DE19804636A1 - Hybridkühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridkühler, insbesondere für Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen, mit mehreren das zu kühlende Medium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, führenden Rohren, insbesondere zwischen den Rohren angeordneten Rippen, sowie Sammlern, in welche die Rohre einmünden.

Ein derartiger Kühler wird z. B. dazu verwendet, um z. B. Kühlwasser eines Verbrennungsmotors, eines Elektromotors oder einer Brennstoffzelle zu kühlen. Es sind jedoch auch Ölkühler bekannt, mit denen z. B. Motoren- oder Getriebeöl gekühlt werden kann. Um die Leistung eines derartigen Kühlers zu steigern wurde mit der DE 296 21 697 U1 vorgeschlagen, die Rippen und Rohre des Kühlers mit Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser zu besprühen. Die beim Verdunsten des Wassers entstehende Verdunstungskälte wird zur Kühlung des zu kühlenden Mediums genutzt und dadurch dem Kühler Wärme entzogen. Ein derartiger Kühler weist bei gleichen Abmessungen eine größere Leistung auf. Jedoch weist dieser bekannte Kühler auch den Nachteil auf, daß ein separates Sprühdüsensystem erforderlich ist, welches zum einen zusätzlichen Einbauraum bedarf, zum anderen den Kühler in der Regel nicht gleichmäßig mit Wasser besprüht. Dies hat zur Folge, daß Abschnitte des Kühlers gar nicht besprüht werden und andere Abschnitte des Kühlers mit so viel Wasser besprüht werden, daß ein Teil des Wassers nicht verdunstet und mit der den Kühler durchströmenden Luft mitgerissen wird. Die zusätzliche Kühlung des Kühlers mittels Wasser ist in diesem Falle uneffektiv.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hybridkühler bereit zu stellen, welcher effektiv durch an der Oberfläche des Kühlers verdampfendes oder verdunstendes Wasser gekühlt wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Hybridkühler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens eines der Rohres wenigstens zwei Kammern aufweist, in welchem die Kühlflüssigkeit und Wasser getrennt geführt werden, wobei die das Wasser führende Kammer bzw. Kammern an der Kammeroberfläche mehrere Austrittsöffnungen für das Wasser aufweist bzw. aufweisen.

Der erfindungsgemäße Hybridkühler wird im Unterschied zum oben aufgezeigten Stand der Technik nicht mit Wasser besprüht sondern das Wasser tritt aus dem die Kühlflüssigkeit führenden Rohr an die Außenoberfläche des Kühlers aus und wird dort verdampft oder verdunstet. Es bedarf also keiner Sprühdüsensysteme und keiner separaten Leitungen zum Zuführen des Wassers. Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, daß das Wasser in dem Rohr bereits vorgewärmt wird und unmittelbar nach dem Austritt aus den Austrittsöffnungen verdampft oder verdunstet, zumal das Wasser innerhalb des Rohres unter einem Druck von bis zu 10 bar steht. Beim erfindungsgemäßen Hybridkühler besteht die Möglichkeit, daß der Druck an die das Wasser führenden Kammern dann angelegt wird, wenn eine zusätzliche Kühlleistung gefordert wird, und während des Normalbetriebs des Kühlers die Kammern Umgebungsdruck aufweisen, so daß kein oder nur eine unbedeutende Menge Wasser aus den Austrittsöffnungen austritt. Ggf. kann die Zufuhr von Wasser in die Kammer gestoppt werden, so daß die Kammern während dieser Zeit leer sind.

Vorteilhaft erstrecken sich die Kammern in Längsrichtung des Rohres und/oder liegen die Kammern in Fahrtrichtung gesehen bzw. in Richtung des vorbeiströmenden Kühlmediums wie Luft hintereinander. Auf diese Weise wird die Möglichkeit geschaffen, daß über die gesamte Länge des Rohres Wasser aus der Kammer austreten kann und auf diese Weise der gesamte Kühler oder aber auch der Bereich des Kühlers, der in Kammern unterteilte Rohre aufweist, gleichmäßig mit Wasser benetzt wird. Bevorzugt sind die Austrittsöffnungen an beiden Seiten des vertikal ausgerichteten Rohres angeordnet, so daß die Kammern in Fahrtrichtung gesehen hintereinander liegen können. Es besteht auch die Möglichkeit Rohre mit mehreren Kammern für das zu kühlende Medium und mit mehreren Kammern für das Wasser zu versehen. Derartige Rohre werden vorteilhaft im Strangpressverfahren hergestellt und bestehen aus Aluminium. Es ist jedoch auch denkbar, derartige Rohre aus Kunststoff herzustellen, welche extrudiert sind.

Vorteilhaft münden die Einlass- und/oder die Auslaßöffnung der das Wasser führenden Kammern in einen Wasserkanal. Über diesen Wasserkanal werden die Kammern mit Wasser versorgt bzw. kann das Wasser aus den Kammern abfließen. Dabei kann vorteilhaft der Wasserkanal im Sammler integriert sein. Mit derartigen Sammlern können die Rohre also mit dem zu kühlenden Medium und mit Wasser versorgt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit den Wasserkanal aus mehreren flexiblen Schlauchleitungen und/oder gebogenen starren Rohren aufzubauen, wobei die Schlauchleitungen jeweils in eine Kammer des Rohres bzw. in ein Rohr einmünden.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß der Wasserkanal von einem kammartigen Zuführstutzen gebildet wird. Dieser Zuführstutzen, insbesondere die Kammspitzen liegen an den Stäben im Kühler an bzw. umschließen die oberen Enden der Stäbe, welche seitliche Öffnungen aufweisen, über welche das Wasser in die Kammern ein- bzw. ausströmen kann.

Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Rohr mit einer Sicke oder mit einer konkaven Einsenkung versehen ist, in welcher die Austrittsöffnungen sich befinden. Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß die an den Rohren anliegenden Rippen die Austrittsöffnungen nicht verschließen und dadurch den Austritt des Wassers behindern. Durch die Sicke bzw. Einsenkung wird ein Abstand zwischen der Austrittsöffnung und den Rippen geschaffen.

Eine andere Variante sieht vor, daß die Rippen im Bereich der Austrittsöffnungen des Rohres mit Sicken oder Materialausschnitten versehen sind. Auch auf diese Weise wird verhindert, daß die Austrittsöffnungen abgedeckt werden, da durch die Sicken bzw. Materialaussparungen zwischen den Austrittsöffnungen und den Rippen ein Abstand gewahrt wird.

Eine optimale Verteilung des austretenden Wassers auf der Oberfläche der Rohre bzw. der Rippen wird dadurch gewährleistet, daß die Oberfläche des Rohres und/oder der Rippen hydrophil ausgestaltet ist. Dies wird z. B. durch anodische Oxidation unter Funkenentladung oder durch eine Combustion Chemical Vapour Deposition-Multifunktionsschicht erreicht, die außerdem korrosionsschützend ist. Durch die hydrophile Oberfläche wird das austretende Wasser relativ schnell verteilt und besitzt dadurch eine wesentlich größere Verdunstungsoberfläche.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Austrittsöffnungen von einem porösen Bereich im Rohr gebildet werden. In derartigen Rohren kann das Wasser nahezu drucklos geführt werden, da es durch die an den Austrittsöffnungen herrschenden Kapillarkräfte ins Freie austritt. Diese Austrittsöffnungen können z. B. mittels Stachelwalzen oder eines Lasers hergestellt werden, die dann auch an definierten Stellen sich befinden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele im einzelnen dargestellt sind. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in der Beschreibung und in den Ansprüchen erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines oberen Abschnitts eines Kühlers, teilweise aufgebrochen;

Fig. 2 einen Schnitt II-II gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt III-III gemäß Fig. 1 durch ein Rohr gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 4 einen Schnitt IV-IV gemäß Fig. 1 durch ein Rohr gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5 das Rohr gemäß Fig. 3 mit anliegenden Rippen;

Fig. 6 das Rohr gemäß Fig. 4 mit anliegenden Rippen;

Fig. 7 eine erste Ausführungsform von Sicken aufweisenden Rippen;

Fig. 8 eine zweite Ausführungsform von Materialausnehmungen aufweisenden Rippen;

Fig. 9 eine dritte Ausführungsform von Materialausnehmungen aufweisenden Rippen;

Fig. 10 einen Schnitt X-X gemäß Fig. 9;

Fig. 11 eine Prinzipdarstellung für die Zuführung von Wasser mittels Rohren oder Schlauchleitungen und

Fig. 12 eine Prinzipdarstellung für die Zuführung von Wasser mittels eines kammartigen Zuführstutzens.

In der Fig. 1 ist von einem Kühler in schematischer Darstellung ein oberer Sammler 1 dargestellt, in welchen über einen Stutzen 2 Kühlmittel in Richtung des Pfeils 3 zugeführt wird. Mit diesem Sammler 1 sind Rohre 4 verbunden, von denen lediglich vier Stück dargestellt sind. Die oberen Enden der Rohre 4 münden in den Sammler 1, so daß das Kühlmittel in die Rohre 4 eintreten kann. Hierfür weisen die Rohre 4 Kammern 5 auf, die sich in Längsrichtung der Rohre 4 durch diese erstrecken. Zwischen den Kammern 5 befinden sich zwei Kammern 6, die ebenfalls in Längsrichtung der Rohre 4 verlaufen. Diese Kammern 6 dienen zur Aufnahme und Leitung von Wasser, welches dem Sammler 1 über einen Stutzen 7 in Richtung des Pfeils 8 zugeführt wird. Innerhalb des Sammlers 1 befindet sich ein Wasserkanal 9 (Fig. 2), in welchen der Stutzen 7 einmündet.

Dieser Wasserkanal 9 ist mit Öffnungen 11 der Kammern 6 verbunden, und versorgt die Kammern 6 mit Wasser. Der Sammler 1 umgibt den Wasserkanal 9 und einen mit dem Stutzen 2 verbundenen Kühlmittelkanal 10, welcher mit den Kammern 5 verbunden ist und die Kammern 5 mit Kühlmittel versorgt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Kammern 6 stirnseitig verschlossen und weisen seitlich die Öffnungen 11 auf. Die Kammern 6 können also nur mit Wasser aus dem Wasserkanal 9 und die Kammern 5 nur mit Kühlmittel aus dem Kühlmittelkanal 10 versorgt werden.

Aus den Fig. 1 und 2 ist außerdem erkennbar, daß die die Öffnungen 11 aufweisenden Kammern 6 mit Austrittsöffnungen 12 versehen sind, die in einer in Längsrichtung des Rohrs 4 verlaufenden Linie angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind zwei Kammern 6 und beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind drei Kammern 6 vorgesehen. Das Rohr kann beliebig viele Kammern 5 und Kammern 6 aufweisen.

In der Fig. 3 ist ein Schnitt III-III gemäß Fig. 1 eines ersten Ausführungsbeispiels eines Rohrs 4 dargestellt. Dieses Rohr 4 weist vier Kammern 5 und drei Kammern 6 auf, die in Richtung der durchströmenden Luft (Pfeil 13) abwechselnd hintereinander angeordnet sind. Die Kammern 6 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel in Längsrichtung (quer zum Pfeil 13) verlaufende Sicken 14 auf, so daß die Austrittsöffnungen innerhalb dieser Sicke 14 ausmünden. Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß die Austrittsöffnungen nicht von anliegenden Rippen 15, wie in Fig. 5 dargestellt, überdeckt und verschlossen werden können. Die Rippen 15 können bei diesem Ausführungsbeispiel z. B. von einem Wellblech gebildet werden.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind ebenfalls vier Kammern 5 und drei Kammern 6 hintereinander angeordnet, wobei die Außenoberfläche der Kammern 6 mit derjenigen der Kammern 5 fluchtet. Die Rippen 15 sind bei diesem Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 6 dargestellt, mit Sicken 16 oder Materialaussparungen 17 versehen, so daß sie im Bereich der Kammern 6 nicht direkt am Rohr 4 anliegen. Auf diese Weise werden die Austrittsöffnungen der Kammern 6 ebenfalls nicht verdeckt.

Die Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Wellrippe 15 mit Sicken 16, wie sie z. B. in der Fig. 6 dargestellt ist. In der Fig. 8 ist eine Wellrippe 15 dargestellt, die in den Bereichen, in denen sie an den Kammern 6 anliegt, Materialaussparungen 17 aufweist.

Die Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wellrippe 15, die ebenfalls mit Materialaussparungen versehen ist und beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 5 eingesetzt werden kann. Dabei strömt das über die Austrittsöffnungen ausgetretene Wasser in Richtung der Pfeile 18 zwischen die einzelnen Rippenwindungen ein und kann sich dort optimal auf der Oberfläche der Rippe verteilen. Die Fig. 10 zeigt einen Schnitt X-X durch eine derartige Rippenwindung mit den Materialaussparungen 17.

In den Fig. 11 und 12 ist schematisch der Sammler 1 dargestellt, an welchem sich die Rohre 4 nach unten anschließen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 11 ist der Kühlmittelkanal 10 nicht im Sammler 1 integriert sondern wird von einer Vielzahl von flexiblen Schlauchleitungen 19 oder Rohren gebildet. Diese Schlauchleitungen 19 sind an die Öffnungen 11 der Kammern 6 der Rohre 4 angeschlossen und versorgen die Kammern 6 mit Wasser.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 12 ist der Kühlmittelkanal 10 ebenfalls nicht im Sammler 1 integriert sondern wird von einem kammartigen Zuführstutzen 20 gebildet, dessen kammartige Finger ebenfalls in die Öffnungen 11 der Kammern 6 der Rohre 4 ausmünden und die Kammern 6 mit Wasser versorgen.

Der Kühler kann mit einem oder mit mehreren derartiger Rohre 4 bestückt sein, wobei die Kammer 6 permanent oder nur bei Bedarf mit Wasser angefüllt wird. Das Wasser kann einen Druck von bis zu 10 bar aufweisen und tritt über die Austrittsöffnungen 12 auf die Oberfläche des Rohres 4 aus, welches mit einer hydrophilen Schicht versehen ist, was auch für die Rippen 15 zutrifft. Diese Rippen 15 weisen bei einer bevorzugten Ausführungsform eine unebene oder strukturierte, insbesondere eine mikrostrukturierte Oberfläche auf. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die Austrittsöffnungen 12 von den Rippen nicht verschlossen werden.

Das für die Kammern 6 benötigte Wasser kann in einem separaten Tank mitgeführt werden oder fällt z. B. bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellen während der Fahrt an. Derartige Kühler können aufgrund ihrer höheren Leistung kleiner gebaut werden.

Claims (10)

1. Hybridkühler, insbesondere für Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen, mit mehreren das zu kühlende Medium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, führenden Rohren (4), insbesondere zwischen den Rohren (4) angeordneten Rippen (15), sowie Sammlern (1), in welche die Rohre (4) einmünden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Rohre (4) wenigstens zwei Kammern (5 und 6) aufweist, in welchen die Kühlflüssigkeit und Wasser getrennt geführt werden, wobei die das Wasser führende Kammer (6) bzw. Kammern (6) an der Kammeroberfläche bzw. Rohroberfläche mehrere Austrittsöffnungen (12) für das Wasser aufweist bzw. aufweisen.

2. Hybridkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kammern (5 und 6) in Längsrichtung des Rohres (4) erstrecken.

3. Hybridkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (5 und 6) in Fahrtrichtung gesehen bzw. in Richtung des vorbeiströmenden Kühlmediums gesehen hintereinander liegen.

4. Hybridkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und/oder die Auslaßöffnung (11) der das Wasser führenden Kammer (6) in einen Wasserkanal (10) einmündet.

5. Hybridkühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserkanal (9) in den Sammler (1) integriert ist.

6. Hybridkühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserkanal (10) von mehreren flexiblen Schlauchleitungen (19) oder Rohren oder von einem kammartigen Zuführstutzen (20) gebildet wird.

7. Hybridkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (4) mit einer Sicke (14) oder konkaven Einsenkungen versehen ist, in welcher die Austrittsöffnungen (12) sich befinden.

8. Hybridkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (15) im Bereich der Austrittsöffnungen (12) des Rohres (4) mit Sicken (16) oder Materialaussparungen (17) versehen sind.

9. Hybridkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Rohres (4) und/oder der Rippen (15) hydrophil sind.

10. Hybridkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (12) von einem porösen Bereich im Rohr (4) gebildet werden.