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Die
Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung
für Verbrennungskraftmaschinen
mit einer Außenschale,
in die ein im Druckgussverfahren einstückig hergestelltes Wärmetauscherelement
eingesetzt ist, wobei zwischen dem Wärmetauscherelement und der Außenschale
ein von einem zu kühlenden
Fluid durchströmbarer
Kanal angeordnet ist und im Wärmetauscherelement
ein Kühlmittel
durchströmter
Kanal ausgebildet ist, der durch sich in Hauptströmungsrichtung
erstreckende Seitenwände
begrenzt ist.
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Derartige
Kühlvorrichtungen
können
in Verbrennungskraftmaschinen beispielsweise zur Abgaskühlung oder
Ladeluftkühlung
eingesetzt werden. Bekannt sind hier vor allem mehrteilig aufgebaute Kühlvorrichtungen,
welche als Plattenwärmetauscher
oder Rohrbündelwärmetauscher
ausgebildet sind. So sind aus der
DE 103 12 788 A1 und der
WO 03/098026 A1 mehrteilige
Kühlvorrichtungen
zur Abgaskühlung
bekannt, bei denen ein inneres Bauteil als Wärmetauscherelement dient, dessen
mehrere Einzelkanäle
von Abgas durchströmt
werden, wobei zwischen dem Wärmetauscherelement
und einem Außengehäuse ein
Kühlmittel
durchströmter
Kanal gebildet wird. Zur Zwangsführung
des zu kühlenden Fluids
und um die Verweilzeit des zu kühlenden
Gases zu erhöhen
ist es aus der
DE 43
105 38 A1 bekannt, Trennplatten zur Zwangsführung des
zu kühlenden
Gases im Wärmetauscher
anzuordnen, damit die vorhandenen Kühlmittel führenden Rohrbündel quer
angeströmt
werden, wodurch der Wärmeübergang
auf das zu kühlende
Fluid verbessert werden soll.
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Eine
solche Kühlvorrichtung
hat jedoch den Nachteil, das sie aus vielen einzelnen Teilen zusammen
gesetzt werden muss, welche in ihrer Größe genau aufeinander abgestimmt
sein müssen.
Hierdurch entstehen hohe Montagezeiten und Kosten. Des Weiteren
besteht ein bezüglich
der Baugröße weiterhin
relativ schlechter Wärmeübergang
zwischen dem Kältemittel
und dem zu kühlenden
Fluid.
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Daher
wurde in der
DE 103
21 533 B4 ein Abgaskühler
offenbart, bei dem in einer Außenschale ein
einstückig
im Druckgussverfahren hergestelltes Wärmetauscherelement befestigt
ist, welches in den Fluid führenden
Kanal sich erstreckende Rippen aufweist, über die der Wärmeübergang
des Kühlmittels deutlich
verbessert wird. Das Kühlmittel
strömt
dabei in einem zentral in dem Wärmetauscherelement
angeordneten Kanal, der durch in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden
Fluids und des Kühlmittels sich
erstreckende Seitenwände
begrenzt ist.
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Eine
derartige Kühlvorrichtung
verringert den Montageaufwand insbesondere durch das verwendete
Druckgussverfahren im Vergleich zu bekannten Kühlvorrichtungen zwar deutlich
und weist auch einen zur Baugröße verbesserten
Wärmeübergang
im Vergleich zu anderen bekannten Wärmetauschern auf, ist jedoch
bei kleinem zur Verfügung
stehendem Bauraum weiterhin bezüglich
seiner Kühlleistung
beschränkt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, die Kühlleistung eines derartigen
Kühlers
weiter zu verbessern, ohne die Baulänge erweitern zu müssen, wobei zusätzlich je
nach Anwendung, die Möglichkeit
bestehen soll, den gewünschten
Wärmeübergang
sowie die auftretenden Druckverluste entsprechend der Anwendung
einzustellen, ohne eine vollständige neue
Konstruktion der Kühlvorrichtung
durchführen zu
müssen.
Die Vorteile bezüglich
einer einfachen und kostengünstigen
Herstellung und Montage sollen erhalten bleiben.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Kühlvorrichtung,
die die Markmale der Oberbegriffs von Patentanspruch 1 aufweist
dadurch gelöst,
dass sich in Hauptströmungsrichtung
abwechselnd von zwei gegenüberliegenden
Seitenwänden
des Kühlmittel durchströmten Kanals
des Wärmetauscherelementes
Rippen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung
in den Kanal erstrecken, wobei der Querschnitt zur Hauptströmungsrichtung
des Kanals durch jede Rippe über
die Höhe
der Seitenwand vollständig
verschlossen ist und in Erstreckungsrichtung jeder Rippe zumindest
zur Hälfte
verschlossen ist. Dadurch entsteht eine Zwangsführung des Kühlmittels im Kühlmittelkanal
in Schlangenlinienform und somit eine deutlich erhöhte Verweilzeit
des Kühlmittels. Dies
führt zu
einer deutlichen Verbesserung des Wärmeübergangs und zu der Möglichkeit über den
Abstand der Rippen zueinander auch den Druckverlust im Kühlmittelkanal
beliebig einzustellen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der durchströmte Querschnitt
des Kühlmittel
durchströmten
Kanals zwischen den Rippen und zwischen den Rippen und den Seitenwänden im
Wesentlichen konstant. Dies bedeutet das keine Strömungsverluste
durch auftretende Druckunterschiede innerhalb des Kanals entstehen,
so dass auch eine Einstellung des gewünschten Druckverlustes einfach realisierbar
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Rippen eine stetig in Erstreckungsrichtung schrumpfende
Querschnittsbreite auf, so dass die Masse der Kühlvorrichtung bei etwa gleichbleibend gutem
Wärmeübergang
reduziert wird. Zugleich wird die Herstellbarkeit und der Wärmeübergang
im Vergleich zu dünnen
Rippen verbessert.
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Vorzugsweise
weist das Wärmetauscherelement
an seiner zum vom zu kühlenden
Fluid durchströmbaren
Kanal weisenden Seite in Strömungsrichtung
verlaufende Rippen auf, wodurch Druckverluste im Bereich des zu
kühlenden
Fluids deutlich verringert werden und ein guter Wärmeübergang
erreicht wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der vom zu kühlenden
Fluid durchströmbare
Kanal durch das Wärmetauscherelement
verschlossen, so dass wiederum Bauteile eingespart werden und eine einfache
Herstellbarkeit bei Reduzierung der Herstell- und Montagekosten gewährleistet
wird.
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Weiterhin
ist der Kühlmittel
durchströmte
Kanal vorzugsweise durch einen Deckel verschlossen, an dem Ein-
und/oder Auslassstutzen für
das Kühlmittel
angeordnet sein können.
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Des
Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Verbindung zwischen
Außenschale
und Wärmetauscherelement
sowie Wärmetauscherelement
und Deckel durch Reibrührschweißen herzustellen,
da es sich hierbei um ein kostengünstiges Verbindungsverfahren
handelt, welches sich auch für Druckgussteile
eignet.
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In
einer weiterführenden
Ausführungsform ist
in der Außenschale
der Kühlvorrichtung
eine Zwischenwand ausgebildet, die den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal
von einem Bypasskanal trennt, wobei der Bypasskanal und der vom
zu kühlenden
Fluid durchströmbare
Kanal mittels einer Bypassklappe zu- und abschaltbar sind. Hierdurch wird
es möglich,
beispielsweise bei einem Einsatz als Abgaskühler diesen in der Warmlaufphase
der Verbrennungskraftmaschine zu umgehen, ohne zusätzliche
Rohrleitungen vorsehen zu müssen.
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In
einer wiederum weiterführenden
Ausführungsform
sind die Bypassklappe und ein Dosierventil ebenso wie das Wärmetauscherelement
in der Außenschale
der Kühlvorrichtung
angeordnet, so dass zusätzliche
Gehäuseteile
eingespart werden und somit Gewicht und Kosten reduziert werden.
Die gesamte Einheit kann als komplettes Modul gefertigt und die
Einzelteile optimal aufeinander abgestimmt werden.
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Es
wird somit eine Kühlvorrichtung
geschaffen, welche die notwendige Anzahl an Bauteilen deutlich reduziert,
einen im Vergleich zu bekannten im Druckgussverfahren hergestellten
Kühlvorrichtungen
höheren
Wirkungsgrad aufweist, und somit kleiner gebaut werden kann. Zusätzlich ist
es möglich, die
gesamte Einheit als komplettes Modul mit optimal aufeinander abgestimmten
Komponenten zu fertigen und anzubieten. Des Weiteren ist die Einstellung
der Druckverluste im Kühlmittelkanal
möglich
und durch unterschiedliche Verteilung der anzuordnenden Querrippen
je nach Anwendungsfall auf einfache Weise zu ändern.
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Ein
Ausführungsbeispiel
ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
in dreidimensionaler Darstellung in Modulbauweise mit Anbauteilen.
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2 zeigt
ebenfalls in dreidimensionaler geschnittener Darstellung einen Ausschnitt
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
aus 1 mit weggeschnittenem Deckel.
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3 zeigt
wiederum die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
aus 1 in dreidimensionaler Darstellung mit teilweise
aufgeschnittener Außenschale und
Deckel.
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Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 in
Modulbauweise mit einer Außenschale 2,
welche einen einseitig offenen Kanal bildet, in den ein Wärmetauscherelement 3 derart eingesetzt
wird, das die offene Seite der Außenschale 2 durch
dieses Wärmetauscherelement 3 verschlossen
wird. Dieses Wärmetauscherelement 3 weist
ebenfalls einen einseitig offenen von Kühlmittel durchströmten Kanal 4 auf,
der in den 2 und 3 zu erkennen
ist und der wie in 1 ersichtlich wiederum durch
einen Deckel 5 verschlossen wird. Am Deckel 5 sind
zusätzliche
Anbauteile der Kühlvorrichtung 1 befestigt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind dies ein Kühlmitteleinlassstutzen 6 sowie
eine Unterdruckdose 7 die in Verbindung mit einem Elektromagnetventil 8 steht
und als Aktuator einer in 3 erkennbaren
Bypassklappe 9 dient.
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An
der Außenschale 2 sind
ein nicht dargestellter Eintrittsstutzen für das zu kühlende Fluid sowie ein Austrittsstutzen 10 für das zu
kühlende
Fluid sowie ein Austrittsstutzen 11 für das Kühlmittel vorhanden. Der Austrittstutzen 10 für das zu
kühlende Fluid
wird durch ein Dosierventil 12 beherrscht, wobei das zu
kühlende
Fluid beispielsweise ein Abgas ist, so dass das den Austrittstutzen 10 beherrschende Ventil 12 als
AGR-Ventil ausgebildet ist, welches wiederum über eine Stelleinrichtung 13 betätigt wird,
die ebenfalls an der Außenschale 2 der
Kühlvorrichtung 1 befestigt
ist.
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Der
Aufbau der eigentlichen Kühlvorrichtung 1 mit
dem Wärmetauscherelement 3 wird
insbesondere aus 2 ersichtlich, bei der das Wärmetauscherelement 3 sowie
die Außenschale 2 aufgeschnitten
und ohne Deckel 5 dargestellt sind. Es ist deutlich zu
erkennen, dass eine am Wärmetauscherelement 3 ausgebildete
Platte 14 die Außenschale 2 an
ihrer offenen Seite verschließt.
Des Weiteren wird ersichtlich, dass parallel zur Hauptströmungsrichtung z
durch eine Zwischenwand 15 ge trennt, in der Außenschale 2 ein Bypasskanal 16 ausgebildet
ist, über den
das Wärmetauscherelement 3 umgehbar
ist. Auch dieser Bypasskanal wird durch die Platte 14 verschlossen.
Des Weiteren wird in dieser Ansicht deutlich, dass in der Außenschale 2 zwischen
dem sich in Hauptströmungsrichtung
z erstreckenden Wärmetauscherelement 3 sowie
der Zwischenwand 15 beziehungsweise der äußeren Wand 17 der
Außenschale 2 ein
Abgas führender
Kanal 18 ausgebildet ist. In diesen Abgas führenden
Kanal 18 ragen ebenfalls in Hauptströmungsrichtung z verlaufende Längsrippen 19.
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Der
Kühlmittel
durchströmte
Kanal 4 wird außer
an seiner offenen, durch den Deckel 5 verschlossenen Seite
vollständig
durch das einstückig
im Druckgußverfahren
hergestellte Wärmetauscherelement 3 gebildet.
Dieses Wärmetauscherelement 3 weist
zwei sich in Hauptströmungsrichtung
z erstreckende Seitenwände 20, 21 auf,
die den Kanal 4 in seiner Breite begrenzen und von denen
aus sich Querrippen 22 in den Kühlmittel durchströmten Kanal 4 erstrecken.
Diese Rippen 22 stehen senkrecht zu den Seitenwänden 20, 21,
wobei sich in Hauptströmungsrichtung
z gesehen abwechselnd von jeder Seitenwand 20, 21 jeweils
eine Rippe 22 erstreckt, welche sich über die gesamte Höhe der betreffenden Seitenwand 20, 21 des
Kühlmittel
durchströmten
Kanals 4 erstreckt und sich in Erstreckungsrichtung zumindest über die
halbe Breite des Kanals 4 erstreckt. Daraus folgt, dass
der Querschnitt des Kanals 4 zumindest zur Hälfte durch
jede Rippe 22 verschlossen wird.
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Dies
wird auch aus der 3 deutlich, wobei in der 3 sowohl
der Deckel 5, der den Kühlmittel durchströmten Kanal 4 verschließt, teilweise
weggeschnitten dargestellt ist, als auch eine in dieser Ansicht
vordere Wand der Aussenschale 2 der Kühlvorrichtung 1. Hierdurch
ist der innere Aufbau der Kühlvorrichtung 1 ersichtlich,
so dass sowohl die Bypassklappe 9 als auch das Dosierventil 12 in
dieser Darstellung erkennbar sind. Das Dosierventil 12 ist
als Tellerventil ausgeführt,
dessen Ventilsitz im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Austrittsstutzen 10 und
Aussenschale 2 angeordnet ist und so den Gesamtmassenstrom
des zu kühlenden
Fluids regelt. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Dosierventil 12 um
ein Steckventil, welches im zusammengebauten Zustand in die Außenschale 2 eingeschoben
wird und an der Außenschale 2 befestigt
wird. Die Bypassklappe 9 ist als exzentrisch auf einer
Welle gelagerte Klappe ausgeführt,
deren Antriebswelle durch den Deckel 5 reicht und dort über einen
Exzenter 23 und ein Kugelgelenk 24 mit einer Betätigungsstange 25 der
Unterdruckdose 7 verbunden ist.
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Des
weiteren ist zu erkennen, dass in Strömungsrichtung hinter dem berippten
Kühlmittel
führenden
Kanal 4 ein weiterführender
Kanal 26 angeordnet ist, der im Austrittsstutzen 11 mündet und über den
die Bypassklappe 9 und das Dosierventil 12 umgangen
werden.
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Im
folgenden wird die Funktionsweise der Kühlvorrichtung 1 am
Beispiel eines Einsatzes als Abgaskühler näher erläutert.
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Bei
Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine gelangt rückgeführtes Abgas über den
Abgaseintrittsstutzen in die Kühlvorrichtung 1.
Da bei Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine die Bypassklappe 9 den
Abgas führenden
Kanal 18 verschließt,
strömt das
Abgas über
den Bypasskanal 16, ohne gekühlt zu werden. Der Abgasmassenstrom
wird gleichzeitig über
die Stellung des in Strömungsrichtung
hinter dem Wärmetauscherelement 3 angeordneten
Abgasrückführventils 1 geregelt.
Durch die Rückführung des
warmen ungekühlten
Abgases wird die Verbrennungskraftmaschine schnell aufgeheizt, wobei gleichzeitig
das warme Abgas im Kanal 18 vor der Bypassklappe 9 steht
und auch hier zur Kühlmittelerwärmung beiträgt.
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Nachdem
die Verbrennungskraftmaschine aufgewärmt ist, wird die Bypassklappe 9 durch
Schalten des Elektromagnetventils 8 und somit der Unterdruckdose 7 umgeschaltet,
so dass nun der Bypasskanal 16 verschlossen ist und der
Abgas durchströmbare
Kanal 18 geöffnet
ist. Durch die Längsrippen 19 im
Abgas durchströmten
Kanal 18 entstehen ein guter Wärmeübergang und eine gute Kühlung des
Abgases. Die rückgeführte Abgasmenge
wird weiterhin durch die Stellung des Abgasrückführventils 12 bestimmt.
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Während des
gesamten Zeitraumes wird Kühlmittel über den
Einlassstutzen 6 in den Kühlmittel durchströmten Kanal 4 gepumpt
und dort in Schlangenlinien zwischen den in den Querschnitt ragenden
Querrippen 22 geleitet. Durch die Anordnung der Quer rippen 22 entsteht
eine deutlich vergrößerte Verweilzeit
des Kühlmittels
im Kanal 4, so dass ein sehr guter Wärmeübergang zum Abgas hin erreicht wird.
Dies wird sowohl durch die längere
Verweilzeit als auch durch die Verrippung selbst erreicht, wodurch
mehr Fläche
zum Wärmeaustausch
zur Verfügung
steht.
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Ist
nun der Abstand zwischen den Rippen 22 untereinander und
den Rippen 22 und den Seitenwänden 20, 21 besonders
gering, so entsteht ein höherer
Druckverlust im Kühlmittel
durchströmten
Kanal 4. Es wird deutlich, dass eine Einstellung des Druckverlustes
in diesem Kanal 4 somit einzig durch die Stellung der Rippen
zueinander erreichbar ist. Dabei sollte jedoch möglichst darauf geachtet werden,
dass der jeweils durchströmte
Querschnitt möglichst
konstant bleibt. Anschließend
strömt
das Kühlmittel über den
Kanal 26 zum Austrittsstutzen 11. Je nach notwendiger
Abgastemperatur und Abgasmenge werden die Bypassklappe 9 und
das Abgasrückführventil 12 angesteuert,
wobei eine Optimierung der Temperatur und somit eine deutliche Reduzierung
der ausgestoßenen
Schadstoffe im Motor erreicht wird.
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Es
wird deutlich, dass ein derartiges Wärmetauscherelement und eine
solche Kühlvorrichtung
mit Außenschale
und Wärmetauscherelement
im Druckgussverfahren herstellbar ist, so dass der Montageaufwand
und die Herstellkosten reduziert werden. Zum Befestigen dieser Bauteile
untereinander wird bevorzugt ein Reibrührschweißverfahren angewendet. Eine
Anpassung des Druckverlustes im Kühlkanal 4 durch Anpassen
des Druckgusswerkzeuges und somit entsprechendes Anordnen der Querverrippung 22 ist
ohne den Wärmetauscher
in seiner übrigen
Form anpassen zu müssen
möglich.
Im Vergleich zu bekannten Ausführungen
ist somit bei einfacher Herstellung eine Optimierung des Wärmeübergangs
erreicht und somit können
kleine Bauformen verwendet werden.
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Es
sollte deutlich sein, dass die Querverrippung unterschiedlich ausgebildet
sein kann. Entscheidend ist die Zwangsführung des Kühlmittels unter Verlängerung
der durchströmten
Strecke, sowie die Anströmung
der Rippen. So ist beispielsweise auch eine zwangsgeführte schlangenförmige Auf- und
Abbewegung durch eine entsprechende Verrippung denkbar.
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Es
sollte ebenfalls klar sein, dass jegliche Anbauteile wie Bypassklappe
oder Dosierventil oder Stelleinheiten unterschiedlich ausgeführt sein
können
oder die Kühlvorrichtung
einzeln genutzt wird. Auch eine unterschiedliche Anordnung der Ein-
und Auslässe
ist sicherlich denkbar.