Temperaturfront des heißen Mediums den Umlenkkasten bzw. den Eintritt zum zweiten Durchgang. Damit können plötzlich auftretende Temperaturerhöhungen des zu kühlenden Mediums und die damit verbundenen erhöhten Temperaturdifferenzen zwischen erstem und zweiten Durchgang kompensiert werden, da die Temperaturfronten im ersten und im zweiten Durchgang gegeneinander laufen.

Der Bypasskanal kann vorteilhafterweise als separate Bypassleitung zu dem Wärmeübertrager ausgebildet oder in den Wärmeübertrager integriert sein. Letzteres kann beispielsweise durch Integration des Bypasskanals in ein Seitenteil des Wärmeübertragers erfolgen. Dabei ist das Seitenteil als Strömungskanal, d. h. hohl ausgebildet und steht in Strömungsverbindung mit dem Eintrittskasten und dem Umlenkkasten.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmeübertrager als Kühlmittel/Luftkühler im Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Der Kühlerblock besteht dabei in der Regel aus von Kühlmittel durchströmbaren Rohren und Rippen, welche durch die Umgebungsluft beaufschlagt werden. Der Rippen/Rohr- Block kann mechanisch gefertigt oder als gelöteter Block ausgebildet sein. Die Sammelkästen können aus Kunststoff oder Metall, insbesondere Aluminium wie beispielsweise bei Ganzaluminiumkühlern hergestellt sein.

Vorteilhafterweise weist die Bypassleitung einen Durchmesser im Bereich von 7 bis 16 mm auf. Der Anteil des Durchsatzes durch den Bypass am gesamten Durchsatz durch den Kühler beträgt damit zwischen 10 und 25 %.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Kühlmittelkühler mit U-förmiger Strömungsumlenkung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Kühlmittelkühler mit Bypassleitung, Fig. 3 ein Temperatur/Zeit-Diagramm,

Fig. 4 eine schematische Darstellung von Temperaturfronten bei einem Kühler nach dem Stand der Technik,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Temperaturfronten bei einem erfindungsgemäßen Kühler, Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Einleitungsrohres zur Einleitung des Kühlmittels aus der Bypassleitung und

Fig. 7 eine weitere Ansicht zur schematischen Darstellung eines Einleitungsrohres zur Einleitung des Kühlmittels aus der Bypassleitung.

Fig. 1 zeigt einen als Kühlmittel/Luftkühler ausgebildeten Wärmeübertrager 1 nach dem Stand der Technik. Der Kühlmittelkühler 1 , im Folgenden kurz Kühler genannt, ist als Querstromkühler in einem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Der Kühler 1 weist einen Kühlerblock 2, im Folgenden kurz Block 2 genannt, auf, welcher nicht dargestellte horizontal verlaufende Rohre (Strömungskanäle) sowie auf der Außenseite der Rohre angeordnete, ebenfalls nicht dargestellte Rippen aufweist. Rohre und Rippen sind vorzugsweise zu einem Block, d. h. dem Block 2 verlötet. Allerdings kommen auch andere Bauwei- sen, z. B. mechanisch gefertigte Rund- oder Ovalrohrsysteme in Betracht. Die Rohrenden der nicht dargestellten Rohre münden jeweils in Sammelkästen 3, 4, wobei der erste Sammelkasten 3 durch eine Trennwand 3a in eine Eintrittskammer 3b und eine Austrittskammer 3c unterteilt ist, während der zweite Sammelkasten 4 keine Trennwand aufweist, sondern als Umlenkkas- ten ausgebildet ist. Der Block 2 wird infolge der Trennwand 3a vom Kühlmittel, welches durch einen Eintrittsstutzen 3d in die Eintrittskammer 3b eintritt, zunächst in einem ersten, in der Zeichnung oben gelegenen Durchgang 2a (erste Rohrgruppe) in Richtung eines Pfeils A durchströmt. Danach wird das Kühlmittel im Umlenkkasten 4 umgelenkt, strömt dann durch einen zweiten, in der Zeichnung unten gelegenen Durchgang 2b (zweite Rohrgruppe) in Richtung eines Pfeils B zurück, tritt in die Austrittskammer 3c ein und verlässt über einen Austrittsstutzen 3e den Kühler 1. Die beiden Durchgänge bzw. Rohrgruppen 2a, 2b sind durch eine gestrichelte Linie m in Höhe der Trennwand 3a getrennt. Das die Rohre durchströmende Kühlmittel wird durch Um- gebungsluft, welche senkrecht zur Zeichenebene den Block 2 durchströmt, gekühlt.

Vorteilhaft bei dieser Anordnung sind einerseits eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels infolge der Umlenkung und damit ein verbes- serter Wärmeübergang. Andererseits kann bei bestimmten Einbaubedingun-

gen die Anordnung von Kühlmitteleintritts- und -austrittsstutzen auf derselben Seite bzw. an demselben Sammelkasten vorteilhaft sein.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 5, der ebenfalls als Kühlmittel/Luftkühler für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist und dem bekannten Kühler 1 nach dem Stand der Technik entspricht - daher werden für übereinstimmende Teile des Kühlers 5 die Bezugszahlen des Kühlers 1 aus Fig. 1 übernommen. Der Kühler 5 weist - abweichend vom bekannten Kühler 1 - eine Bypassleitung 6 auf, welche den ersten Durchgang 2a des Blockes 2 umgeht, ohne dass dabei das Kühlmittel gekühlt wird. Der eintretende Kühlmittelstrom ist durch einen Pfeil VE, der austretende Kühlmittelstrom durch einen Pfeil V _A gekennzeichnet. Die Bypassleitung 6 zweigt also vor oder in der Eintrittskammer 3b ab und ist über eine Eintrittsöffnung 7 mit dem Umlenkkasten 4 verbunden. Die Bypassleitung 6 kann als separate Leitung, z. B. eine Rohrleitung ausgebildet oder - was nicht in der Zeichnung dargestellt ist - in den Kühler 5 integriert sein. Dies kann beispielsweise bei einem Kühler mit Seitenteilen erreicht werden, wobei ein Seitenteil, welches an der Blockhälfte des ersten Durchganges anliegt, hohl und als Strömungskanal ausgebildet ist und vom Kühlmittel von der Eintrittskammer bis zum Umlenk- kästen durchströmt wird.

Die Eintrittsöffnung 7 ist vorzugsweise in einem Bereich b angeordnet, der jeweils um etwa 15 % der Breite des Blockes 2 nach beiden Seiten von der Linie m abweicht. Unter Eintrittsöffnung oder Eintrittspunkt 7 soll die Stelle verstanden werden, wo der Bypassstrom (die Kühlmittelströmung durch den Bypasskanal 6) auf den Kühlmittelstrom im Umlenkkasten 4 trifft und beide Ströme sich mischen.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt der Durch- messer der Bypassleitung für einen Kühler in einem Bereich von 7 - 16 mm

mm - der Anteil der Bypassströmung am gesamten Durchsatz durch den Kühler 5 lässt sich damit zwischen 10 % und 25 % einstellen.

Die Eintrittsöffnung 7 im Umlenkkasten 4 ist in der Zeichnung, d. h. bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, oberhalb der Linie m angeordnet, die den ersten, in der Zeichnung oben gelegenen Durchgang 2a von dem zweiten, in der Zeichnung unten gelegenen Durchgang 2b trennt. Da der erste Durchgang 2a und der zweite Durchgang 2b die gleiche Anzahl von (nicht dargestellten) Rohren mit gleichen Strömungsquerschnitten aufweisen, sind die obere und die untere Blockhälfte 2a, 2b gleich. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, die Strömungsquerschnitte der Durchgänge 2a, 2b abweichend von 50 : 50, z. B. 40 : 60 auszulegen.

Durch die Bypassströmung, d. h. den Anteil des durch die Bypassleitung 6 strömenden Kühlmittels und den Wiedereintritt des praktisch ungekühlten

Kühlmittels im mittleren Bereich des Umlenkkastens 4 wird dem zweiten

Durchgang 2b heißes bzw. relativ ungekühltes Kühlmittel zugeführt, sodass die Temperatur des Kühlmittels im zweiten Durchgang 2b ansteigt. Diese erfindungsgemäße Wirkung der Bypassströmung wird im Folgenden näher erläutert.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, bei welchem die Eintrittstemperatur T _E des Kühlmittels, also des Kühlmittelstromes V _E , aufgetragen ist über der Zeit t. Dem dargestellten Temperaturverlauf liegen folgende beiden Betriebszustände im Fahrzeug zu Grunde: Bei dem ersten Betriebszustand (Kurzschlussbetrieb) ist der (nicht dargestellte) Thermostat des Kühlmittelkreislaufes geschlossen, der Motor läuft im Teillastbereich. Der Kühlmittelkühler kühlt das Kühlmittel nahezu auf Umgebungstemperatur (T1 ) ab. Der Volumenstrom im Kühler ist bei diesem Betriebszustand gleich Null oder sehr gering. In dem zweiten Be- triebszustand läuft der Motor unter Last, daher wird ihm mehr Wärme entzo-

gen, d. h. der Thermostat öffnet. Der Volumenstrom steigt an, und es läuft Kühlmittel mit einer gegenüber T1 erhöhten Temperatur T2 in den Kühler.

Im Diagramm ist T1 die niedrige Kühlmitteleintrittstemperatur, während T2 die erhöhte Kühlmitteleintrittstemperatur repräsentiert, welche - wie oben erwähnt - bei einer Erhöhung der Motorlast auftreten kann. Der Linienzug, welcher die zeitliche Abhängigkeit der Temperatur TE von der Zeit t darstellt, zeigt die Verzögerung, mit welcher sich eine Temperaturerhöhung von T1 auf

T2 am Kühlereintritt bis zum Umlenkkasten fortpflanzt. Während die Kühlmit- teleintrittstemperatur in einer Zeitspanne (t2 - t1) auf T2 anwächst, vergeht eine Zeitspanne (t4 - t2), bis die Temperatur T2 auch am Umlenkkasten, d. h. am Eintritt zum zweiten Durchgang angekommen ist.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlers nach dem Stand der Technik, also gemäß Fig. 1 , welche zu einem Zeitpunkt t = t3 (vgl. Fig. 3) im ersten (oberen) Durchgang die Temperaturfronten mit einer Temperatur von T1 und einer erhöhten Temperatur von T2 zeigt. Der obere Block 2a des Kühlers weist bei einem Temperatursprung insbesondere am Eintritt im Wesentlichen den schraffiert dargestellten Bereich A auf, in dem das Kühlmittel in den Rohren die Eintrittstemperatur T2 erreicht hat. In einem übergangsbereich mit T2 > T > T1 werden kaltes Kühlmittel und heißes Kühlmittel miteinander vermischt. In einem Bereich T=T1 befindet sich kaltes Kühlmittel mit der Temperatur T=T1. Man erkennt daraus deutlich, dass die Temperaturdifferenz (T2 - T1) in vollem Umfang wirksam ist, d. h. die Rohre des oberen Durchganges haben größtenteils bereits eine erhöhte Temperatur T2, während die Rohre des unteren Durchganges noch eine niedrigere Temperatur von T1 aufweisen. Daraus resultieren die erwähnten thermischen Spannungen.

Fig. 5 zeigt die Ausbreitung der Temperaturfronten zu einem Zeitpunkt t = t3 (vgl. Fig. 3) bei einem erfindungsgemäßen Kühler mit Bypassleitung 6 und

Eintrittspunkt 7 der Bypassströmung im Umlenkkasten 4, entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Der Eintrittspunkt 7 ist vorteilhafterweise im Bereich von ± 15 % der Kϋhlerbreite relativ zur Position der Trennwand (Linie m) angeordnet. Durch die Bypassströmung und ihren Eintritt im Be- reich der Linie m wird Kühlmittel mit der erhöhten Temperatur T2 direkt zum Eintritt des zweiten Durchganges 2b geführt. Dadurch bildet sich eine Temperaturverteilung bzw. eine Temperaturfront aus, welche durch einen schraffierten Bereich 8 modellhaft (idealisiert ) dargestellt ist. Der Bereich mit erhöhter Kühlmitteleintrittstemperatur T2 im ersten Durchgang ist ebenfalls schraffiert und mit der Bezugszahl 9 versehen. Die schraffierten Bereiche 8, 9 bilden Flächen A _u und A ₀ , welche den Kühlmittelvolumina mit der Temperatur T2 entsprechen. In Fig. 4 ist die entsprechende schraffierte Fläche der Temperatur T2 mit A bezeichnet. Im Vergleich der Figuren 4, 5 gilt die Beziehung: A = A ₀ + A _u . Das Diagramm zeigt, dass die Temperaturfronten des Be- reiches 9 (A ₀ ) im ersten Durchgang und des Bereiches 8 (A _u ) im zweiten Durchgang gegeneinander, d. h. aufeinander zu laufen. Dadurch werden die erhöhten Temperaturunterschiede, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, reduziert und demzufolge auch die daraus resultierenden Spannungen herabgesetzt.

Aufgrund des Strömungswiderstandes und des Querschnittes der Bypasslei- tung kann der zeitliche Versatz zwischen dem Temperaturanstieg im Kasten 3a und dem Kasten 4 an der Stelle 7 variiert und angepasst werden.

Figur 6 und Figur 7 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Einleitungsrohrs 21. Das Einleitungsrohr 21 ist an den Bypasskanal 6 mittels eines Rohrflansches 20 angeschlossen und dient zur Einleitung des Kühlmittels aus dem Bypasskanal 6 in den Umlenkkasten 4. Das Einleitungsrohr 21 ragt dabei zumindest abschnittsweise in den Umlenklasten 4 hinein. Ferner ist das Ein- leitungsrohr 21 zumindest abgekröpft und/oder weist zumindest eine öffnung 22 zur Einleitung des Kühlmittels aus dem Bypasskanal 6 auf.