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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kühlung
eines Gasstroms eines Verbrennungsmotors mittels eines Kühlmediums.
Bei dem Gasstrom kann es sich beispielsweise um den Abgasstrom des
Verbrennungsmotors handeln, der zur Verbesserung der Abgaswerte
des Verbrennungsmotors über ein Abgasrückführsystem
auf die Einlassseite des Verbrennungsmotors zurückgeleitet wird.
Hierzu ist in vielen Fällen eine Verringerung der Abgastemperatur
erforderlich, wozu ein so genannter Abgas-Rückführkühler
(AGR) verwendet wird. Bei dem Gasstrom kann es sich darüber
hinaus um die vom Verbrennungsmotor angesaugte Frischluft handeln,
die zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors
vorgekühlt wird. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung,
wenn die angesaugte Frischluft mittels geeigneter Verdichter wie
Turboladern oder Kompressoren verdichtet wird, was mit einer Erhöhung
der Temperatur der angesaugten Frischluft einhergeht.
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Ein
AGR-Kühler ist beispielsweise aus der
EP 1 277 945 A1 bekannt.
Bei diesem AGR-Kühler ist eine Mehrzahl von abgasführenden
Rohren in einem abgeschlossenen Gehäuse angeordnet, welches
von einem geeigneten Kühlmedium durchströmt wird, beispielsweise
aus dem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors. Dabei
sind sowohl die abgasführenden Kühlerrohre als
auch das diese umschließende Gehäuse als separate
Teile ausgebildet, die unter Zwischenschaltung geeigneter Verbindungselemente
mechanisch fest miteinander verbunden werden. Bevorzugt sind dabei
sowohl die abgasführenden Taucherrohre als auch das Gehäuse
aus einem korrosionsbeständigen hitzefesten Material wie
Edelstahl gefertigt.
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Nachteilig
an der aus der
EP 1
277 945 A1 vorbekannten Konstruktion ist ihr Aufbau aus
einer Vielzahl von separaten Komponenten. Dies hat unmittelbar einen
aufwendigen Montageprozess zur Folge, welcher Kostennachteile mit
sich bringt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Kühlung
eines Gasstroms eines Verbrennungsmotors mittels eines Kühlmediums
anzugeben, welche eine deutlich verringerte Zahl von mechanischen
Teilen aufweist und damit einfacher zu montieren ist.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei
die vorteilhaften Weiterbildungen grundsätzlich frei miteinander
kombiniert werden können.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Kühlung
eines Gasstroms eines Verbrennungsmotors mittels eines Kühlmediums,
wobei im einleitenden Teil bereits darauf hingewiesen wurde, dass es
sich bei dem zu kühlenden Gasstroms beispielsweise um den
Abgasstrom des Verbrennungsmotors oder auch um die angesaugte und
ggf. komprimierte Frischluft, die dem Verbrennungsmotor zugeführt wird,
handeln kann. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, in dem
zumindest ein erster Kanal zur Durchleitung des Gasstroms und ein
zweiter Kanal zur Durchleitung des Kühlmediums angeordnet
sind. Dabei stehen der erste und der zweite Kanal in thermischem
Kontakt miteinander, so dass ein energetischer Austausch zwischen
dem durchströmenden Kühlmedium und dem durchströmenden
Gasstrom zum Zwecke der Abkühlung des Gasstroms möglich ist.
Als Kühlmedium kommt beispielsweise das Kühlmedium
des Verbrennungsmotors in Frage, grundsätzlich kann aber
die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mit einem
vom Verbrennungsmotor getrennten Kühlmittelkreislauf betrieben
werden, beispielsweise um niedrigere Betriebstemperaturen zu erzielen.
Beispielhaft hierfür sei der Kühlmittelkreislauf
einer Kfz-Klimaanlage genannt.
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Erfindungsgemäß ist
nun vorgesehen, dass das Gehäuse der Vorrichtung zumindest
ein stranggepresstes Teil umfasst, in welchem zumindest ein Kanal
des ersten und zweiten Kanals ausgebildet ist. In einer ersten bevorzugten
Weiterbildung sind sowohl der erste als auch der zweite Kanal im
stranggepressten Teil ausgebildet. Dabei kann das stranggepresste
Teil beispielsweise aus Aluminium bestehen und so ausgebildet sein,
dass ohne weitere mechanische Komponenten vollständig abgeschlossene
erste und zweite Kanäle ausgebildet werden.
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Wie
sich aus den Ausführungsbeispielen noch genauer ergibt
kann auf diese Weise eine Vorrichtung zur Kühlung eines
Gasstroms eines Verbrennungsmotors (d. h. ein Kühler) bereitgestellt
werden, welche auf einer minimalen Zahl von mechanischen Komponenten
basiert, die bei einer Montage der Vorrichtung zusammengefügt
werden müssen. Darüber hinaus ist zumindest das
stranggepresste Teil einfach und zu geringen Kosten herstellbar.
Die Herstellung mittels eines Strangpressverfahrens bietet darüber
hinaus den Vorteil einer hohen Variabilität bezüglich
der Profilierung des stranggepressten Teils. Schließlich
kann das stranggepresste Teil zumindest unmittelbar nach dem Strangpressen
einfach auch bezüglich seiner Längsachse L verformt werden,
woraus hohe Freiheitsgrade bezüglich der Formgebung des
erfindungsgemäßen Kühlers resultieren.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Gehäuse
der Vorrichtung ein separat ausgebildetes Mantelteil, in welchem
das stranggepresste Teil angeordnet ist. Insbesondere kann die Vorrichtung
so ausgestaltet sein, dass die ersten und zweiten Kanäle
erst dann als abgeschlossene Kanäle ausgebildet werden,
wenn das stranggepresste Teil im Mantelteil angeordnet ist. Indem
ein Klemmsitz des stranggepressten Teils im Mantelteil beispielsweise
mittels Presspassung vorgesehen wird, kann eine dauerhaft stabile
mechanische Verbindung zwischen gepresstem Teil und Mantelteil sichergestellt
werden. Dabei können das Mantelteil und das stranggepresste
Teil aus demselben Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder einer
Aluminium- bzw. Magnesiumlegierung bestehen. Darüber hinaus
können aber das Mantelteil und das stranggepresste Teil auch
aus verschiedenen Werkstoffen bestehen. Dies bietet insbesondere
dann Vorteile, wenn aufgrund der Formgebung des stranggepressten
Teils (z. B. Anordnung der ersten und zweiten Kanäle) eine
deutlich unterschiedliche thermische Belastung des Mantelteils und
des stranggepressten Teils sichergestellt werden kann. So kann in
einer Konfiguration, in der das Mantelteil in unmittelbarem Kontakt
mit dem das Kühlmedium führenden zweiten Kanal/Kanälen
steht, eine geringe thermische Belastung des Mantelteils sichergestellt
werden. Insbesondere hier ist es möglich, das Mantelteil
aus einem Werkstoff herzustellen, welcher eine geringere thermische
Belastbarkeit als das stranggepresste Teil aufweist, beispielsweise
einem Kunststoff. Vorteilhaft handelt es sich hierbei um einen Kunststoff
mit einer erhöhten Temperaturbeständigkeit, insbesondere
einen Duroplasten.
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Die
Teilung des Gehäuses der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in zumindest ein stranggepresstes Teil und ein Mantelteil
bietet darüber hinaus Vorteile bezüglich der Verformbarkeit
der Vorrichtung senkrecht zur Längsachse L des stranggepressten Teils
bzw. des Gehäuses. Es hat sich überraschend gezeigt,
dass ein derartig zumindest zweigeteilt aufgebautes Gehäuse
auf einfache Weise mechanisch so verformt werden kann, dass die
Längsachse L des Gehäuses von einer Geraden abweicht.
Hieraus resultiert der Vorteil, dass die Formgebung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weitestgehend an fahrzeugspezifische Anforderungen angepasst
werden kann, woraus unmittelbar Bauraumvorteile resultieren. Eine
gute Verformbarkeit senkrecht zur Längsachse L des Gehäuses
ist grundsätzlich aber auch bei einem einstückig
ausgebildeten Gehäuse in Form eines stranggepressten Teil 20 gegeben.
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Weiterhin
hat sich im Rahmen aufwendiger theoretischer und experimenteller
Untersuchungen erwiesen, dass sich bezüglich des Wirkungsgrads der
erfindungsgemäßen Vorrichtung Vorteile ergeben,
wenn zumindest der erste oder der zweite Kanal, bevorzugt aber beide
Kanäle, so ausgebildet sind, dass sich ein schraubenförmiger
Strömungspfad für den Gasstrom bzw. dem Strom
des Kühlmediums ergibt. Die hieraus resultierenden Turbulenzen im
Gasstrom bzw. im Strom des Kühlmediums sorgen für
eine besonders intensive Vermischung desselben und damit für
eine verbesserte Wärmeabfuhr von den Wärmetauscherflächen, über
die der energetische Austausch zwischen beiden Stoffströmen stattfindet.
Auf besonders einfache Weise kann ein schraubenförmiger
Strömungspfad dadurch ausgebildet werden, dass das stranggepresste
Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung insgesamt
tordiert ist. Sind sowohl der erste als auch der zweite Kanal im stranggepressten
Teil ausgebildet, so bilden sich hier direkt schraubenförmig
gewundene Strömungspfade in beiden Kanälen aus.
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Selbstverständlich
sind Ausführungen denkbar, in denen im Gehäuse
tatsächlich nur ein erster Kanal für den Gasstrom
und ein zweiter Kanal für das Kühlmedium ausgebildet
sind. In den meisten Anwendungsfällen hat es sich jedoch
als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Mehrzahl von ersten und/oder zweiten
Kanälen im zweiten Gehäuse ausgebildet ist. Dies
kann beispielsweise auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass innerhalb
des ersten und/oder zweiten Kanals eine Mehrzahl von Trennstegen
bzw. Wänden angeordnet wird, die den ersten bzw. zweiten
Kanal in eine Mehrzahl voneinander getrennter Kanäle unterteilen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse
eine Längsachse L auf. Dabei ist das Gehäuse an
zumindest einem längsseitigem Ende, d. h. auf einer quer
zur Längsachse L verlaufenden Fläche, mittels
einer separat ausgebildeten Endkappe verschlossen. Bevorzugt ist
in dieser separat ausgebildeten Endkappe zumindest ein Zugang zu dem/den
ersten Kanälen ausgebildet. Vorteilhaft sind an beiden
längsseitigen Enden des Gehäuses entsprechende
Endkappen angeordnet, in denen Zugänge zu dem/den ersten
Kanälen ausgebildet sind. In einer alternativen Ausgestaltung
ist zumindest in einer Endkappe ein weiterer Zugang zu dem/den zweiten
Kanälen im Gehäuse ausgebildet. Bevorzugt sind
zwei Endkappen vorgesehen, in denen jeweils ein Zugang zu den ersten
Kanälen und ein Zugang zu den zweiten Kanälen
ausgebildet ist. In allen Ausgestaltungen sind die Endkappen vorteilhaft
mittels eines thermischen Fügeverfahrens wie Löten
oder Schweißen mit dem Gehäuse verbunden. Je nach thermischer
Belastung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
aber auch eine Fügeverbindung mittels Verkleben möglich.
Darüber hinaus können die Endkappen lösbar
mechanisch mit dem Gehäuse verbunden sein, beispielsweise über
eine geeignete Verschraubung, ggf. unter Einfügung geeigneter
temperaturstabiler Dichtungen wie einer Metallsickendichtung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist ein Zugang zu dem/den zweiten Kanälen nicht
an einer oder beiden Endkappen ausgebildet, vielmehr ist ein Zugang außerhalb
der Endkappe am Gehäuse der Vorrichtung ausgebildet. Ggf.
können hier separat ausgebildete Anschlussstücke
vorgesehen sein, welche den Anschluss der erfindungsgemäßen
Vorrichtung an den Kreislauf des Kühlmediums, beispielsweise
den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors, erlauben.
Diese Anschlussstücke können separat ausgebildete
Teile beispielsweise aus Aluminiumdruckguss sein oder wiederum als stranggepresste
Teile ausgebildet sein, und auf geeignete Weise dicht mit dem Gehäuse
der Vorrichtung verbunden sein, beispielsweise mittels einer stoffflüssigen
Verbindung wie Löten, Schweißen oder Verkleben
oder einer formschlüssigen Verbindung wie Verschraubung.
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Besondere
Vorteile ergeben sich, wenn der Zugang zu den zweiten Kanälen – unabhängig
von seiner konkreten Anordnung an der Vorrichtung – sowie
einer Mehrzahl zweiter Kanäle im Gehäuse so gestaltet
ist, dass der Zugang zugleich mit sämtlichen zweiten Kanälen
kommuniziert. Bevorzugt werden hier zwei äquivalente Zugänge
zu den zweiten Kanälen realisiert, so dass über
einen Einlass und einen Auslass eine gleichmäßige
Beschickung sämtlicher zweiter Kanäle mit dem
Kühlmedium gewährleistet ist.
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Ist
eine Mehrzahl erster Kanäle für den zu kühlenden
Gasstrom vorgesehen, so gilt auch hier, dass bevorzugt die Zugänge
zu den ersten Kanälen so ausgebildet sind, dass über
einen Zugang sämtliche erste Kanäle zugleich erreichbar
sind, so dass über eine Verbindung z. B. mit der Abgasleitung
des Verbrennungsmotors ein gleichzeitiger Anschluss der erfindungsgemäßen
Vorrichtung möglich ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist innerhalb des ersten Kanals zur Durchleitung des
zu kühlenden Abgasstroms ein dritter Kanal angeordnet,
der wiederum zur Durchleitung eines/des Kühlmediums angeordnet
ist. Insbesondere können der erste und der dritte Kanal
im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sein. In diesem Ausführungsbeispiel
ergeben sich besonders einfache Anschlussmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn der dritte
Kanal dergestalt mit dem zweiten Kanal kommuniziert, dass sich der
einlassseitig zugeführte Strom des Kühlmediums
sich zwischen dem zweiten und dem dritten Kanal. Hier kann das Teilungsverhältnis
durch entsprechende strömungsmechanische Ausgestaltung
der Anschlüsse in weiten Grenzen frei eingestellt werden,
insbesondere um den lokalen Strom des Kühlmediums durch
die zweiten bzw. dritten Kanäle an den lokalen Wärmeanfall
anzupassen.
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Besonders
wenige mechanische Teile ergeben sich, wenn der dritte Kanal wiederum
einstückig mit dem stranggepressten Teil des Gehäuses
ausgebildet ist, insbesondere können der erste, der zweite und
der dritte Kanal einstückig mit dem stranggepressten Teil
ausgebildet sein, vorteilhaft dergestalt, dass keine weitere mechanische
Komponente erforderlich ist, um den ersten, den zweiten und den
dritten Kanal gas- bzw. flüssigkeitsdicht abzuschließen.
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Alternativ
kann der dritte Kanal auch als separates Bauteil vom stranggepressten
Teil ausgebildet sein, welches Vorteile bezüglich der Materialauswahl
bzw. der Verformbarkeit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung insgesamt aufweisen kann. Da der dritte Kanal beispielsweise
im besonders heißen Zentrum des zu kühlenden Gasstroms
angeordnet sein kann, kann es hier vorteilhaft sein, für
den dritten Kanal einen besonders hitzefesten und korrosionsbeständigen
Werkstoff wie Edelstahl zu verwenden. Ist der dritte Kanal als separates
Bauteil ausgebildet, so kann eine mechanisch unverlierbare Verbindung zwischen
dem stranggepressten Teil und dem dritten Kanal beispielsweise über
eine Presspassung beider Teile realisiert werden.
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Eine
besondere Optimierung der Materialauswahl bezüglich der
lokalen Temperatur und Korrosionsbedingungen erlaubt eine Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der das
Gehäuse ein stranggepresstes Teil (z. B. aus Aluminium)
umfasst, in der ein separat ausgebildeter dritter Kanal beispielsweise
als mittig angeordnetes Edelstahlrohr ausgebildet ist. Das stranggepressten
Teil wird seinerseits von einem außenliegenden Mantelteil
z. B. aus Kunststoff umfasst, wobei beispielsweise die zweiten Kanäle
ausgebildet werden können. Auch hier kann eine unverlierbare
mechanische Verbindung zwischen dem dritten Kanal, dem stranggepressten
Teil sowie dem Mantelteil über eine jeweilige Presspassung
sichergestellt werden.
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Da
die Temperatur des zu kühlenden Gasstroms i. A. von den
Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors abhängte kann,
kann die Einbringung eines vierten Kanals zur ungestörten
Durchleitung des Gasstroms durch das Gehäuse der erfindungsgemäßen
Vorrichtung von Vorteil sein. Dabei soll die Durchleitung des Gasstroms
durch das Gehäuse so erfolgen, dass im Wesentlichen kein
thermischer Austausch mit dem Kühlmedium erfolgt. Ein solcher
thermisch zumindest gegenüber dem zweiten bzw. ggf. dritten
Kanal thermisch isolierter vierter Kanal, der auch als „Bypassleitung” bezeichnet
wird, ist insbesondere in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors
vorteilhaft, in der eine möglichst rasche Aufheizung des
Motors bzw. Abgasführender oder Abgasbehandelnder Komponenten gewünscht
wird. Dabei kann auch der vierte Kanal vorteilhaft als separates
Bauteil ausgebildet sein, welches im stranggepressten Teil des Gehäuses
angeordnet ist. Dieses separate Bauteil kann wiederum aus einem
anderen Werkstoff bestehen als das stranggepresste Teil, insbesondere
aus einem hitzefesten und korrosionsbeständigen Stahl.
Besondere Vorteile bezüglich der thermischen Isolierung
des vierten Kanals gegenüber dem Gehäuse der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, hier insbesondere gegenüber dem zweiten und ggf.
dritten Kanal im Gehäuse, ergeben sich dann, wenn sich
der vierte Kanal im Wesentlichen nur über definierte Kontaktpunkte
mechanisch am stranggepressten Teil und/oder Mantelteil abstützt.
Hierzu kann beispielsweise der als separates Rohr ausgebildete vierte
Kanal federnde Zungen ausbilden, über welche sich das Rohr
an den umliegenden Komponenten abstützt.
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Schließlich
ist auch eine bevorzugte Ausführungsform möglich,
in der der Gasführende erste Kanal vollständig
im stranggepressten Profil verläuft und dort gasdicht abgeschlossen
ist. Das stranggepresste Profil kann dann um ca. 180° in
Form eines U-Profils gebogen sein, welches dann ein separates Fluidgehäuse
aus kostengünstigem Material angeordnet werden kann werden.
Der Gasanschluss erfolgt dann stirnseitig, der Anschluss des Kühlmediums
kann flexibel stirn- und/oder Gehäuseseitig erfolgen
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In
allen Ausführungen kann das stranggepresste Profil grundsätzlich
verschiedene Querschnitte annehmen wie z. B. rund, oval, rechteckig etc..
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Als
bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemäßen
Kühlers wurde bereits eine Verwendung als Ladeluftkühler
sowie als AGR-Kühler angegeben. Darüber hinaus
ist aber auch eine Verwendung Zuheizer zur Innenraumerwärmung
eines Kraftfahrzeugs, eine Verwendung als Verdampfer, insbesondere
zur Führung eines als verdampfungsfähiges Medium
ausgelegten Kühlmittels, als Kondensator insbesondere zur
Führung eines als kondensierfähigen Mediums ausgelegten
Gasstroms, als Ölkühler, insbesondere zur Kühlung
von Motoröl und/oder Getriebeöl sowie als Kältemittelkühler
oder Kältemittelkondensator in einem Kältemittelkreislauf
einer Klimaanlage eins Kraftfahrzeugs möglich und vorteilhaft.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen,
die im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert
werden. In dieser zeigen:
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1:
eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kühlers,
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2:
eine Teilschnittdarstellung des Kühlers aus 1,
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3:
eine perspektivische Explosionsdarstellung des Kühlers
aus 1,
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4:
eine vergrößerte Ansicht des stranggepressten
Teils des Kühlers aus 1,
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5:
den Querschnitt des stranggepressten Teils des Kühlers
aus 1,
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6:
ein Schnitt durch ein längsseitiges Ende des stranggepressten
Teils des Kühlers aus 1 mit aufgesetzter
Endkappe,
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7a:
einen Schnitt durch das längsseitige Ende des stranggepressten
Teils eines Kühlers mit einer alternativen Endkappe,
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7b:
eine perspektivische Darstellung des längsseitigen Endes
des stranggepressten Teils des Kühlers gemäß 7a,
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8:
eine perspektivische Darstellung eines längsseitigen Endes
des stranggepressten Teils des Kühlers aus 1 mit
eingesetztem Einlassstutzen in teiltransparenter Darstellung,
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9:
eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kühlers,
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10a: eine schematische Darstellung des Stroms
des Kühlmediums durch die zweiten Kanäle des Kühlers
gemäß 9,
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10b: eine schematische Darstellung des Gasstroms
durch die ersten Kanäle des Kühlers gemäß 9,
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11:
eine perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kühlers,
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12:
eine perspektivische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kühlers,
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13:
einen Schnitt durch den Kühler gemäß 12 und
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14: das Profil des stranggepressten Teils
des Kühlers gemäß 12.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1, das heißt eines Kühlers
zur Kühlung eines Gasstroms eines Verbrennungsmotors mittels
eines Kühlmediums. Der Kühler 1 umfasst
ein Gehäuse 10, welches eine Längsachse
L aufweist. Auf die längsseitigen Enden des Gehäuses 10 sind
Endkappen 24 aufgesetzt und gas- bzw. flüssigkeitsdicht
mit dem Gehäuse 10 verbunden. Die Endkappen 24 bilden
jeweils einen Zugang 26 zum ersten Kanal 12 aus,
der für ein Durchströmen des zu kühlenden
Gasstroms vorgesehen und im Gehäuse 10 ausgebildet
ist (in 1 nicht dargestellt). Weiterhin
sind an der äußeren Umfangsfläche des
Gehäuses 10 Anschlussstücke 30 angeordnet,
die Zugänge 28 zu einer Mehrzahl zweiter Kanäle 14 ermöglichen,
welche sich im Gehäuse 10 im Wesentlichen in Richtung
der Längsachse L erstrecken und für ein Durchströmen
des Kühlmediums vorgesehen sind. Dabei bildet eine Endkappe 24 den Gaseinlass,
die zweite Endkappe 24 bildet den Gasauslass. Ein Anschlussstück 30 bildet
den Einlass für das Kühlmedium, ein weiteres Anschlussstück 30 bildet
den Auslass für das Kühlmedium.
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2 zeigt
eine Teilschnittdarstellung des Kühlers 1 gemäß des
ersten Ausführungsbeispiels nach 1. Aus der
Teilschnittdarstellung wird der erste Kanal 12 ersichtlich,
zu dem die Endkappe 24 einen Zugang 26 bereitstellt.
Das Anschlussstück 30 stellt einen Zugang 28 zu
einer Mehrzahl zweiter Kanäle 14 bereit, die um
den zentralen ersten Kanal 12 herum angeordnet sind. Wie
aus 2 weiterhin ersichtlich ist, verschließt
die Endkappe 24 die längsseitigen Enden der zweiten
Kanäle 14, so dass ein Übertritt des
Kühlmediums in den zu kühlenden Gasstrom ausgeschlossen
ist.
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3 zeigt
nun eine Explosionsdarstellung des Kühlers 1 gemäß des
ersten Ausführungsbeispiels nach 1. Deutlich
ersichtlich ist, dass der gesamte Kühler 1 aus
wenigen mechanischen Komponenten zusammengesetzt ist, nämlich
dem als stranggepresstes Teil 20 einstückig ausgebildeten Gehäuse 10,
zwei gas- und flüssigkeitsdicht mit dem Gehäuse 10 verbundenen
Anschlussstücken 30 sowie zwei auf die längsseitigen
Enden des Gehäuses 10 aufgesetzten Endkappen 24,
wobei die Endkappen 24 ihrerseits aus zwei Teilen bestehen,
wie nachfolgend nochmals genauer beschrieben wird. Das stranggepresste
Teil 20, welches das Gehäuse 10 ausbildet
und in welchem sich ein zentral verlaufender erster Kanal 12 und
zwei um den ersten Kanal 12 herum angeordnete zweite Kanäle 14 erstrecken,
besteht vorzugsweise aus Aluminium, ebenso wie die Anschlussstücke 30,
die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Druckgussteile
ausgebildet und gas- bzw. flüssigkeitsdicht mit dem stranggepressten
Teil 20 über ein thermisches Fügeverfahren
verbunden sind.
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5 zeigt
den Querschnitt des stranggepressten Teils 20 aus 3,
welches das Gehäuse 10 ausbildet. Deutlich zu
ersehen ist der sich im Zentrum des stranggepressten Teils 20 in
Längsrichtung erstreckende erste Kanal 12, in
dem eine Mehrzahl von kleinen Kühlstegen 42 sowie
großen Kühlstegen 40 für eine
Vergrößerung der für den Wärmeaustausch
wesentlichen Wandfläche zwischen dem ersten Kanal 12 und
den zweiten Kanälen 14 vorgesehen sind. Um den
ersten Kanal 12 herum sind zwei zweite Kanäle 14 angeordnet,
die mittels zweier Wände 38 voneinander getrennt
sind. Dabei können sowohl die Wände 38 als
auch die kleinen bzw. großen Kühlstege 42, 40 beim
Strangpressen des Teils 20 mit eingeformt werden.
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Wie
bereits ausgeführt wird der Zugang 26 zum ersten
Kanal 12 über die Endkappen 24 ermöglicht.
Der Zugang 28 zu den zweiten Kanälen 14 hingegen
wird über eine Bohrung 32 bereitgestellt, die
in der außenliegenden Wand des Gehäuses 10 ausgebildet
ist. Diese ist aus 4 ersichtlich. Dabei ist die Bohrung 32 so
am Gehäuse 10 angeordnet, dass sie eine der beiden
zwischen den beiden Kanälen 14 angeordnete Wand 38 abschnittsweise öffnet
und auf diese Weise eine Überströmöffnung 52 zwischen
den beiden zweiten Kanälen 14 bereitstellt.
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Die
Bohrung 32 sowie die Überströmöffnung 52 ist
dabei im Bereich beider Anschlussstücke 30 analog
ausgeführt. Auf diese Weise kann über ein Anschlussstück 30 parallel
ein Zugang 28 zu beiden zweiten Kanälen 14 bereitgestellt
werden, wobei aufgrund der symmetrischen Einbringung der Bohrung 32 eine
gleichmäßige Aufteilung des Stroms des Kühlmediums
durch die beiden zweiten Kanäle 14 gewährleistet
wird. Wie aus 3 deutlich wird, sind die beiden
Anschlussstücke 30 auf gegenüberliegenden
Seiten des Gehäuses 10 angeordnet, um ein Umströmen
des Kühlmediums um den zentralen ersten Kanal 12 sicherzustellen.
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6 zeigt
nun ein längsseitiges Ende des Gehäuses 10 des
Kühlers gemäß 1 in einer schematischen
Schnittdarstellung mit aufgesetzter Endkappe 24. Die Endkappe 24 besteht
aus einer Hülse 34, deren gehäuseseitiges
Ende unter Ausbildung eines Flanschs 36 aufgeweitet ist.
Dabei ist der Flansch 36 der Hülse 32 so
ausgebildet, dass er das längsseitige Ende des stranggepresste
Teils 20 übergreift. Das stranggepresste Teil 20 bildet
an seinem längsseitigen Ende zwei plan bearbeitete Dichtflächen 50 aus,
auf denen die Hülse 34 mit ihrer Innenumfangsfläche
sowie der Flanschfläche aufsitzt. Bei der Montage des erfindungsgemäßen
Kühlers 1 wird die Hülse 34 flüssigkeitsdicht
mit dem stranggepressten Teil 20 stoffschlüssig
verbunden, beispielsweise mittels Verlöten, wobei die gas-
und flüssigkeitsdichte Verbindung im Wesentlichen im Bereich
der Dichtflächen 50 ausgebildet wird.
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Weiterhin
ist aus 6 nochmals die Bohrung 32 ersichtlich,
in die ein Anschlussstück 30 eingesetzt wird,
um einen Zugang 28 zu den zweiten Kanälen 14 bereitzustellen.
Hier wird deutlich, wie die Bohrung 32 eine Überströmöffnung 52 in
der Wand 38 eröffnet, die zwischen den beiden
zweiten Kanälen 14 angeordnet ist.
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7a zeigt
eine alternative Ausgestaltung einer Endkappe 24 sowie
eines stranggepressten Teils 20 (zweites Ausführungsbeispiel).
Auch hier umfasst die Endkappe 24 eine Hülse 34,
deren gehäuseseitiges Ende 44 jedoch umgebördelt
ist. Weiterhin ist in die längsseitige Endfläche
des stranggepressten Teils 20 eine Ringnut 46 eingebracht,
deren innere Umfangsfläche als Dichtfläche 50 ausgebildet ist.
Darüber hinaus ist die ringförmige Außenfläche der
längsseitigen Endfläche des stranggepressten Teils 20 ebenfalls
als Dichtfläche 50 ausgebildet. Bei der Montage
des erfindungsgemäßen Kühlers 1 gemäß dieses
Ausführungsbei spiels wird die Hülse 34 mit
ihrem umbördelten Ende 44 in die Ringnut 46 eingesetzt
und mit der längsseitigen Außenfläche
des stranggepressten Teils 20 gas- und flüssigkeitsdicht stoffflüssig
verbunden, beispielsweise mittels Verlöten. Wie sich aus 7b ergibt,
ist an der außenliegenden Wandung der zweiten Kanäle 14 im
Bereich der längsseitigen Endflächen des Gehäuses
zur Erhöhung der Dichtwirkung darüber hinaus eine
umlaufende vorspringende Dichtungsnase 48 ausgebildet, welche
in Zusammenwirkung mit dem umbördelten Ende 44 den
gas- und flüssigkeitsdichten Abschluss der zweiten Kanäle 14 durch
die Hülse 34 fördert.
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8 zeigt
nochmals das stranggepresste Teil 20 des Kühlers 1 gemäß des
ersten Ausführungsbeispiels mit in die Bohrung 32 eingesetztem Anschlussstück 30.
Aus der teiltransparenten Darstellung des Anschlussstücks 30 wird
die Überströmöffnung 52 in der
Wand 38 sichtbar, die die beiden zweiten Kanäle 14 voneinander
trennt. Wie bereits erwähnt, ermöglicht diese Überströmöffnung
eine gleichmäßige Aufteilung des Stroms des Kühlmediums
auf die beiden zweiten Kanäle 14.
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9 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kühlers 1, welcher sich durch einen spiralig gewundenen
Strömungspfad sowohl des Stroms des Kühlmediums
als auch des zu kühlenden Gasstroms auszeichnet. Grundsätzlich entspricht
der Aufbau des Kühlers 1 gemäß 9 im Wesentlichen
dem Aufbau des Kühlers 1 aus 1, wobei
die Anschlussstücke 30 nunmehr um etwa 90° gegeneinander
versetzt sind und nicht länger um 180° wie im
ersten Ausführungsbeispiel. Darüber hinaus ist
das Gehäuse 10 wiederum als einstückiges stranggepresstes
Teil 20 beispielsweise aus Aluminium ausgebildet, welches
von zwei Endkappen 34 verschlossen wird. Die gewundenen
Strömungspfade werden nun bereitgestellt, indem das gesamte stranggepresste
Teil 20 während seiner Produktion oder ggf. auch
zu einem späteren Zeitpunkt kontrolliert um einen definierten
Winkel verdrillt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
beträgt die Verdrillung zwischen den beiden Bohrungen 32,
in die die Anschlussstücke 30 eingesetzt sind,
im Wesentlichen 90°. Hieraus ergibt sich ein spiralig gewundener
Strömungspfad für das Kühlmedium in den
beiden zweiten Kanälen 14, wie in 10a schematisch angedeutet ist.
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10b zeigt hingegen den spiralig gewundenen Strömungspfad
des Gasstroms im ersten Kanal 12 des Gehäuses 10,
wobei zur Verdeutlichung die Hülsen 34 der Endkappen 24 weggelassen
wurden. Die auf diese Weise realisierten gewundenen Strömungspfade
für die beiden strömenden Medien sorgen zu einer
innigen Verwirbelung dieser Medien in den zur Verfügung
stehenden Strömungskanälen 12, 14 und
somit für einen effektiven Wärmeausgleich innerhalb
des jeweils strömenden Mediums. Dieser Wärmeausgleich
innerhalb des einen strömenden Mediums ist vorteilhaft
für einen effektiven Wärmeübertrag zwischen
Gas und Kühlmedium.
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11 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kühlers 1, dessen Aufbau wiederum im Wesentlichen
demjenigen des Ausführungsbeispiels gemäß 1 entspricht.
Der Unterschied ist hier die deutlich erhöhte Länge
des Gehäuses 10 sowie die Tatsache, dass die Längsachse
des Gehäuses 10 nicht länger eine Gerade
ausbildet. Vielmehr ist die Längsachse des Gehäuses 10 gewunden,
um dieses an die räumlichen Anforderungen des spezifischen
Einsatzzwecks des Kühlers 1 angepasst zu werden.
Darüber hinaus ist das Gehäuse 10 im
gezeigten Ausführungsbeispiel nicht als einstückiges
stranggepresstes Teil 20 ausgebildet. Vielmehr umfasst
das Gehäuse 10 hier ein stranggepresstes Teil 20,
was innerhalb eines Mantelteils 22 angeordnet ist und über
eine Presspassung in diesem festgelegt ist. Nach dem Einführen
des stranggepressten Teils 20 (in dem ein erster Kanal 12 ausgebildet
ist) in das Mantelteil 22 wird das so ausgebildete Gehäuse 10 verformt
und nachfolgend mittels der stirnseitigen Endkappen 24 verschlossen.
Die getrennte Ausbildung von stranggepresstem Teil 20 und
Mantelteil 22 verbessert dabei die Verformbarkeit des Gehäuses 10 quer
zur Längsachse L. Bevorzugt besteht hier das Mantelteil 22 aus
einem anderen Werkstoff als das stranggepresste Teil 20.
Die zweiten Kanäle 14 werden in dem gezeigten
vierten Ausführungsbeispiel erst vollständig ausgebildet, wenn
das stranggepresste Teil 20 in das Mantelteil 22 eingeführt
ist. Selbstverständlich ist auch in diesem Ausführungsbeispiel
die Ausbildung spiralig gewundener Strömungspfade in den
ersten und zweiten Kanälen 12, 14 möglich,
beispielsweise durch eine Verdrillung des stranggepressten Teils 20.
Darüber hinaus können auch in diesem Ausführungsbeispiel Endkappen 24 gemäß der
beiden Konfigurationen der 6 bzw. 7a und 7b zum
Einsatz kommen.
-
Die 12 bis 14 zeigen schließlich ein fünftes
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlers 1,
der sich durch einen dritten Kanal 16 auszeichnet, der
im Zentrum des ersten Kanals 12 koaxial zu diesem angeordnet
und für einen Durchfluss des Kühlmediums vorgesehen
ist. Hier ist das Gehäuse 10 erneut als stranggepresstes
Teil 20 ausgebildet, d. h. ein separat ausgebildetes Mantelteil 22 ist nicht
vorgesehen. Wiederum wird das stranggepresste Teil 20 an
den längsseitigen Enden mittels geeignet ausgeformter Endkappen 24 gas-
und flüssigkeitsdicht verschlossen. Im Gegensatz zu den
vorausgegangenen Ausführungsbeispielen ist im Zentrum des
ersten Kanals 12 wie erwähnt ein dritter Kanal 16 ausgebildet,
der wiederum integral mit dem stranggepressten Teil 20 ausgebildet
ist.
-
14 zeigt einen Querschnitt durch das stranggepresste
Teil 20 dieses fünften Ausführungsbeispiels,
aus dem ersichtlich wird, dass im Zentrum des stranggepressten Teils 20 der
Kühlmediumdurchströmte dritte Kanal 16 verläuft,
der von einer Mehrzahl gasdurchströmter erster Kanäle 12 umgeben
ist. Dabei sind diese ersten Kanäle 12 durch Wände 38,
die integral mit dem stranggepressten Teil 20 ausgebildet
sind, voneinander getrennt. Weiterhin sind in jedem ersten Kanal 12 kleine
und große Kühlstege 42, 40 ausgebildet.
Die ersten Kanäle 12 umschließend sind
schließlich zwei zweite Kanäle 14 angeordnet,
die im Wesentlichen den zweiten Kanälen 14 der
vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiele entsprechen.
-
Abweichend
von den vorstehend diskutierten Ausführungsbeispielen sind
jedoch die Endkappen 24 so ausgebildet, dass sie Zugänge
sowohl zu den ersten Kanälen 12 als auch zu den
zweiten und dritten Kanälen 14 und 16 bereitstellen.
Hierzu sind an den Endkappen 24 ebenfalls Anschlussstücke 30 vorgesehen,
die in fluidtechnischer Kommunikation sowohl mit den zweiten Kanälen 14 als
auch mit dem dritten Kanal 16 stehen.
-
13 zeigt
den Strömungsverlauf sowohl des zu kühlenden Gasstroms
in den ersten Kanälen 12 als auch des Stroms des
Kühlmediums in den zweiten und dritten Kanälen 14, 16.
Diese Ausgestaltung ist insbesondere für große
Querschnitte des Gehäuses 10 geeignet, in der
sonst häufig Schwierigkeiten mit einer mangelhaften Kühlung
des im Zentrum des Abgaskanals strömenden Gases auftreten.
In dieser Ausgestaltung findet eine Kühlung des strömenden
Abgases so wohl entlang der inneren als auch entlang der äußeren
Umfangsflächen der ersten Kanäle 12 statt.
Wie zuvor kann auch diese Ausführungsform kombiniert werden
mit einem separat ausgebildeten Mantelteil 22. Darüber
hinaus kann sie ebenfalls kombiniert werden mit einem separat ausgebildeten
vierten Kanal 16, beispielsweise in Form eines im Zentrum
des ersten Kanals 12 angeordneten Rohrs beispielsweise
aus einem hitzebeständigen und korrosionsfestem Stahl.
Schließlich kann auch diese Ausführungsform beispielsweise
durch eine Torsion des stranggepressten Teils 20 spiralig gewundene
Strömungspfade sowohl für das zu kühlende
Gas als auch für den Strom des Kühlmediums bereitstellen.
-
- 1
- Vorrichtung
- 10
- Gehäuse
- 12
- erste
Kanal
- 14
- zweite
Kanal
- 16
- dritte
Kanal
- 18
- vierte
Kanal
- 20
- stranggepresstes
Teil
- 22
- Mantelteil
- 24
- Endkappe
- 26
- Zugang
zum ersten Kanal
- 28
- Zugang
zum zweiten Kanal
- 30
- Anschlussstück
- 32
- Bohrung
- 34
- Hülse
- 36
- Flansch
- 38
- Wand
- 40
- große
Kühlstege
- 42
- kleine
Kühlstege
- 44
- umbördeltes
Ende
- 46
- Ringnut
- 48
- Dichtungsnut
- 50
- Dichtfläche
- 52
- Überströmöffnung
- L
- Längsachse
Gehäuse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1277945
A1 [0002, 0003]