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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zum Übertragen
von Wärme
zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid in einem Kraftfahrzeug.
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Wärmeübertrager
in Kraftfahrzeugen sind allgemein bekannt, zum Beispiel als Hauptkühler im Kühlkreis
einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs, als Ladeluftkühler im
Frischluftstrom stromab einer Ladeeinrichtung, wie zum Beispiel
eines Abgasturboladers, als Ölkühler im Ölkreis einer
Brennkraftmaschine, als Heizer oder als Kühler zur Innenraumklimatisierung
des Fahrzeugs. Ferner ist es grundsätzlich bekannt, bei einem Wärmeübertrager
alle fluidführenden
Komponenten aus Kunststoff herzustellen, wodurch der Wärmeübertrager
besonders preiswert herstellbar ist. Problematisch bei solchen Kunststoff-Wärmeübertragern
sind die begrenzte Belastbarkeit hinsichtlich Druck und Temperatur.
Dementsprechend kommen derartige Kunststoff-Wärmeübertrager
bislang in Kraftfahrzeugen nicht zur Anwendung.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
einen Kunststoff-Wärmeübertrager
der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich
insbesondere dadurch auszeichnet, dass sie für eine Verwendung in einem
Kraftfahrzeug geeignet ist.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Wärmeübertrager
in ein anderes, ohnehin am Fahrzeug vorhandenes Fahrzeugbauteil
zu integrieren, wobei dieses andere Fahrzeugbauteil an oder in einem
Motorraum des Fahrzeugs angeordnet ist. Durch diesen Vorschlag kann
Bauraum, der vom jeweiligen Fahrzeugbauteil beansprucht wird, zusätzlich zur
Unterbringung des Wärmeübertragers
genutzt werden. Hierdurch steht insgesamt mehr Bauraum zur Anordnung
des Wärmeübertragers
zur Verfügung.
Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass die Belastung des
Wärmeübertragers
durch Temperatur und/oder Druck signifikant reduziert werden kann,
wenn der Wärmeübertrager
insgesamt eine vergleichsweise große Wärmeübertragungsfläche bereitstellen
kann bzw. wenn er einen vergleichsweise geringen Durchströmungswiderstand
besitzt. Hierzu ist vergleichsweise viel Bauraum erforderlich, der
jedoch durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, den
Wärmeübertrager
in ein ohnehin vorhandenes Fahrzeugbauteil zu integrieren, bereitgestellt
werden kann.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführungsform,
bei welcher der Wärmeübertrager
als Ladeluftkühler
ausgestaltet ist, der im Motorraum im Frischluftstrom stromab einer
Ladeeinrichtung, bei der es sich insbesondere um einen Abgasturbolader
handeln kann, angeordnet ist. Da die Zieltemperatur der Ladeluftkühlung im
Vergleich zu anderen Fluidtemperaturen eines Kraftfahrzeugs relativ
niedrig ist, eignet sich der hier vorgeschlagene Kunststoffwärmeübertrager
in besonderer Weise zur Kühlung
von Ladeluft.
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Der
Wärmeübertrager
kann bspw. in eine Zylinderkopfhaube einer Brennkraftmaschine des
Fahrzeugs integriert sein. Eine derartige Zylinderkopfhaube wird
bei modernen Brennkraftmaschinen ohnehin bereits aus Kunststoff
hergestellt und dient zur Abdeckung eines Ventiltriebs. Außerdem handelt
es sich dabei um ein vergleichsweise großes Bauteil, was die Integration
des Wärmeübertragers
vereinfacht.
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Alternativ
kann der Wärmeübertrager
in eine Motorhaube des Fahrzeugs integriert sein, die zum Verschließen des
Motorraums dient. Die Motorhaube, die bestenfalls noch eine Schalldämpfungsfunktion
aufweist, wirkt durch die Integration des Wärmeübertragers wie ein funktionelles
Bauteil. Gleichzeitig kann ein vergleichsweise großer Bauraum,
den die üblicherweise
hohl ausgebildete Motorhaube bereitstellt, zur Unterbringung des
Wärmeübertragers
bzw. zu dessen Integration bereitgestellt werden.
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Alternativ
ist es ebenso möglich,
den Wärmeübertrager
in eine Motorabdeckung zu integrieren, die im Motorraum quasi zwischen
der Motorhaube und der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Eine derartige
Motorabdeckung dient bspw. als Sichtschutz für die Brennkraftmaschine und/oder
als Schallabschirmung der Brennkraftmaschine. Desweiteren kann eine
derartige Motorabdeckung als Luftführungselement dienen, das eine
Durchströmung
des Motorraums mit Umgebungsluft unterstützt bzw. das eine Anströmung bzw.
Umströmung
der Brennkraftmaschine mit Umgebungsluft ermöglicht. Auch eine derartige
Motorabdeckung baut vergleichsweise groß und kann daher günstig für die Unterbringung
bzw. Integration des Wärmeübertragers genutzt
werden.
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Die
Erfindung umfasst ferner eine Zylinderkopfhaube, in die ein derartiger
Wärmeübertrager
integriert ist, sowie eine Motorhaube, in die ein derartiger Wärmeübertrager
integriert ist, sowie eine Motorabdeckung, in die ein derartiger
Wärmeübertrager integriert
ist.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Wärmeübertragers,
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2 bis 4 jeweils
eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung für Anordnungen
eines Wärmeübertragers
in einem Motorraum bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
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Entsprechend 1 umfasst
ein Wärmeübertrager 1,
mit dessen Hilfe Wärme
zwischen einem ersten Fluid, repräsentiert durch Pfeile 2,
und einem zweiten Fluid, repräsentiert
durch Pfeile 3, übertragen
werden kann, aus Kunststoff hergestellte fluidführende Komponenten 4 bis 7 und
ist zur Unterbringung bzw. zum Einbau in ein Kraftfahrzeug vorgesehen.
Bei den genannten fluidführenden
Komponenten handelt es sich im Einzelnen um eine Verteilerkammer 4 oder
um einen Verteilerraum 4 sowie um eine Sammelkammer 5 oder
um einen Sammelraum 5, die durch Kühlrohre 6 miteinander
verbunden sind. Hierdurch kann das erste Fluid 2 vom Verteilerraum 4 durch
die Kühlrohre 6 zum
Sammelraum 5 strömen. In
einer offenen Bauweise sind die Kühlrohre 6 bspw. direkt
mit Umgebungsluft beaufschlagbar, also insbesondere anströmbar und
umströmbar.
Alternativ kann auch eine geschlossene Bauweise vorgesehen sein.
Dann sind zusätzlich
Wände 7 vorhanden,
die hier nur mit unterbrochener Linie dargestellt sind. Hierdurch
ist es insbesondere möglich,
das zweite Fluid 3 durch eine Flüssigkeit zu bilden, bspw. um den
Wärmeübertrager 1 in
einen geschlossenen Kühlkreis
integrieren zu können.
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Der
Verteilerraum 4 bzw. sein Gehäuse, der Sammelraum 5 bzw.
sein Gehäuse
und die Kühlrohre 6 sowie
die ggf. vorhandenen Wände 7 sind
beim erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 aus
Kunststoff hergestellt. In der Folge handelt es sich beim Wärmeübertrager 1 um
einen Kunststoff-Wärmeübertrager 1.
Fluiddichte Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten 4 bis 7 können bspw.
durch Schweißverbindungen
realisiert sein. Es ist klar, dass zwischen benachbarten Kühlrohren 6 sowie
innerhalb der Kühlrohre 6 Lamellen
oder andere Turbulatoren angeordnet sein können, um den Wärmeübergang
zu verbessern. Diese Turbulatoren sind zweckmäßig ebenfalls aus Kunststoff
hergestellt.
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Entsprechend
den 2 bis 4 sind bei einem im Übrigen nicht
dargestellten modernen Kraftfahrzeug in einem Motorraum 8 eine
Brennkraftmaschine 9 und eine Ladeeinrichtung 10,
bevorzugt in Form eines Abgasturboladers angeordnet. Ein Frischluftpfad 11 versorgt
Brennräume
der Brennkraftmaschine 9 mit Frischluft. Ein Abgaspfad 12 führt Abgas
von den Brennräumen
der Brennkraftmaschine 9 ab. Bei einer als Abgasturbolader
ausgestalteten Ladeeinrichtung 10 ist eine Turbine 13 des
Abgasturboladers 10 in den Abgaspfad 12 eingebunden,
während
ein über
eine gemeinsame Antriebswelle 14 mit der Turbine 13 verbundener
Verdichter 15 in den Frischluftpfad 11 eingebunden
ist. Der Turbolader 10 erhöht den Druck in der Frischluft.
Gleichzeitig bewirkt er eine Erwärmung
der Frischluft. Zur Erzielung der gewünschten Motorleistung ist es
erforderlich, die aufgeladene Frischluft zu kühlen. Hierzu dient z. B. ein
Wärmeübertrager 1 der
zuvor beschriebenen Art. Dieser Wärmeübertrager 1 ist dann zweckmäßig als
Ladeluftkühler
ausgestaltet, der im Folgenden auch mit 16 bezeichnet wird.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Wärmeübertrager 1 bzw.
der Ladeluftkühler 16 in
eine Zylinderkopfhaube 17 der Brennkraftmaschine 2 integriert.
Die Zylinderkopfhaube 17 deckt einen Motorblock 18 bzw.
dessen Zylinderkopf ab. Insbesondere deckt die Zylinderkopfhaube 17 einen
hier nicht näher
dargestellten Ventiltrieb der Brennkraftmaschine 9 ab,
der bspw. Nockenwellen und Gaswechselventile umfasst. Eine derartige
Zylinderkopfhaube 17 kann vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt
sein. Durch die Integration des Wärmeübertragers 1 bzw.
des Ladeluftkühlers 16 in
die Zylinderkopfhaube 17 enthält diese die fluidführenden
Komponenten des Wärmeübertragers 1,
also insbesondere den Verteilerraum 4, den Sammelraum 5 und die
Kühlrohre 6 sowie
ggf. die Wände 7.
Die über
den Frischluftpfad 11 transportierte aufgeladene Frischluft
bildet dann das erste Fluid 2, das den Wärmeübertrager 1,
also hier den Ladeluftkühler 6 durchströmt. Der
Wärmeübertrager 1 bzw.
der Ladeluftkühler 16 ist
im dargestellten Einbauzustand im Frischluftpfad 11 stromab
der Ladeeinrichtung 10 angeordnet. Ferner befindet er sich
im Frischluftpfad 11 stromauf der Brennkraftmaschine 9.
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Im
gezeigten Beispiel der 2 ist der Wärmeübertrager 1, also
der Ladeluftkühler 16 außerdem in
einen Kühlkreis 24 der
Brennkraftmaschine 9 eingebunden. Dieser Kühlkreis 24 kann
in üblicher Weise
zur Kühlung
der Brennräume
des Motorblocks 18 der Brennkraftmaschine 9 dienen
und insbesondere einen der Umgebungsluft bzw. dem Fahrtwind des
Fahrzeugs ausgesetzten Hauptkühler
aufweisen. In diesem Kühlkreis 24 zirkuliert üblicherweise ein
flüssiges
Kühlmittel,
das im vorliegenden Beispiel somit das zweite Fluid 3 bildet.
Durch die Verwendung eines flüssigen
Kühlmittels
kann eine relativ hohe Leistungsdichte für den Wärmeübertrager 1 realisiert
werden.
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform, bei
welcher der Wärmeübertrager 1 und
insbesondere der Ladeluftkühler 16 in
eine Motorabdeckung 19 integriert ist. Diese Motorabdeckung 19 ist
im Motorraum 8 zwischen der Brennkraftmaschine 9 und
einer Motorhaube 20 zur Abdeckung des Motorraums 8 angeordnet.
Die Motorabdeckung 19 kann zweckmäßig als Sichtschutz für die Brennkraftmaschine 9 dienen. Zusätzlich oder
alternativ kann die Motorabdeckung 19 als Schallabschirmung
für die
Brennkraftmaschine 9 dienen. In der dargestellten Ausführungsform dient
die Motorabdeckung 19 ausschließlich oder zusätzlich zu
wenigstens einem der vorstehend genannten Funktionen als Luftführungselement.
Die Motorabdeckung 19 bewirkt eine Führung für einen Umgebungsluftstrom 21,
der hier durch Pfeile angedeutet ist. Dieser Umgebungsluftstrom 21 dient
zur Durchströmung
des Motorraums 8 bzw. zur Anströmung und/oder Umströmung der
Brennkraftmaschine 9, um einen Hitzestau an der Brennkraftmaschine 9 bzw.
im Motorraum 8 zu vermeiden. Zweckmäßig bildet der Umgebungsluftstrom 21,
der die Motorabdeckung 19 beaufschlagt und der insbesondere
von der Motorabdeckung 19 geführt wird, das zweite Fluid 3 des
Wärmeübertragers 1 bzw.
des Ladeluftkühlers 16.
Der Umgebungsluftstrom 21 kann beispielsweise durch eine
geeignete Luftführung
im Motorraum durch den Fahrtwind erzeugt werden.
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Bei
der integralen Bauweise ist die Motorabdeckung 19 aus Kunststoff
hergestellt und enthält
die fluidführenden
Kunststoff-Komponenten des Wärmeübertragers 1.
Die Motorabdeckung 19 baut vergleichsweise groß, was die
Unterbringung eines vergleichsweise großvolumigen Wärmeübertragers 1 ermöglicht.
Die Motorabdeckung 19 zeigt hier eine flache Bauweise,
das heißt,
ihre Höhe
ist deutlich geringer als ihre Länge
und ihre Breite. Die Motorabdeckung 19 ist insbesondere
an die der Motorhaube 19 zugewandte Kontur der Brennkraftmaschine 9 angepasst.
Ebenso ist sie zweckmäßig an die
der Brennkraftmaschine 9 zugewandte Kontur der Motorhaube 20 angepasst.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform ist der Wärmeübertrager 1 bzw.
der Ladeluftkühler 16 zweckmäßig in die
Motorhaube 20 integriert. Die Motorhaube 20 dient
in bekannter Weise zur Abdeckung bzw. zum Verschließen des
Motorraums 8. Die Motorhaube 20 kann insbesondere
zweischalig ausgebildet sein, was die Integration des Wärmeübertragers 1 erleichtert.
Dabei können
eine Oberschale 22 und eine Unterschale 23 der
Motorhaube 20 grundsätzlich
einen Aufnahmeraum zur Unterbringung des Wärmeübertragers 1 ausbilden.
Bei dieser Bauform ist der Wärmeübertrager 1 dadurch
in die Motorhaube 20 integriert, dass er zwischen deren
Schalen 22, 23 in die Motorhaube 20 eingebaut
ist. Die Schalen 22, 23 können dabei insbesondere auch
aus einem Metall hergestellt sein. Alternativ ist auch eine Ausführung der
Motorhaube 20 zumindest teilweise aus Kunststoff denkbar.
Dann bietet sich ein weitaus höherer
Integrationsgrad für
den Wärmeübertrager 1 an.
Insbesondere können
einzelne fluidführende Komponenten
des Wärmeübertragers 1 unmittelbar an
der Motorhaube 20, insbesondere an einem der Schalenkörper 22, 23 ausgebildet
sein.
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Im
Beispiel ist die Motorhaube 20 auf der Seite des Motorraums 8 dem
Umgebungsluftstrom 21 ausgesetzt, wodurch die Umgebungsluft
wieder das zweite Fluid 3 des Wärmeübertragers 1 bildet. Zur
Führung
des Umgebungsluftstroms 21 kann wieder eine Motorabdeckung 19 vorgesehen
sein, die in 4 mit unterbrochener Linie dargestellt
ist. Ebenso ist es grundsätzlich
möglich,
die Motorhaube 20 von außen mit Umgebungsluft zu beaufschlagen.
Dabei kann die Motorhaube 20 eine geschlossene Außenhaut
aufweisen. Ebenso ist es möglich,
zumindest eine Kühlluftöffnung in
der Motorhaube 20 auszubilden, wodurch die Motorhaube 20 mit
Umgebungsluft durchströmbar
ist. Sofern eine derartige Durchströmung der Motorhaube 20 mit
Umgebungsluft vorgesehen ist, ist der Wärmeübertrager 1 zweckmäßig in dem
dann ausgebildeten Umgebungsluftpfad angeordnet, um einen intensiven
Wärmeübergang
zwischen den beiden Fluiden 2, 3 des Wärmeübertragers 1 zu
ermöglichen.
Auch hier kann der Umgebungsluftstrom 21 zweckmäßig mit
Hilfe des Fahrtwinds generiert werden bzw. durch diesen gebildet
sein.
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Obwohl
die hier vorgestellten Einbauvarianten bzw. Integrationsvarianten
alternativ vorgestellt worden sind, ist klar, dass grundsätzlich auch
eine kumulative Realisierung möglich
ist. Beispielsweise können
im Motorraum 8 mehrere derartige Wärmeübertrager 1 angeordnet
sein, bspw. in der Zylinderkopfhaube 17, in der Motorabdeckung 19 und
in der Motorhaube 20. Ferner ist klar, dass der Wärmeübertrager 1 grundsätzlich auch
in ein anderes, bevorzugt aus Kunststoff hergestelltes Fahrzeugbauteil
integriert sein kann, das sich am bzw. im Motorraum 8 befindet.
Beispielsweise kann eine den Motorraum 8 von einem Fahrzeuginnenraum
abgrenzende Spritzwand oder Stirnwand zur Integration des Wärmeübertragers 1 vorgesehen
sein. Desweiteren ist klar, dass der hier vorgestellte Wärmeübertrager 1 nicht zwingend
als Ladeluftkühler 16 ausgestaltet
sein muss, vielmehr sind auch andere Einsatzzwecke für den Wärmeübertrager 1 denkbar.
Beispielsweise kann er zur Aufheizung bzw. zur Kühlung von Innenraumluft genutzt
werden.