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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Abgaskühlung in Kraftfahrzeugen. Der Wärmeübertrager weist ein Wärmeübertrager-Gehäuse mit einem Abgaseinlass-Adapter und einem Abgasauslass-Adapter auf, welches einen Strömungsraum für ein Kühlmittel umschließend begrenzt und eine Einlassöffnung sowie eine Auslassöffnung für das Kühlmittel aufweist. Der Wärmeübertrager ist zudem mit parallel zueinander angeordneten und Abgas-Strömungskanäle bildenden plattenförmigen Wärmeübertragerelementen ausgebildet, welche vom Abgas durchströmt und vom flüssigen Kühlmittel umströmt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragerelements des Wärmeübertragers.
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Aus dem Stand der Technik sind Systeme der Abgasrückführung in Kraftfahrzeugen bekannt, mit welchen die Stickoxide in den Abgasen von Kraftfahrzeugen, insbesondere in den Abgasen von mit Diesel betriebenen Kraftfahrzeugen, reduziert werden und der Verbrauch von mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen vermindert wird. Bei den gattungsgemäßen Systemen der Abgasrückführung wird der zum Motor angesaugten Frischluft gekühltes oder ungekühltes Abgas zugemischt. Bei der Verbrennung unter hohen Temperaturen entstehen vor allem bei der Verwendung von mageren Gemischen, das heißt im Teillastbereich, im Motor von Kraftfahrzeugen umweltschädliche Stickoxide. Zur Verringerung der Emission der Stickoxide sind ein Absenken der hohen Temperaturspitzen und eine Verminderung des Luftüberschusses bei der Verbrennung notwendig. Durch die geringere Sauerstoffkonzentration des Kraftstoff-Luft-Gemisches werden die Geschwindigkeit des Vorgangs der Verbrennung und damit die maximalen Verbrennungstemperaturen reduziert. Beide Effekte werden durch die Zumischung eines Teilstromes des Abgases zum vom Motor angesaugten Frischluftstrom erzielt. Bei mit Diesel betriebenen Kraftfahrzeugen bewirkt ein System der Abgasrückführung neben der Verminderung des Sauerstoffanteils und der Temperaturspitzen bei der Verbrennung auch die Verminderung der Geräuschemission. Bei mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen mit einem System der Abgasrückführung werden zudem die Drosselverluste vermindert.
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Durch das Beimischen des rückgeführten Abgasstromes mit hohen Temperaturen wird jedoch der Kühleffekt der Abgasrückführung auf die Verbrennung reduziert. Zudem wirkt sich ein vom Motor angesaugtes Luft-Abgas-Gemisch mit hohen Temperaturen negativ auf die Zylinderfüllung und somit auf die Leistungsdichte des Motors aus. Um den negativen Auswirkungen zu begegnen, wird das Abgas vor der Beimischung in einem Wärmeübertrager, dem sogenannten Abgas-Wärmeübertrager oder Abgasrückführungskühler, abgekühlt.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Abgas-Wärmeübertragern bekannt. Zunehmend strengere Gesetzgebungen bezüglich der Abgasnormen und Verbrauchsanforderungen an Kraftfahrzeuge bedingen jedoch einen erhöhten Kühlbedarf bei immer geringer werdendem Platzbedarf der Komponenten im Kraftfahrzeug. Diese gegenläufigen Anforderungen werden von den bekannten Abgas-Wärmeübertragern selten erfüllt.
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In den 1a und 1b ist jeweils ein als Rippen-Wärmeübertrager ausgebildeter Wärmeübertrager 1‘ in einer Explosionsdarstellung aus dem Stand der Technik gezeigt. Der einerseits von Abgas und andererseits von Kühlmittel durchströmte Wärmeübertrager 1‘ weist ein Wärmeübertrager-Gehäuse 2 mit einem ersten Wärmeübertrager-Gehäuseelement 2a und einem zweiten Wärmeübertrager-Gehäuseelement 2b auf, welche im geschlossenen Zustand das vom Wärmeübertrager-Gehäuse 2 umschlossene Volumen vollumfänglich begrenzen. An den Stirnseiten des Wärmeübertrager-Gehäuses 2 sind ein Abgaseinlass 3a und ein Abgasauslass 3b ausgebildet. In den Bereichen der in Längsrichtung L distal zueinander ausgebildeten Abgaseinlass 3a und Abgasauslass 3b wird das vom Wärmeübertrager-Gehäuse 2 umschlossene Volumen durch einen Abgaseinlass-Adapter 4a und einen Abgasauslass-Adapter 4b begrenzt, welche jeweils mit einer Öffnung 5a, 5b, insbesondere einer Durchgangsöffnung, ausgebildet sind.
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Das Wärmeübertrager-Gehäuse 2 umschließt eine Anordnung 6‘ aus mehreren Wärmeübertragerelementen 7‘, welche als Kern 6‘ des Wärmeübertragers 1‘ bezeichnet wird. Die in einer in Richtung der Höhe H übereinander gestapelten plattenförmigen Wärmeübertragerelemente 7‘ weisen ein erstes Wandungselement 7‘a sowie ein zweites Wandungselement 7‘b auf, welche an den in Längsrichtung L ausgerichteten Seitenflächen miteinander fluiddicht verbunden sind. Die Wärmeübertragerelemente 7‘ aus dem Stand der Technik, welche auch in 1c in einer Einzeldarstellung gezeigt sind, sind mit einer geringen Ausdehnung in Richtung der Höhe H, einer mittleren Ausdehnung in Richtung der Breite B und einer größeren Ausdehnung in Längsrichtung L ausgebildet, wobei die Ausdehnung in Richtung der Höhe H wesentlich kleiner ist als die Ausdehnung in Richtung der Breite B und die Ausdehnung in Richtung der Bretie B wesentlich kleiner ist als die Ausdehnung in Längsrichtung L. Die Wärmeübertragerelemente 7‘ weisen zwischen den Wandungselementen 7‘a, 7‘b jeweils ein aus einem Blech gestanztes beziehungsweise umgeformtes Rippenelement 7‘c auf. Bei der Herstellung des Wärmübertragerelements 7‘ wird das Rippenelement 7‘c in das von den Wandungselementen 7‘a, 7‘b umschlossene Volumen eingelegt und mit den Wandungselementen 7‘a, 7‘b verlötet. Während des Betriebs der Wärmeübertragers 1‘ strömt das Abgas entlang der zueinander ausgerichteten Innenseiten der Wandungselemente 7‘a, 7‘b sowie um die Rippen des Rippenelements 7‘c herum und damit durch einen Abgas-Strömungskanal 11 durch das Wärmübertragerelement 7‘ hindurch, während das Kühlmittel auf den Außenseiten der Wandungselemente 7‘a, 7‘b entlang strömt. Die Wandungselemente 7‘a, 7‘b sind mit Auswölbungen 8‘ ausgebildet, welche im zusammengebauten Zustand des Wärmeübertragers 1‘ oder des Kerns des Wärmeübertragers 1‘ aneinanderstoßend angeordnet sind, sodass die mit den Außenseiten zueinander ausgerichteten Wandungselemente 7‘a, 7‘b benachbarter Wärmeübertragerelemente 7‘ beabstandet zueinander angeordnet sind. Zwischen den Wärmeübertragerelementen 7‘ ist folglich ein Spalt ausgebildet, welcher als Strömungspfad für das Kühlmittel dient. Die übereinander gestapelt angeordneten und den Kern des Wärmeübertragers 1‘ bildenden Wärmeübertragerelemente 7‘ sind von den Wärmeübertrager-Gehäuseelementen 2a, 2b umschlossen, wobei auch zwischen den äußeren Wärmeübertragerelementen 7‘ und den Wärmeübertrager-Gehäuseelementen 2a, 2b ein Spalt zur Führung des Kühlmittels ausgebildet ist.
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Das Kühlmittel wird durch eine in einem Wärmeübertrager-Gehäuseelement 2a ausgebildete Einlassöffnung 9a in das vom Wärmeübertrager-Gehäuse 2 umschlossene Volumen eingeleitet und durch eine in einem Wärmeübertrager-Gehäuseelement 2a ausgebildete Auslassöffnung 9b abgeleitet. Dabei strömt das Kühlmittel jeweils durch einen Anschluss 10a, 10b.
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Aus 1d geht der Wärmeübertrager 1‘ aus dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung hervor. Das Abgas wird durch die Öffnung 5a des Abgaseinlass-Adapters 4a in den Wärmeübertrager 1‘ eingeleitet, wird beim Durchströmen des Abgaseinlass-Adapters 4a auf die Wärmeübertragerelemente 7‘ aufgeteilt und strömt durch die Abgas-Strömungskanäle 11 in Längsrichtung L durch den Wärmeübertrager 1‘ hindurch. Innerhalb der Abgas-Strömungskanäle 11 sind die Rippenelemente 7‘c angeordnet, sodass das Abgas an den Rippen entlang strömt, welche insbesondere die Wärmeübertragungsfläche vergrößern. Innerhalb des Abgasauslass-Adapters 4b wird der auf die Abgas-Strömungskanäle 11 aufgeteilte Abgasmassenstrom wieder vermischt und durch die Öffnung 5b des Abgasauslass-Adapters 4b aus dem Wärmeübertrager-Gehäuse 2 abgeleitet.
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Das Kühlmittel strömt durch die Kühlmittel-Strömungskanäle 12, welche jeweils zwischen den benachbart angeordneten Wärmeübertragerelementen 7‘ ausgebildet sind. Die Kühlmittel-Strömungskanäle 12 werden folglich von den Wandungselementen 7‘a, 7‘b beziehungsweise von den Wärmeübertrager-Gehäuseelementen 2a, 2b begrenzt. Die benachbart angeordneten Wärmeübertragerelemente 7‘ sind an den in Längsrichtung L ausgerichteten Stirnseiten fluiddicht miteinander verbunden, das heißt bevorzugt miteinander verlötet oder verschweißt.
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Die 2a und 2b zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Wärmeübertragerelements 7‘‘ aus dem Stand der Technik. Im Unterschied zum I-durchströmten Wärmeübertragerelement 7‘ aus den 1a bis 1d wird das Wärmeübertragerelement 7‘‘ abgasseitig U-durchströmt. Das Abgas strömt dabei an einer von den Wandungselementen 7‘‘a, 7‘‘b offen ausgebildeten Stirnseite in den Abgas-Strömungskanal 11 ein, strömt in Längsrichtung L auf einer Seite des Wärmeübertragerelements 7‘‘ zum zur Stirnseite distal ausgebildeten Ende, wird umgelenkt und strömt wiederum in Längsrichtung L, entgegengesetzt zur Strömungsrichtung nach dem Einströmen durch die Stirnseite durch den Abgas-Strömungskanal 11 zur Stirnseite und anschließend an der Stirnseite aus dem Abgas-Strömungskanal 11 des Wärmeübertragerelements 7‘‘ aus. Zwischen den Wandungselementen 7‘‘a, 7‘‘b ist ein Rippenelement 7‘‘c eingelegt und mit den Wandungselementen 7‘‘a, 7‘‘b bevorzugt verlötet. Eine der Auswölbungen 8‘‘ ist in Längsrichtung L ausgerichtet sowie in Verbindung mit dem Rippenelement 7‘‘c derart ausgebildet, den Strömungskanal in zwei Bereiche zu unterteilen, um das entgegengesetzt gerichtete Strömen des Abgases mit Umlenken der Strömungsrichtung zu gewährleisten.
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Bei den Ausgestaltungen des Wärmeübertragerelements 7‘, gemäß 1a bis 1d, und des Wärmeübertragerelements 7‘‘, gemäß 2a und 2b, des Standes der Technik weist das Wärmeübertragerelement 7‘, 7‘‘ mindestens drei unterschiedliche sowie voneinander getrennte Elemente auf: ein erstes Wandungselement 7‘a, 7‘‘a als obere Hälfte des Abgas-Strömungskanals 11, ein gestanztes Rippenelement 7‘c, 7‘‘c sowie ein zweites Wandungselement 7‘b, 7‘‘b als untere Hälfte des Abgas-Strömungskanals 11. Zur Herstellung der drei Elemente werden dabei mindestens drei verschiedene Stanzwerkzeuge benötigt, was einen hohen Aufwand an Material fordert und hohe Kosten verursacht.
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Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, in ein Rohr mit rechteckigem oder ovalem Querschnitt eine Rippe oder mehrere Rippen einzuschieben und mit der Wandung des Rohres zu verlöten. Dabei wird die Rippe vor dem Einschieben in das Rohr mit Lot bestrichen, alternativ wird auch eine Lötfolie verwendet. Die Rohre mit rechteckigem Querschnitt mit Rippe, welche innerhalb des Abgas-Strömungskanals angeordnet sind, werden an den Enden jeweils in eine End-Loch-Platte eingeschoben, welche im Bereich des Abgaseinlasses beziehungsweise im Bereich des Abgasauslasses angeordnet sind. Eine Vielzahl an Rohren mit rechteckigem Querschnitt mit Rippe und die End-Loch-Platten bilden den Kern des Wärmeübertragers.
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Die Rohre mit rechteckigem oder ovalem Querschnitt sind zumeist als endloslasergeschweißte Rohre ausgebildet, welche eine sehr hohe Präzision sowie ein bestimmtes Höhenmaß der Rippe beziehungsweise des Rippenelements aufweisen müssen, um eine Verlötung der einzelnen Elemente zu gewährleisten. Alternativ kann mit Hilfe eines zusätzlichen Werkzeugs zum Verformen der Rohre, insbesondere zum Eindrücken der Wandung der Rohre mit rechteckigem Querschnitt, der Abstand zwischen der Rohrwand und der Rippe minimiert werden, nachdem das Rippenelement in das Rohr eingeschoben wurde. Hochpräzise Elemente und deren Herstellungsverfahren, welche eine Verlötung des Rohres mit dem Rippenelement erst ermöglichen, verursachen einen hohen Aufwand und hohe Kosten. Zudem ist eine gezielte Führung des Kühlmittels über Auswölbungen 8‘‘, welche insbesondere aus den 2a und 2b hervorgehen, nicht möglich, sodass zusätzliche Leitbleche zum Führen des Kühlmittels eingesetzt werden müssen.
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Die Abgasrückführ-Systeme werden gezielt mit wellenförmigen Rippen ausgebildet, da sich diese insbesondere bei mit Diesel betriebenen Kraftfahrzeugen vorteilhaft auf die mögliche Versottung auswirken. Zudem wird mit wellenförmigen Rippen auch bei Otto-Motoren die Turbulenz des Abgasmassenstroms und somit die Wärmeübertragung vom Abgas an die Rippe und an das Kühlmittel erhöht.
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Eine sichere und gute Verlötung der Rippe beziehungsweise des Rippenelements mit dem jeweiligen Wandungselement oder dem Rohr ist unabdingbar, da erstens der über die Rippe beziehungsweise das Rippenelement aufgenommene Wärmestrom durch das Wandungselement oder die Rohrwand zum Kühlmittel geleitet und an das Kühlmittel übertragen werden soll. Wenn die Rippe beziehungsweise das Rippenelement nicht mit dem Wandungselement oder der Rohrwand verlötet ist, bildet sich ein mit Abgas beaufschlagter Spalt, welcher isolierend wirkt und damit den Wärmedurchgang erheblich verschlechtert. Des Weiteren werden das Abgas und/oder das Kühlmittel mit hohem Druck beaufschlagt, sodass sich zwischen der Innenseite und der Außenseite der Rohrwandung eine hohe Druckdifferenz einstellt. Das Verlöten der Rippe beziehungsweise des Rippenelements mit dem Wandungselement oder der Rohrwand verhindert somit ein Aufblähen und Aufreißen der Rohrwandung.
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Um die Verbindung der Rippe beziehungsweise des Rippenelements mit dem Wandungselement oder der Rohrwand großflächig sicherzustellen, ist zum einen eine hohe Genauigkeit mit äußerst geringen Toleranzen der Abmessung der Rippen, insbesondere der Rippenhöhe, sowie der Wandungselemente zwingend erforderlich. Zum anderen wird bei der Herstellung der bekannten Wärmeübertrager sehr viel Lot verwendet, was bei kostenintensiver Lötpaste bei der Herstellung hohe Kosten verursacht. Zudem muss der Lötprozess eine gute Verbindung der Elemente sicherstellen, durch eine schlechte Verbindung wird die Stabilität gemindert und das Risiko eines Risses steigt an.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmeübertrager zur Abgaskühlung in Kraftfahrzeugen bereitzustellen, welcher bei einem geringen gasseitigen Druckverlust eine hohe Kühlleistung aufweist. Der Wärmeübertrager soll durch eine kompakte Bauart zudem platzsparend sein. Bei minimaler Anzahl der einzelnen Elemente sollen die Robustheit sowie die Standfestigkeit und damit die Lebensdauer des Wärmeübertragers maximal sein. Die anfallenden Kosten für die Herstellung sollen minimal sein.
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Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager zur Abgaskühlung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gelöst. Der Wärmeübertrager weist ein Wärmeübertrager-Gehäuse mit einem Abgaseinlass-Adapter und einem Abgasauslass-Adapter auf, welches einen Strömungsraum für ein Kühlmittel umschließend begrenzt und eine Einlassöffnung sowie eine Auslassöffnung für das Kühlmittel aufweist. Der Wärmeübertrager ist zudem mit parallel zueinander angeordneten und Abgas-Strömungskanäle bildenden plattenförmigen Wärmeübertragerelementen ausgebildet, welche vom Abgas durchströmt und vom flüssigen Kühlmittel umströmt werden.
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Nach der Konzeption der Erfindung weist ein Wärmeübertragerelement zwei Wandungselemente jeweils mit einer Oberseite und einer Unterseite auf. Die Wandungselemente sind dabei an gegenüberliegenden, in einer Längsrichtung ausgerichteten Seitenflächen fluiddicht miteinander verbunden und sind an der Oberseite sowie an der Unterseite mit Rippen ausgebildet. Die Rippen sind dabei einerseits auf einer Innenseite und innerhalb des Abgas-Strömungskanals sowie andererseits auf einer Außenseite des Wärmeübertragerelements angeordnet. Zudem sind benachbart, mit Außenseiten zueinander angeordnete Wärmeübertragerelemente an einander anliegenden Stirnseiten einen Kühlmittel-Strömungskanal ausbildend fluiddicht miteinander verbunden. Dabei sind die auf der Außenseite angeordneten Rippen innerhalb eines Kühlmittel-Strömungskanals angeordnet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Wandungselemente identisch ausgebildet.
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Die Rippen sind in der Längsrichtung bevorzugt wellenförmig ausgebildet. Die Rippen weisen vorteilhaft im Wesentlichen eine konstante Höhe auf. Dabei wird die Höhe lediglich zu einem Einlassbereich und zu einem Auslassbereich hin, jeweils einen Strömungsquerschnitt ausbildend, geringer. Der Einlassbereich und der Auslassbereich sind jeweils an gegenüberliegenden Stirnseiten der Wärmeübertragerelemente und damit an den Enden der sich in Längsrichtung erstreckenden Rippen ausgebildet. Der durch die Verringerung der Höhe der Rippen freigegebene Strömungsquerschnitt verläuft jeweils in einer Querrichtung, das heißt senkrecht zur Längsrichtung und damit senkrecht zu den Rippen.
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Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist der Einlassbereich und/oder der Auslassbereich einen konstanten Strömungsquerschnitt auf. Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weisen der Einlassbereich in einer Strömungsrichtung einen kleiner werdenden Strömungsquerschnitt und der Auslasssbereich in Strömungsrichtung einen größer werdenden Strömungsquerschnitt auf. Die angegebene Strömungsrichtung bezieht sich bevorzugt auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels, welches im Einlassbereich sowie im Auslassbereich vorteilhaft senkrecht zur Längsrichtung und damit senkrecht zu den Rippen in den Wärmeübertrager einströmt beziehungsweise aus dem Wärmeübertrager ausströmt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Rippen innerhalb der Strömungsquerschnitte des Abgas-Strömungskanals und des Kühlmittel-Strömungskanals unterschiedliche Abstände zueinander auf. Die Strömungsquerschnitte von Abgas-Strömungskanal und Kühlmittel-Strömungskanal sind folglich unterschiedlich unterteilt. Damit werden die Druckverluste des Abgasmassenstroms reduziert und die übertragene Wärmeleistung erhöht.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Wandungselement aus einem Blech mit eingeformten Rippen ausgebildet. Das Wandungselement weist an den in Längsrichtung verlaufenden Seitenflächen bevorzugt jeweils eine erste Seitenwand auf, welche sich von einer ersten Stirnseite bis zu einer zweiten Stirnseite erstreckt. Zudem ist das Wandungselement an den in einer Richtung einer Breite verlaufenden Stirnseiten vorteilhaft jeweils mit einer zweiten Seitenwand ausgebildet, welche sich von einer ersten Seitenfläche bis zu einer zweiten Seitenfläche erstreckt. Die Seitenwände sind zur Oberseite beziehungsweise zur Unterseite des Wandungselements bevorzugt abgewinkelt angeordnet.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Wandungselemente aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet. Die Wandungselemente sind bevorzugt miteinander verlötet.
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Die Wärmeübertragerelemente sind jeweils an den Stirnseiten und an den Seitenflächen vorteilhaft fluchtend zueinander angeordnet.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist ebenso zur Ladeluftkühlung geeignet. Dabei ist der Wärmeübertrager speziell im Ansaugbereich eines Verbrennungsmotors angeordnet und dient dem Verringern der Temperatur der dem Motor zugeführten Verbrennungsluft. Die Wärme wird von der Luft abgeführt und beispielsweise an das Kühlmittel übertragen.
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Der Wärmeübertrager ist vorteilhaft aus Aluminium ausgebildet.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragerelements aus Wandungselementen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gelöst. Das Verfahren weist konzeptionsgemäß folgende Schritte auf:
- – Stanzen mindestens zweier zusammenhängender Wandungselemente aus einem Blech,
- – Umbiegen eines Wandungselements jeweils in einem Winkel von 90° um zwei in einer zwischen den Wandungselementen angeordneten Seitenfläche in Längsrichtung verlaufende, parallel zueinander angeordnete Biegelinien und Auflegen des einen umgeklappten Wandungselements auf das andere Wandungselement,
- – Verschließen eines Abgas-Strömungskanals durch einseitiges Verlöten oder Verschweißen entlang einer Verbindungslinie der aneinanderliegenden Seitenflächen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden mit dem Verfahren mindestens zwei Wärmeübertragerelemente aus Wandungselementen hergestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Stanzen mindestens vier zusammenhängender Wandungselemente aus einem Blech, wobei zwischen den Wandungselementen Bereiche ausgebildet sind, welche während des Verfahrens umgeformt werden,
- – Umbiegen zweier nebeneinander angeordneter Wandungselemente jeweils in einem Winkel von 90° um zwei in einer zwischen den Wandungselementen angeordneten Seitenfläche in Längsrichtung verlaufende, parallel zueinander angeordnete Biegelinien und Auflegen der zwei umgeklappten Wandungselemente auf die anderen zwei Wandungselemente,
- – Umbiegen zweier übereinander angeordneter Wandungselemente jeweils in einem Winkel von 90° um zwei in einer zwischen den Wandungselementen angeordneten Stirnseite in einer Querrichtung verlaufende, parallel zueinander angeordnete Biegelinien und Auflegen der zwei umgeklappten Wandungselemente auf die anderen zwei Wandungselemente,
- – Verschließen zweier Abgas-Strömungskanäle und eines Kühlmittel-Strömungskanals durch einseitiges Verlöten oder Verschweißen entlang von Verbindungslinien der aneinanderliegenden Seitenflächen und Stirnseiten.
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Der erfindungsgemäße Plattenwärmeübertrager mit Rippengeometrie, insbesondere mit Wellenrippenform, weist im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Wandungselemente weitere diverse Vorteile auf:
- – geringer gasseitiger Druckverlust und hohe übertragbare Wärmeleistung,
- – platzsparend durch kompakte Bauart,
- – minimale Anzahl an einzelnen Elementen, maximale Standfestigkeit und Lebensdauer, wobei bei der Ausbildung des Wärmeübertragers beziehungsweise der Wärmeübertragerelemente aus identischen Wandungselementen lediglich ein Stanzwerkzeug benötigt wird,
- – Reduzierung der Komplexität der Baugruppe bei der Fertigung und minimieren der Versagensmechanismen durch unzureichendes Verlöten an Verbindungen,
- – Wandungselemente mit Rippenkontur weisen eine ausreichend hohe Steifigkeit auf, um beiderseits wirkenden Drücken, das heißt Innendrücken und Außendrücken standzuhalten, sodass auch auf eine Verlötung der Rippenkonturen benachbart angeordneter Wandungselemente verzichtet werden kann, wobei eine erhebliche Menge an Lötpaste eingespart wird und ein Versagen des Wärmeübertragers aufgrund unzureichender Verlötung der Rippenkonturen entfällt,
- – geringe Anforderungen an die Toleranzen bei der Herstellung, insbesondere der Rippengeometrie, speziell der Rippenhöhe, der Wandungselemente, wobei lediglich die aufgeweiteten Anfangsbereiche und Endbereiche der Strömungskanäle eine hohe Genauigkeit aufweisen müssen, da die beiden einen Strömungskanal begrenzenden Wandungselemente im Bereich der Rippen nicht aneinander anliegen müssen,
- – geringerer Materialeinsatz bei gleicher übertragbarer Leistung, damit Schonung von Recourcen,
- – ein geringeres Gewicht des Wärmeübertragers reduziert das Gewicht des Kraftfahrzeugs und die zu bewegende Masse, was Kraftstoff einspart und den Ausstoß von Kohlendioxid verringert, sowie
- – minimale Kosten für die Herstellung, auch durch Verzicht auf großflächige Verlötungen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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3: als Rippen-Wärmeübertrager ausgebildeter Wärmeübertrager in einer Explosionsdarstellung,
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4a bis 4d: Zusammensetzen von Wärmeübertragerelementen aus Wandungselementen, welche einen Abgas-Strömungskanal und einen Kühlmittel-Strömungskanal ausbilden, in perspektivischer Ansicht,
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5a, 5b: vier zusammengesetzte Wandungselemente aus 4d mit jeweils einem Einlassbereich und einem Auslassbereich für das Kühlmittel in Seitenansicht und in Draufsicht,
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6: Wandungselemente mit ausgebildeten Einlassbereichen und Auslassbereichen für das Kühlmittel in Draufsicht,
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7: Wärmeübertrager im Zusammenbau ohne umschließende Wärmeübertrager-Gehäuseelemente in Seitenansicht,
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8a, 8b: Wärmeübertrager im Zusammenbau ohne umschließende Wärmeübertrager-Gehäuseelemente in perspektivischer Seitenansicht und in Draufsicht,
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9: Wandungselement eines Wärmeübertragerelements für einen U-durchströmtem Abgas-Strömungskanal in perspektivischer Ansicht,
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10a, 10b: unterschiedliche Rippengeometrie auf Abgasseite und Kühlmittelseite schematisch und in Schnittdarstellung der Strömungskanäle,
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11a: Wärmeübertragerelement aus aus einem Stück gefertigtem ersten und zweiten Wandungselement sowie
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11b: mehrere Wärmeübertragerelemente aus 11a in einem zu einem Kern des Wärmeübertragers zusammengesetzten Zustand mit einem Abgasauslass-Adapter,
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12a bis 12c: Schritte zum Herstellen eines Wärmeübertragerelements, ähnlich 11a, und Zusammensetzen zu einem Kern des Wärmeübertragers,
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13a bis 13c: Herstellen eines Wärmeübertragerelements aus aus einem Stück gefertigten Wandungselementen sowie
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14a, 14b: vergleichende Darstellung des Wärmeübertragers mit einem Wärmeübertrager aus dem Stand der Technik jeweils im Zusammenbau ohne umschließende Wärmeübertrager-Gehäuseelemente in perspektivischer Seitenansicht.
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3 zeigt einen als Rippen-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager 1 in einer Explosionsdarstellung. Der von Abgas und von Kühlmittel durchströmte Wärmeübertrager 1 ist mit einem Wärmeübertrager-Gehäuse 2 ausgebildet, welches ein erstes Wärmeübertrager-Gehäuseelement 2a und ein zweites Wärmeübertrager-Gehäuseelement 2b aufweist, welche im geschlossenen Zustand das vom Wärmeübertrager-Gehäuse 2 umschlossene Volumen vollumfänglich begrenzen. An den Stirnseiten des Wärmeübertrager-Gehäuses 2 sind ein Abgaseinlass 3a und ein Abgasauslass 3b ausgebildet. In den Bereichen der in Längsrichtung L distal zueinander ausgebildeten Abgaseinlass 3a und Abgasauslass 3b wird das vom Wärmeübertrager-Gehäuse 2 umschlossene Volumen durch einen Abgaseinlass-Adapter 4a und einen Abgasauslass-Adapter 4b begrenzt, welche jeweils mit einer Öffnung 5a, 5b, insbesondere einer Durchgangsöffnung, ausgebildet sind.
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Das Wärmeübertrager-Gehäuse 2 umschließt eine Anordnung 6 aus mehreren Wärmeübertragerelementen 7, welche auch als Kern 6 des Wärmeübertragers 1 bezeichnet wird. Die in einer in Richtung der Höhe H übereinander gestapelten plattenförmigen Wärmeübertragerelemente 7 sind jeweils aus zwei Wandungselementen 7d ausgebildet, welche an den in Längsrichtung L ausgerichteten Seitenflächen fluiddicht miteinander verbunden sind. Die Wärmeübertragerelemente 7 sind mit einer geringen Ausdehnung in Richtung der Höhe H, einer mittleren Ausdehnung in Richtung der Breite B und einer größeren Ausdehnung in Längsrichtung L ausgebildet, wobei die Ausdehnung in Richtung der Höhe H wesentlich kleiner ist als die Ausdehnung in Richtung der Breite B und die Ausdehnung in Richtung der Breie B wesentlich kleiner ist als die Ausdehnung in Längsrichtung L. Die zur Anordnung 6 zusammengesetzten Wandungselemente 7d der Wärmeübertragerelemente 7 sind an den Stirnseiten fluchtend zueinander angeordnet.
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Die bevorzugt aus Blech gestanzten Wandungselemente 7d weisen auf den Oberflächen, das heißt an der Oberseite und an der Unterseite, jeweils Rippen, insbesondere wellenförmig ausgebildete Rippen, auf. Die Rippen sind dabei mit einer konstanten Höhe ausgebildet. Die Wellenform der Rippen bezieht sich auf die Ausdehnung in Längsrichtung L beziehungsweise in Richtung der Breite B des Wandungselements 7d.
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Die Wandungselemente 7d sind im zusammengebauten Zustand des Wärmeübertragers 1 beziehungsweise des Kerns 6 des Wärmeübertragers 1 jeweils mit den Rippen zueinander angeordnet, sodass auch die mit den Außenseiten zueinander ausgerichteten Wandungselemente 7d benachbarter Wärmeübertragerelemente 7 mit den Längskanten der Rippen zueinander angeordnet sind. Die Außenseiten der Wärmeübertragerelemente 7 bilden folglich einen Spalt aus, welcher als Kühlmittel-Strömungskanal 12 dient und Rippen aufweist. Nach einer ersten alternativen Ausgestaltungsform liegen die beiden einen Strömungskanal 11, 12 begrenzenden Wandungselemente 7d im Bereich der Rippen nicht aneinander an. Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltungsform liegen die innerhalb des Kühlmittel-Strömungskanals 12 angeordneten Rippen aneinander an, während zwischen den innerhalb des Abgas-Strömungskanals 11 angeordneten Rippen ein Spalt ausgebildet ist. Die benachbart angeordneten Wandungselemente 7d können an den aneinander anliegenden Bereichen der Rippen miteinander verlötet oder verschweißt sein.
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Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltungsform sind zwei benachbart angeordnete Wandungselemente 7d derart ausgebildet, dass abgasseitig und/oder kühlmittelseitig zwischen den benachbart angeordneten Rippen ein Spalt entsteht. Dabei liegen die Rippen in vorbestimmten Abständen aneinander an, sodass örtlich kein Spalt ausbildet ist und die Rippen miteinander verbunden, vorteilhaft verlötet, sind. Damit kann die Anordnung je nach der Größe der Beanspruchungen mit geringem Lotaufwand versteift werden.
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Die in Richtung der Höhe H übereinander gestapelt angeordneten und den Kern 6 des Wärmeübertragers 1 bildenden Wärmeübertragerelemente 7 sind von den Wärmeübertrager-Gehäuseelementen 2a, 2b umschlossen, wobei auch jeweils zwischen den äußeren Wärmeübertragerelementen 7 des Kerns 6 und den Wärmeübertrager-Gehäuseelementen 2a, 2b ein Kühlmittel-Strömungskanal 12 ausgebildet ist. Die benachbart angeordneten Wärmeübertragerelemente 7 sind an den bevorzugt fluchtend ausgerichteten Stirnseiten fluiddicht miteinander verbunden, das heißt bevorzugt miteinander verlötet oder verschweißt.
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Während des Betriebs des Wärmeübertragers 1 strömt das Abgas entlang der zueinander ausgerichteten Innenseiten der Wandungselemente 7d sowie um die an den Innenseiten ausgebildeten wellenförmigen Rippen der Wandungselemente 7d herum und damit durch einen Abgas-Strömungskanal 11 durch das Wärmübertragerelement 7 hindurch, während das Kühlmittel auf den Außenseiten der Wandungselemente 7d sowie um die an den Außenseiten ausgebildeten wellenförmigen Rippen der Wandungselemente 7d entlang strömt. Das Abgas wird dabei durch die Öffnung 5a des Abgaseinlass-Adapters 4a in den Wärmeübertrager 1 eingeleitet, wird beim Durchströmen des Abgaseinlass-Adapters 4a auf die Wärmeübertragerelemente 7 aufgeteilt und strömt durch die Abgas-Strömungskanäle 11 in Längsrichtung L durch den Wärmeübertrager 1 hindurch. Das Abgas strömt beim Beaufschlagen der Abgas-Strömungskanäle 11 entlang der an den Wandungselementen 7d ausgebildeten Rippen, welche insbesondere die Wärmeübertragungsfläche für das Abgas vergrößern. Innerhalb des Abgasauslass-Adapters 4b wird der auf die Abgas-Strömungskanäle 11 aufgeteilte Abgasmassenstrom wieder vermischt und durch die Öffnung 5b des Abgasauslass-Adapters 4b aus dem Wärmeübertrager-Gehäuse 2 abgeleitet. Das Kühlmittel wird durch die in einem Wärmeübertrager-Gehäuseelement 2a ausgebildete Einlassöffnung 9a in das vom Wärmeübertrager-Gehäuse 2 umschlossene Volumen eingeleitet und durch die in einem Wärmeübertrager-Gehäuseelement 2a ausgebildete Auslassöffnung 9b abgeleitet. Dabei strömt das Kühlmittel jeweils durch einen nicht dargestellten Anschluss für das Kühlmittel an einen Kühlmittelkreislauf. Nach dem Einströmen in den Wärmeübertrager 1 wird das Kühlmittel in Teilmassenströme aufgeteilt und durch die jeweils zwischen den benachbart angeordneten Wärmeübertragerelementen 7 beziehungsweise von den Wärmeübertrager-Gehäuseelementen 2a, 2b begrenzten Kühlmittel-Strömungskanäle 12 geleitet sowie anschließend vermischt und durch die in dem Wärmeübertrager-Gehäuseelement 2a ausgebildete Auslassöffnung 9b abgeleitet. Dabei strömt das Kühlmittel jeweils durch einen nicht dargestellten Anschluss für das Kühlmittel an den Kühlmittelkreislauf.
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Aus den 4a bis 4d geht das Zusammensetzen von Wärmeübertragerelementen 7 aus Wandungselementen 7d in perspektivischer Ansicht hervor. Die Wandungselemente 7d bilden im zusammengesetzten Zustand des Kerns 6 mindestens einen Abgas-Strömungskanal 11 und mindestens einen Kühlmittel-Strömungskanal 12 aus.
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Jedes einzelne aus einem Blech gestanzte Wandungselement 7d weist auf der Oberseite und der Unterseite Rippen auf, welche eine Rippenkontur ausbilden. Mit der Ausbildung der Rippe auf der Oberseite geht gleichfalls die Ausbildung der Rippe auf der Unterseite einher. Die Rippen sind dabei in Längsrichtung L des Wandungselements 7d wellenförmig ausgebildet. Die Rippen sind zudem parallel zueinander angeordnet, sodass die Strömungsquerschnitte der zwischen den Rippen ausgebildeten Spalte stets konstant sind und die Strömunsgquerschnitte benachbart ausgebildeter Spalte gleich sind. Dabei verlaufen die Wellen der Rippen gleichmäßig zueinander, die Rippen benachbart angeordneter Wandungselemente 7d verlaufen parallel. Nach einer alternativen Ausgestaltungsform sind die Rippen benachbart angeordneter Wandungselemente 7d gegenläufig beziehungsweise versetzt zueinander ausgebildet, sodass die Rippen nicht über die gesamte Längsausdehnung gegenüber liegend angeordnet sind, sondern lediglich in Kontaktbereichen aneinander anliegen, in welchen die Rippen sich miteinander kreuzend angeordnet sind.
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An den in Längsrichtung L verlaufenden Längsseiten weisen die Wandungselemente 7d jeweils eine erste Seitenwand 13 auf, welche sich von der ersten Stirnseite bis hin zur zweiten Stirnseite des Wandungselements 7d erstreckt. Die ersten Seitenwände 13 sind mit einer konstanten Höhe, das heißt einer konstanten Abmessung in Richtung der Höhe H, ausgebildet und weisen in eine gemeinsame Richtung der Höhe H. An den in Richtung der Breite B verlaufenden Schmalseiten weisen die Wandungselemente 7d jeweils eine zweite Seitenwand 14 auf, welche sich von der ersten Längsseite bis hin zur zweiten Längsseite des Wandungselements 7d erstreckt. Die zweiten Seitenwände 14 sind mit einer konstanten Höhe, das heißt einer konstanten Abmessung in Richtung der Höhe H, ausgebildet und weisen in eine gemeinsame Richtung der Höhe H. Die ersten Seitenwände 13 und die zweiten Seitenwände 14 sind in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet. Die Seitenwände 13, 14 sind zur Oberfläche des Wandungselements 7d abgewinkelt, bevorzugt in einem Winkel von 90°, angeordnet.
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Durch ein Zusammensetzen zweier Wandungselemente 7d, gemäß 4b, derart, dass die ersten Seitenwände 13 der Wandungselemente 7d aneinander anliegen, wird ein Abgas-Strömungskanal 11 vollumfänglich begrenzt. Die jeweils gegenüberliegenden Flächen mit den Rippen 15 sowie die aneinander anliegenden ersten Seitenwände 13 umschließen den Abgas-Strömungskanal 11. Die ersten Seitenwände 13 werden an den Berührungsflächen miteinander verlötet oder verschweißt, sodass an den Längsseiten der Wandungselemente 7d eine fluiddichte Begrenzung ausgebildet ist. Die zweiten Seitenwände 14 sind in entgegengesetzter Richtung zueinander angeordnet.
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Durch ein weiteres Zusammensetzen der zwei bereits miteinander verbundenen Wandungselemente 7d mit einem dritten Wandungselement 7d, gemäß 4c, derart, dass die zweiten Seitenwände 14 der Wandungselemente 7d aneinander anliegen, wird ein Kühlmittel-Strömungskanal 12 vollumfänglich begrenzt. Die jeweils gegenüberliegenden Flächen mit den Rippen 15 sowie die aneinander anliegenden zweiten Seitenwände 14 umschließen den Kühlmittel-Strömungskanal 12. Die zweiten Seitenwände 14 werden an den Berührungsflächen miteinander verlötet oder verschweißt, sodass an den Stirnseiten der Wandungselemente 7d eine fluiddichte Begrenzung ausgebildet ist. Die ersten Seitenwände 13 sind in jeweils entgegengesetzter Richtung zueinander angeordnet.
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Beim Verschweißen sind die zu verbindenden Seitenwände 13, 14 vorteilhaft jeweils auf Stoß zueinander angeordnet, während die zu verbindenden Seitenwände 13, 14 beim Verlöten bevorzugt überlappend angeordnet sind, sodass die Berührungsflächen beim Verlöten größer sind als beim Verschweißen.
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Je nach Bedarf und erforderlicher Größe des Wärmeübertragers 1 wird eine bestimmte Anzahl an aus jeweils zwei Wandungselementen 7d ausgebildeten Wärmeübertragerelementen 7 miteinander verbunden, wobei benachbart angeordnete Wandungselemente 7d in Richtung der Höhe H stets entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Die an den Stirnseiten mit den zweiten Seitenwänden 14 fluchtend ausgerichteten Wandelemente 7d beziehungsweise Wärmeübertragerelemente 7 bilden den Kern 6 des Wärmeübertragers 1, in welchem die Abgas-Strömungskanäle 11 und die Kühlmittel-Strömungskanäle 12 stets abwechselnd angeordnet sind.
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In den 5a und 5b sind die vier zusammengesetzten Wandungselemente 7d aus 4d mit jeweils einem gekennzeichneten Einlassbereich 17 und einem gekennzeichneten Auslassbereich 18 für das Kühlmittel in Seitenansicht und in Draufsicht dargestellt. Dabei strömt das Kühlmittel in Strömungsrichtung 16 durch den Einlassbereich 17 in den Kühlmittel-Strömungskanal 12 ein. Das Kühlmittel wird entlang der Stirnseite der Wandungselemente 7d beziehungsweise entlang der zweiten Seitenwände 14 eingeleitet und auf die zwischen den Rippen 15 ausgebildeten Spalte verteilt. Die Strömungsrichtung 16 des Kühlmittels ändert sich im Einlassbereich 17 um 90°. Nach dem Durchströmen der zwischen den Rippen 15 ausgebildeten Spalte wird das Kühlmittel im Auslassbereich 18 wieder vermischt, erfährt eine Änderung der Strömungsrichtung 16 um 90° und wird aus dem Kühlmittel-Strömungskanal 12 herausgeleitet.
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Die Ausdehnung der Rippen 15 und damit der Rippenkontur in Richtung der Höhe H beziehungsweise die Eindrücktiefe der Rippenkontur nimmt für das Kühlmittel und auch für das Abgas zu den Einlassbereichen 17 und den Auslassbereichen 18 hin stetig ab. Damit ergeben sich sowohl im Einlassbereich 17 als auch im Auslassbereich 18 kühlmittelseits jeweils ein Freiraum zur Verteilung und Vermischung des Kühlmittels.
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Nach einer alternativen nicht dargestellten Ausgestaltungsform nimmt die Rippenkontur in Richtung der Höhe H beziehungsweise die Eindrücktiefe der Rippenkontur zu den Einlassbereichen 17 und den Auslassbereichen 18 hin lediglich kühlmittelseitig stetig ab und bleibt abgasseitig unverändert.
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Die Freiräume zum Führen des Kühlmittels können je nach Position der Anschlüsse 10a, 10b des Kühlmittels am Wärmeübertrager-Gehäuse 2 anhand der Eindrücktiefe der Rippen 15 unterschiedlich ausgebildet sein. Bei der Ausgestaltung der Wärmeübertragerelemente 7d nach 5b weisen sowohl der Einlassbereich 17 als auch der Auslassbereich 18 des Kühlmittels gleichbleibende und damit konstante Strömungsquerschnitte für das Kühlmittel auf. Die Anschlüsse 10a, 10b für das Kühlmittel sind an entgegengesetzt liegenden ersten Seitenwänden 13 der Wärmeübertragerelemente 7d angeordnet. Der Kühlmittel-Strömungskanäle 12 werden ohne Richtungsumkehr von einer ersten Stirnseite zu einer zweiten Stirnseite und damit I-durchströmt.
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6 zeigt Wandungselemente 7d mit ausgebildeten Einlassbereichen 17 und Auslassbereichen 18 für das Kühlmittel in Draufsicht. In 7 ist ein Wärmeübertrager 1 im Zusammenbau ohne umschließende Wärmeübertrager-Gehäuseelemente 2a, 2b in Seitenansicht dargestellt. Aus den 8a und 8b geht ein Wärmeübertrager 1 im Zusammenbau ohne umschließende Wärmeübertrager-Gehäuseelemente 2a, 2b in perspektivischer Seitenansicht und in Draufsicht hervor.
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In der ersten Ansicht aus 6 ist die Ausgestaltungsform des Einlassbereichs 17 und des Auslassbereichs 18 gemäß 5b verdeutlicht. Der Strömungsbereich 19 des Kühlmittels weist eine rechteckige Form auf. Die Anschlüsse 10a, 10b für das Kühlmittel können sowohl an entgegengesetzt liegenden ersten Seitenwänden 13 der Wärmeübertragerelemente 7d, gemäß 5b, oder an einer gemeinsamen ersten Seitenwand 13 angeordnet sein. Die Strömungsquerschnitte von Einlassbereich 17 und Auslassbereich 18 entlang der zweiten Seitenwände 14 sind konstant.
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In der zweiten Ausgestaltungsform, gemäß der zweiten Ansicht aus 6 sowie gemäß 7, weist der Strömungsbereich 19 des Kühlmittels eine Form eines Parallelogramms auf. Die Anschlüsse 10a, 10b für das Kühlmittel sind dabei an entgegengesetzt liegenden ersten Seitenwänden 13 der Wärmeübertragerelemente 7d beziehungsweise an entgegengesetzt liegenden Längsseiten des Wärmeübertragers 1, ähnlich 5b, angeordnet.
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In der dritten Ausgestaltungsform, gemäß der dritten Ansicht aus 6 sowie den 8a und 8b, weist der Strömungsbereich 19 des Kühlmittels eine Form eines Trapezes auf. Die Anschlüsse 10a, 10b für das Kühlmittel sind dabei an einer gemeinsamen ersten Seitenwand 13 der Wärmeübertragerelemente 7d beziehungsweise an einer gemeinsamen Längsseite des Wärmeübertragers 1 angeordnet. Die Ausdehnung der ersten Seitenwände 13 in Richtung der Höhe H ist an die Rippen 15 beziehungsweise an die Rippenkontur angepasst. Dabei entsprechen die Formen der ersten Seitenwände 13 den jeweils benachbart angeordneten Rippen 15.
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Sowohl bei der zweiten als auch bei der dritten Ausgestaltungsform wird der Strömungsquerschnitt für das Kühlmittel im Einlassbereich 17 in Strömungsrichtung 16 des Kühlmittels kleiner, während der Strömungsquerschnitt für das Kühlmittel im Auslassbereich 18 in Strömungsrichtung 16 des Kühlmittels und damit in Richtung entlang der zweiten Seitenwände 14 größer wird.
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Aus 9 geht ein Wandungselement 7d eines Wärmeübertragerelements 7 für einen U-durchströmtem Abgas-Strömungskanal 11 in perspektivischer Ansicht hervor. Das Abgas wird mittels eines in einem Einlass-/Auslassbereich 22 des Abgases angeordneten Abgasleitelements 20 in Strömungsrichtung 21 durch einen ersten Teil des Strömungskanals 11 geleitet. Der erste Teil des Strömungskanals 11 wird dabei durch eine erste Seitenwand 13 und eine bezüglich der Breite B mittig, in Längsrichtung L angeordnete Rippe 15 von einem zweiten Teil des Strömungskanals 11 getrennt. Die abgasseitig eine Trennwand zwischen dem ersten und dem zweiten Teil des Strömungskanals 11 ausbildenden Rippen 15 zweier benachbart angeordneter Wandungselemente 7d verlaufen ausschließlich parallel und liegen gasdicht aneinander an, sodass kein Spalt entsteht. Eine gegenläufige Anordnung dieser Rippen 15 ist ausgeschlossen. Diese bezüglich der Breite B mittig, in Längsrichtung L angeordneten Rippen 15 sind vorteilhaft miteinander verlötet. Nach dem Ausströmen des Abgases aus dem ersten Teil des Strömungskanals 11 in einen an einer Stirnseite des Wandungselements 7d ausgebildeten Umlenkbereich 23 wird die Strömungsrichtung des Abgases um 180° umgelenkt und das Abgas durch den zweiten Teil des Strömungskanals 11 zurück zum Einlass-/Auslassbereich 22 des Abgases geleitet. Die Rippen 15 sind im Umlenkbereich 23 abgasseitig derart ausgebildet, dass die Höhe zum Ende des Wandungselements 7d hin einen Umlenkströmungsquerschnitt ausbildend geringer wird. Die Höhe der Rippen 15 kann dabei bis auf 0 mm abnehmen. Die nicht dargestellten Abgaseinlass 3a und Abgasauslass 3b des Wärmeübertrager-Gehäuses 2 sind dabei an einer Stirnseite des Wärmeübertragers 1 angeordnet.
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Die 10a und 10b zeigen unterschiedliche Rippengeometrien auf der Abgasseite und der Kühlmittelseite schematisch, gemäß 10a, und in Schnittdarstellung der Abgas-Strömungskanäle 11 sowie der Kühlmittel-Strömungskanäle 12, gemäß 10b.
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In der oberen Ansicht aus 10a teilt die Rippe 15 die Strömungskanäle 11, 12 in gleiche Strömungsquerschnitte auf. Die Rippe 15 ist derart ausgebildet, dass gleiche Abstände für die Strömungskanäle 11, 12 vorliegen. Mit einer ungleichen Aufteilung der Abstände für die Strömungskanäle 11, 12, gemäß der unteren Ansicht aus 10a sowie 10b, können die abgasseitigen Strömungsquerschnitte, das heißt die Strömungsquerschnitte der Abgas-Strömungskanäle 11, vergrößert werden. Damit werden gleichzeitig die kühlmittelseitigen Strömungsquerschnitte, das heißt die Strömungsquerschnitte der Kühlmittel-Strömungskanäle 12, verringert. Die Anpassung der Rippen 15 bewirkt eine verbesserte Übertragung der Wärmeleistung. Das Vergrößern der Strömungsquerschnitte der Abgas-Strömungskanäle 11 führt zudem zu einer Verringerung der abgasseitigen Druckverluste.
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In 11a ist ein Wärmeübertragerelement 7 dargestellt, welches aus aus einem Stück gefertigten erstem und zweitem Wandungselement 7d ausgebildet ist. 11b zeigt mehrere Wärmeübertragerelemente 7 aus 11a in einem zu einem Kern 6 des Wärmeübertragers 1 zusammengesetzten Zustand mit einem Abgasauslass-Adapter 4b eines Abgasauslasses 3b des Gehäuses 2.
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Das erste Wandungselement 7d, auch als untere Rippenplatte bezeichnet, und das zweite Wandungselement 7d, auch als obere Rippenplatte bezeichnet, werden in einem Stanzbauteil gefertigt. Durch Umbiegen des zweiten Wandungselements 7d jeweils in einem Winkel von 90° um zwei durch die hintere erste Seitenwand 13 in der Längsrichtung L parallel zueinander verlaufende, nicht dargestellte Biegelinien wird das zweite Wandungselement 7d auf das erste Wandungselement 7d aufgelegt und der Abgas-Strömungskanal 11 umschlossen. Mittels eines einseitigen Verlötens oder Verschweißens entlang einer Verbindungslinie 24 der Seitenkanten der aneinanderliegenden ersten Seitenwände 13 wird der Abgas-Strömungskanal 11 in Längsrichtung L gasdicht verschlossen. Durch ein Übereinanderstapeln der derart gefertigten Wärmeübertragerelemente 7 in Richtung der Höhe H und einem anschließenden Verbinden der gestapelten Wärmeübertragerelemente 7 mit den Elementen des Wärmeübertrager-Gehäuses 2, beispielsweise mit dem dargestellten Abgasauslass-Adapter 4b, wird der Wärmeübertrager 1 zusammengebaut.
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Bei der Herstellung der Wärmeübertragerelemente 7 aus den Wandungselementen 7d mit den ersten Seitenwänden 13, den zweiten Seitenwänden 14 und speziell den Rippen 15 beziehungsweise der Rippengeometrie, werden geringe Anforderungen an die Toleranzen, insbesondere der Rippengeometrie und speziell der Ausdehnung der Rippen 15 in Richtung der Höhe H, gestellt, da die beiden einen Strömungskanal 11, 12 begrenzenden Wandungselemente 7d im Bereich der Rippen 15 nicht aneinander anliegen müssen. Lediglich die aufgeweiteten Anfangsbereiche und Endbereiche der Strömungskanäle 11, 12, das heißt die Umlenk-/Einlassbereiche 17 sowie die Umlenk-/Auslassbereiche 18, müssen mit einer hohen Genauigkeit gefertigt werden.
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12 zeigt die Schritte zum Herstellen eines Wärmeübertragerelements 7, ähnlich 11a, und das Zusammensetzen der Wärmeübertragerelemente 7 zu einem Kern 6 des Wärmeübertragers 1.
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Nach dem Stanzen sind die beiden Wandungselemente 7d, auch als untere und ober Rippenplatte bezeichnet, nebeneinander angeordnet, was auch aus 12a hervorgeht. Die äußeren, sich in Längsrichtung L erstreckenden ersten Seitenwände 13 ragen an den Längsseiten des Stanzteils von der Oberfläche senkrecht nach oben. Die sich an den Stirnseiten erstreckenden zweiten Seitenwände 14 ragen an den von den Längsseiten des Stanzteils abweichenden Querseiten von der Oberfläche senkrecht nach unten. Das aus zwei Wandungselementen 7d ausgebildete Wärmeübertragerelement 7 weist folglich vier zweite Seitenwände 14 und zwei erste Seitenwände 13 auf, welche am äußeren Rand des Stanzteils angeordnet sind. Zwischen den Wandungselementen 7d ist ein Bereich ohne Rippen 15 beziehungsweise ohne Rippenkontur ausgebildet, welcher im weiteren Verlauf zu zwei weiteren ersten Seitenwänden 13 umgeformt wird.
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Infolge des Umbiegens des zweiten Wandungselements 7d jeweils in einem Winkel von 90° um zwei durch den zwischen den Wandungselementen 7d ausgebildeten Bereich ohne Rippen 15 entlang der parallel zueinander verlaufenden Biegelinien 25, was gemäß 12a anhand des Pfeiles angedeutet wird, wird das zweite Wandungselement 7d auf das erste Wandungselement 7d aufgelegt und der Abgas-Strömungskanal 11 umschlossen, gemäß 12b. Mittels eines einseitigen Verlötens oder Verschweißens entlang einer Verbindungslinie 24 der Seitenkanten der nunmehr aneinanderliegenden und vor dem Vorgang des Umbiegens äußeren ersten Seitenwände 13 wird der Abgas-Strömungskanal 11 in Längsrichtung gasdicht verschlossen.
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Die derart gefertigten Wärmeübertragerelemente 7 werden gemäß 12c in Richtung der Höhe H des Wärmeübertragers 1 übereinandergestapelt und anschließend mit den Elementen des Wärmeübertrager-Gehäuses 2, wie dem Abgaseinlass-Adapter 4a, dem Abgasauslass-Adapter 4b und den Wärmeübertrager-Gehäuseelementen 2a, 2b, verlötet.
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13 zeigt die Schritte zum Herstellen von zwei Wärmeübertragerelementen 7 aus aus einem Stück gefertigten vier Wandungselementen 7d. Durch eine weitere Verschachtelung der Wandungselemente 7d auf einem Stanzteil können die Stanzkomplexität und die Biegekomplexität weiter erhöht werden. Dabei können andere Fertigungsschritte, wie das exakte Übereinanderstapeln von vorgefertigten Wärmeübertragerelementen 7 und Schritte des Verlötens beziehungsweise Verschweißens, entfallen. Neben dem drastischen Reduzieren der Anzahl der Lötverbindungen und Schweißverbindungen, welche stets ein höheres Versagensrisiko darstellen, wird auch die Anzahl der einzelnen Elemente des Wärmeübertragers 1 weiter reduziert. Bei einer Anzahl von zwei Strömungskanälen 11, 12 werden beispielsweise, ausgehend von einer Fertigung gemäß 4 mit sechs Verbindungen, bei einer Fertigung gemäß 12 mit vier Verbindungen nunmehr lediglich drei Verbindungen verlötet oder verschweißt.
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Nach dem Stanzen sind die vier Wandungselemente 7d in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander angeordnet, was auch aus 13a hervorgeht. Die äußeren vier ersten Seitenwände 13 erstrecken sich in Längsrichtung L und ragen an den Längsseiten des Stanzteils von der Oberfläche senkrecht hervor. Die sich an den Stirnseiten erstreckenden vier zweiten Seitenwände 14 ragen an den von den Längsseiten des Stanzteils abweichenden Querseiten von der Oberfläche hervor. Das aus vier Wandungselementen 7d ausgebildete Wärmeübertragerelement 7 weist folglich vier zweite Seitenwände 14 und vier erste Seitenwände 13 auf, welche am äußeren Rand des Stanzteils angeordnet sind. Zwischen den Wandungselementen 7d sind vier Bereiche ohne Rippen 15 beziehungsweise ohne Rippenkontur ausgebildet, welche im weiteren Verlauf zu vier weiteren ersten Seitenwänden 13 sowie zu vier weiteren zweiten Seitenwänden 14 umgeformt werden.
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Infolge des Umbiegens der rechtsseitig angeordneten Wandungselemente 7d jeweils in einem Winkel von 90° um zwei durch den zwischen den rechtsseitigen und den linksseitigen Wandungselementen 7d ausgebildeten Bereich ohne Rippen 15 parallel zueinander verlaufende Biegelinien 25, was gemäß 13a anhand der Pfeile angedeutet wird, werden die rechtsseitig angeordneten zwei Wandungselemente 7d auf die linksseitig angeordneten zwei Wandungselemente 7d aufgelegt. Anschließend werden die in 13a oben angeordneten und aneinander gelegten Wandungselemente 7d beziehungsweise das nunmehr ausgebildete erste Wärmeübertragerelement 7 jeweils einem Winkel von 90° um zwei durch den zwischen den Wandungselementen 7d ausgebildeten Bereich ohne Rippen 15 in Querrichtung parallel zueinander verlaufende Biegelinien 25 umgebogen und ebenfalls aneinander gelegt. An der Verbindungslinie 24 ist das gestanzte Blech unterbrochen.
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Mittels Verlötens oder Verschweißens entlang der zwei Verbindungslinien 24 der Seitenkanten der nunmehr aneinanderliegenden und vor dem Vorgang des Umbiegens äußeren vier ersten Seitenwände 13 werden die zwei Abgas-Strömungskanäle 11 in Längsrichtung L gasdicht verschlossen, was aus den 13b und 13c hervorgeht. Ebenso wird der Kühlmittel-Strömungskanal 12 durch Verlöten oder Verschweißen entlang der Verbindungslinie 24 der Seitenkanten der nunmehr aneinanderliegenden und vor dem Vorgang des Umbiegens äußeren zwei zweiten Seitenwände 14 in Richtung der Breite B fluiddicht verschlossen.
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Die Anzahl der aus einem Stück gefertigten Wandungselemente sowie deren Verschachtelung auf einem Stanzteil lässt sich beliebig erweitern, um die Anzahl der zu verlötenden oder zu verschweißenden Verbindungsnähte weiter zu redzuzieren.
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Die 14a und 14b zeigen eine vergleichende Darstellung des Wärmeübertragers 1 mit einem Wärmeübertrager 1‘ aus dem Stand der Technik jeweils im Zusammenbau ohne umschließende Wärmeübertrager-Gehäuseelemente in perspektivischer Seitenansicht.
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Dabei wird deutlich, dass sich die Wärmeübertrager 1, 1‘ im Wesentlichen in den aus den Wandungselementen ausgebildeten Wärmeübertragerelementen 7 unterscheiden, während die Wärmeübertrager-Gehäuse mit den Abgaseinlässen und Abgasauslässen 3b beziehungsweise den dazugehörigen Abgaseinlass-Adaptern und Abgasauslass-Adaptern 4b sowie den Anschlüssen 10a, 10b für das Kühlmittel nicht unterscheiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1‘
- Wärmeübertrager
- 2
- Wärmeübertrager-Gehäuse
- 2a
- erstes Wärmeübertrager-Gehäuseelement
- 2b
- zweites Wärmeübertrager-Gehäuseelement
- 3a
- Abgaseinlass Wärmeübertrager-Gehäuse 2
- 3b
- Abgasauslass Wärmeübertrager-Gehäuse 2
- 4a
- Abgaseinlass-Adapter Wärmeübertrager-Gehäuse 2
- 4b
- Abgasauslass-Adapter Wärmeübertrager-Gehäuse 2
- 5a
- Öffnung Abgaseinlass-Adapter
- 5b
- Öffnung Abgasauslass-Adapter
- 6, 6‘
- Anordnung Wärmeübertragerelemente, Kern
- 7, 7‘, 7‘‘
- Wärmeübertragerelement
- 7‘a, 7‘‘a
- erstes Wandungselement
- 7b, 7‘b, 7‘‘b
- zweites Wandungselement
- 7‘c, 7‘‘c
- Rippenelement Wärmeübertragerelement 7‘, 7‘‘
- 7d
- Wandungselement
- 8, 8‘, 8‘‘
- Auswölbung Wandungselement 7‘a, 7‘‘a, 7b, 7‘b, 7‘‘b
- 9a
- Einlassöffnung Kühlmittel
- 9b
- Auslassöffnung Kühlmittel
- 10a, 10b
- Anschluss Kühlmittel
- 11
- Abgas-Strömungskanal, Strömungskanal
- 12
- Kühlmittel-Strömungskanal, Strömungskanal
- 13
- erste Seitenwand Wandungselement 7d
- 14
- zweite Seitenwand Wandungselement 7d
- 15
- Rippen Wandungselement 7d
- 16
- Strömungsrichtung Kühlmittel
- 17
- Umlenk-/Einlassbereich Kühlmittel – Querströmung Kühlmittel
- 18
- Umlenk-/Auslassbereich Kühlmittel – Querströmung Kühlmittel
- 19
- Strömungsbereich Kühlmittel
- 20
- Abgasleitelement
- 21
- Strömungsrichtung Abgas
- 22
- Einlass-/Auslassbereich Abgas
- 23
- Umlenkbereich Abgas
- 24
- Verbindungslinie
- 25
- Biegelinie
- L
- Längsrichtung, Länge
- B
- Breite
- H
- Höhe