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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sammelbehälter eines flüssigkeitsgekühlten Wärmetauschers. Die Erfindung betrifft außerdem einen mit einem derartigen Sammelbehälter ausgestatteten Wärmetauscher und einen mit einem derartigen Wärmetauscher ausgestatteten Verbrennungsmotor.
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Aus der
EP 1 795 847 A2 ist ein Ladeluftkühler bekannt, der aus Flachrohren, Wellrippen, Sammelkästen und Anschlussstutzen zusammengesetzt ist, wobei diese Einzelteile miteinander verlötet sind. Um die Anzahl der Einzelteile des Ladeluftkühlers reduzieren zu können und dadurch eine bessere Herstellbarkeit zu erreichen, wurde ein von Parallelstromkondensatoren bekanntes Bauprinzip auf den Ladeluftkühler übertragen, indem dieser in einem von der Ladeluft durchströmbaren Gehäuse angeordnet wurde.
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Weitere Ladeluftkühler sind bspw. aus der
EP 1 785 609 A1 ,
EP 584 850 A1 bekannt.
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Nachteilig bei dem bekannten Stand der Technik ist, dass der Wärmetauscher, Ladeluftkühler jeweils als separates Bauteil in einem Kühlkreislauf vorgesehen ist und ohne eine separate Kühlmittelpumpe nicht betrieben werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Wärmetauscher, insbesondere einen Ladeluftkühler, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine kompakte Bauform auszeichnet.
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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, in einen Sammelbehälter für flüssiges Kühlmittel eines in einen Flüssigkeitskreislauf integrierten Wärmetauschers eines Verbrennungsmotors eine Kühlmittelpumpe zum Fördern des flüssigen Kühlmittels zu integrieren und dadurch eine separate Montage derselben, verbunden mit einem erhöhten Bauraumbedarf und einem erhöhten Montageaufwand, zu vermeiden. Durch die Integration der Kühlmittelpumpe in den Sammelbehälter eines Wärmetauschers ist es möglich, eine insgesamt deutlich kompaktere Bauweise zu erreichen, was insbesondere im Hinblick auf ein stetig schrumpfendes Platzangebot in modernen Motorräumen von großem Vorteil ist. Die Kühlmittelpumpe kann dabei selbstverständlich derart in den Sammelbehälter bzw. den Wärmetauscher integriert sein, dass diese, bspw. zu Wartungszwecken, einfach zu entnehmen bzw. auszutauschen ist. Die Kühlmittelpumpe kann darüber hinaus dichtend in eine am Sammelbehälter angeordnete Ausnehmung lösbar oder unlösbar eingesteckt, bspw. mit dieser verschraubt bzw. verclipst oder verschweißt werden, wodurch sich die Montage der Kühlmittelpumpe am Sammelbehälter zusätzlich vereinfacht. Die Ausnehmung kann wie bspw. der gesamte Sammelbehälter aus Kunststoff, insbesondere als Kunststoffspritzgussteil, ausgebildet sein, wodurch eine einerseits kostengünstige und andererseits qualitativ sehr hochwertige Fertigung des Sammelbehälters und damit auch des Wärmetauschers möglich sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, weist die Kühlmittelpumpe ein Laufrad auf, das als einteiliges oder einstückiges Kunststoffteil hergestellt und dadurch kostengünstig und einfach zu fertigen ist. Das erfindungsgemäß verwendete Laufrad ist aus der
EP 1977144 bekannt. Die Breite eines Schaufelkanals im Meridianschnitt vergrößert sich dabei von einem Strömungseintritt in das Laufrad bis zu einem Strömungsaustritt aus demselben kontinuierlich derart, dass das Verhältnis einer Austrittsbreite zu einer Eintrittsbreite im Bereich zwischen 1,01 und 1,2 liegt. In Folge dieser kontinuierlich sich erweiternden Austrittsbreite wird sowohl bei geschlossenen Laufrädern mit einfach gekrümmten Schaufeln, wie auch bei geschlossenen Laufrädern mit räumlich gekrümmten Schaufeln eine wesentliche Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit zum Laufradaustritt hin bewirkt. Diese erfindungsgemäß erzielte Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit im Laufrad bewirkt unter Beachtung der Energiebilanz zwangsläufig eine Erhöhung des statischen Drucks im Inneren des Laufrads, wodurch der Bereich der Implosion der Kavitationsblasen und damit auch der aus dieser Implosion der Kavitationsblasen resultierende Verschleiß und die Kavitationserosion aus den dem Laufrad nachgeordneten Bauteil und Baugruppen in das aus Kunststoff hergestellte Laufrad verlegt wird. Da der Kunststoff des Laufrads im Vergleich zum Aluminiumguss, bspw. der dem Laufrad nachgeordneten Bauteile, eine wesentlich höhere Beständigkeit gegenüber Kavitationserosion aufweist, werden durch die erfindungsgemäße Lösung in Folge der erfindungsgemäßen Wirkung der Verlagerung des Bereichs der Kavitationserosion in das Laufrad zwangsläufig die Auswirkungen des Kavitationsverschleißes an den dem Laufrad nachgeschalteten Bauteilen/Baugruppen auf ein Minimum reduziert bzw. gänzlich vermieden. In Abhängigkeit von der für Druckaufbau benötigten Strömungsgeschwindigkeit und den jeweiligen Austrittswinkeln kann darüber hinaus die Austrittsbreite fachgemäß (bspw. nach dem Geschwindigkeitsdreieck) dimensioniert werden. Hierbei kann die größere Austrittsbreite über sonstige Parameter wie bspw. einen kleineren Austrittswinkel, die Schaufeldicke usw. kompensiert werden. Alle Seiten des jeweiligen Anwenders geforderten Leistungsdaten, wie Förderhöhe und Volumenstrom, können nach den im Stand der Technik üblichen Berechnungsmethoden zur Dimensionierung des jeweiligen Laufrads berücksichtigt werden, sodass auch mittels dieser neuartigen, erfindungsgemäß ausgebildeten Laufräder alle vom jeweiligen Anwender geforderten Leistungsdaten zuverlässig erreicht und mittels der erfindungsgemäßen Lösung sogar übertroffen werden können. Dabei sollte das Verhältnis der Austrittsbreite zur Eintrittsbreite ungefähr im Bereich zwischen 1,01 und 1,2 liegen, da mit größer werdender Austrittsbreite verstärkt Rezirkulationen im Laufrad auftreten, die dann zu einer Ablösung der Strömung führen. Derartige Rezirkulationen werden im Stand der Technik bei verschiedenen Bauformen von Laufrädern zur Förderung von inhomogenen Stoffen bewusst herbeigeführt, haben jedoch zwangsläufig zur Folge, dass sich dadurch das Saugverhalten verschlechtert und der Wirkungsgrad absinkt.
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Fertigungstechnisch ist bei dem erfindungsgemäßen Laufrad zu sagen, dass in Folge der speziell gestalteten Laufradgeometrie mit einer sich kontinuierlich vergrößernden Breite des Schaufelkanals im Meridianschnitt vom Strömungseintritt in das Laufrad bis zum Strömungsaustritt aus dem Laufrad auch eine Entformung von geschlossenen Laufrädern mit einfach und räumlich gekrümmten Schaufeln und damit eine Fertigung der erfindungsgemäßen Laufräder als einteilige Kunststoffteile möglich wird, sodass sich der Fertigungsaufwand für die erfindungsgemäßen Laufräder gegenüber der Fertigung von herkömmlichen Laufrädern wesentlich vereinfacht, wobei selbst kleine Baugrößen mit einem hohen hydraulischen Wirkungsgrad und einem hohen Saugverhalten einfach und kostengünstig hergestellt werden können.
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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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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1a, b ein erfindungsgemäßer Sammelbehälter aus verschiedenen Blickwinkeln,
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2a, b alternative Ausführungsformen,
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3a, b wiederum zwei Ansichten auf einen Sammelbehälter mit einer in einer Explosionsdarstellung gezeichneten Kühlmittelpumpe,
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4 eine Frontansicht des Laufrads,
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5 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A.
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Ein erfindungsgemäßer Sammelbehälter 2 für Kühlflüssigkeit kann an verschieden aufgebauten Wärmetauschern 1 zum Einsatz kommen. Die meisten weisen als Wärmetauscherrohre Flachrohre oder Rundrohre für die kühlende Flüssigkeit auf, sowie Rohrböden, die die Wärmetauscherrohre aufnehmen. Diese Wärmetauscherrohre haben in ihrem Innern oft Turbulenz erzeugende Mittel. An den Rohrböden sind die Sammelbehälter 2 befestigt. Entweder lösbar oder unlösbar.
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Die Seite, die mittels der Kühlflüssigkeit gekühlt wird, kann geschnittene Lamellen aufweisen, wenn ein Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft oder Abgas, gekühlt werden soll oder Turbulenzerzeuger wenn eine andere Flüssigkeit gekühlt werden soll. Es gibt verschiedene Formen der Durchströmung solcher Wärmetauscher 1, I oder U förmig. Beim I-förmig vom Kühlmittel durchströmten Wärmetauscher befindet sich an den beiden gegenüberliegenden Enden der Wärmetauscherrohre jeweils ein Rohboden mit zugehörigen Sammelbehälter 2 und zugehörigen Anschlussstutzen. Beim U-förmig vom Kühlmittel durchströmten Wärmetauscher befinden sich beide Anschlussstutzen am selben Sammelbehälter 2 an einem Ende der Wärmetauscherrohre. In diesem Fall weist der eine Sammelbehälter 2 eine innere Trennwand auf, um einströmendes von ausströmendem Kühlmittel zu trennen. Am anderen Ende der Wärmetauscherrohre befindet sich eine Art Umlenksammelbehälter.
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Je nach Wahl des Wärmetauschers 1 kann die erfindungsgemäße Integration der Kühlmittelpumpe 3 in jedem der vorstehend genannten Sammelbehälter 2 vorgenommen werden. Ein hierzu erfindungsgemäß verwendetes Laufrad 9 saugt immer axial an und stößt immer radial die Flüssigkeit aus.
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Entsprechend den 1 bis 3, weist ein dargestellter und üblicherweise an dem Wärmetauscher 1, insbesondere einem Ladeluftkühler eines im Übrigen nicht dargestellten Verbrennungsmotors, den Sammelbehälter 2 für Kühlmittel auf, wobei in den Sammelbehälter 2 eine Kühlmittelpumpe 3 zum Fördern des Kühlmittels mittels einer vom Laufrad 9 erzeugten Druckdifferenz integriert ist. Hierzu weist der Sammelbehälter 2 eine Ausnehmung 4 auf, in welche die Kühlmittelpumpe 3 gedichtet einsteckbar ist. Ein Befestigen der Kühlmittelpumpe 3 in der Ausnehmung 4 kann bspw. mittels einer Clips-, Schraub- oder Schweißverbindung erfolgen und damit eine lösbare oder unlösbare Verbindung bilden. Erfindungsgemäß ist der Sammelbehälter 2 aus Kunststoff, insbesondere als Kunststoffspritzgussteil, und dadurch kostengünstig und qualitativ hochwertig ausgebildet.
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Betrachtet man die 1a im Vergleich zur 2a, so kann man erkennen, dass eine Achse der Ausnehmung 4 und damit eine Achse der Kühlmittelpumpe 3 entweder parallel zu einem Auslass 5 und einem Einlass 6 am Sammelbehälter 2 angeordnet sind (vgl. 1a) oder orthogonal dazu (vgl. 2a). Der Aus- und Einlass 5, 6 kann selbstverständlich auch umgekehrt ausgeführt sein, sie bilden die gezeigten Anschlussstutzen, an die geeignete Kühlmittel führende Schläuche oder ähnliches angeschlossen werden können.
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In den 1a und 1b sind zwei Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels zu sehen und in den 2a und 2b zwei Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels. Der Unterschied ist die Anordnung der Kühlmittelpumpe 3 im Vergleich zum Sammelbehälter 2.
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Im ersten Ausführungsbeispiel in den 1a, b, ist die Achse der Kühlmittelpumpe 3 im Winkel zu den nicht gezeigten Wärmetauscherrohren angeordnet. Da das erfindungsgemäß verwendetet Laufrad 9 immer axial ansaugt, muss das Innere des Sammelbehälters 2 so ausgestaltet sein, dass eine optimale Anströmung möglich ist. Dies kann durch die geschickte Ausgestaltung der inneren Geometrie des Sammelbehälters 2 erreicht werden. Ebenso muss die Geometrie in der Ausnehmung 4 so sein, dass die Flüssigkeit mit möglichst geringen Reibungsverlusten in Richtung zum Auslass 5 oder 6 gefördert werden kann. Der Sammelbehälter 2 wird durch eine idealer Weise den Wärmetauscher 1 in zwei gleichgroße Teile trennende Trennwand 22 in einen Einlasssammelraum 20 und einen Auslasssammelraum 21 oder umgekehrt aufgeteilt, es handelt sich hier um einen U-förmig durchströmten Wärmetauscher. Die Kühlmittelpumpe 3 kann auch bei einem U-förmig durchströmten Wärmetauscher 1 im sogenannten Umlenkungssammelbehälter (nicht gezeigt) angeordnet sein. Haben wir einen I-förmig durchströmten Wärmetauscher, so kann die Pumpe 3 in einem der zwei Sammelbehälter 2, die jeweils komplett den Einlasssammelraum 20 oder den Auslasssammelraum 21 bilden, angeordnet sein. Die Sammelbehälter 2 werden mittels geeigneter Mittel mit den die Wärmetauscherrohre aufnehmenden Endplatten verbunden. Damit diese Verbindung dicht ist wird eine nicht gezeigte Dichtung am Rand des Sammelbehälters 2 eingelegt. Der Sammelbehälter 2 kann in diesem Ausführungsbeispiel ein- oder mehrstückig ausgebildet sein, die einzelnen Teile sind dann zweckmäßigerweise miteinander verschweißt.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel in den 2a, b ist die Achse der Kühlmittelpumpe 3 parallel zu den nicht gezeigten Wärmetauscherrohren angeordnet. Auch dieses Ausführungsbeispiel zeigt einen U-förmig durchströmten Wärmetauscher. Der Sammelbehälter 2 weist eine Trennwand 22 auf, die den Einlasssammelraum 20 von dem Auslasssammelraum 21 mittels einer Dichtung dicht trennt. Im Auslasssammelraum 21 befindet sich eine Öffnung 23 durch die die Kühlmittelpumpe 3 axial das Kühlmittel ansaugen kann, so dass hier keine weiteren Umlenkgeometrien in den Sammelbehälter 2 integriert werden müssen. Der Auslass 6 ist hier so am Sammelbehälter 2 angeformt, dass er nur über die Kühlmittelpumpe 3 und eine Öffnung 23 vom Auslasssammelraum 21 her angeströmt werden kann.
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Wie in den 3a und 3b gezeigt, besitzt die Kühlmittelpumpe 3 einen Elektromotor 7 mit einem schneckengangartigen, hydraulischen Pumpenteil 8 sowie ein Laufrad 9, das insbesondere als einteiliges oder als einstückiges Kunststoffteil, insbesondere Kunststoffspritzgussteil, hergestellt ist. In die Ausnehmung 4 wird gemäß den 3a, b das Laufrad 9 samt seinem Elektromotor 7 dicht eingesteckt. Die Kühlmittelpumpe 3 selber weist das hydraulische Pumpenteil 8 auf, das wie eine Strömungsleitkontur auf die Kühlflüssigkeit wirkt und bewirkt dass die Kühlflüssigkeit zum Auslass 6 geführt wird. Sie ist strömungsoptimiert ausgestaltet, so dass möglichst wenig Druckverlust auftritt. Ein Deckel 25 dichtet nach außen zur Umgebung die Anordnung ab. Die Anschlüsse für den Elektromotor 7 können hier oder durch die Wandung der Ausnehmung 4 geführt werden.
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Für das erste Ausführungsbeispiel ist der Aufbau der Kühlmittelpumpe 3 äquivalent.
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In den 4 und 5 ist dabei ein als Radialschaufelrad mit einfach gekrümmten Schaufeln 10 ausgebildetes Laufrad 9 dargestellt, wobei das Laufrad 9 in der Schnittdarstellung gemäß der 6 einen Boden 11 sowie eine Decke 12 besitzt, die einstückig mit den Schaufeln 10 ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist dabei eine Austrittsbreite b2 gegenüber der Eintrittsbreite b1 vergrößert, wobei das Verhältnis der Austrittsbreite b2 zur Eintrittsbreite b1 vorzugsweise im Bereich zwischen 1,01 und 1,2 liegt. Selbstverständlich kann das in den 4, 5 dargestellte Laufrad 9 auch als Francisschaufelrad mit räumlich gekrümmten Schaufeln ausgebildet sein oder als Diagonalschaufelrad. Derartige Schaufelräder sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt, nicht jedoch in der Art, dass die Austrittsbreite b2 deutlich größer ist als die Eintrittsbreite b1. Ebenso wenig sind derartige Laufräder in einer einteiligen bzw. einstückigen Ausführungsform bekannt.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Vergrößerung der Austrittsbreite b2 gegenüber der Eintrittsbreite b1 ist es gelungen, in Folge dieser speziell gestalteten Laufradgeometrie mit einer sich kontinuierlich vergrößernden Breite des Schaufelkanals im Meridianschnitt vom Strömungseintritt in das Laufrad 9 bis zum Strömungsaustritt aus dem Laufrad 9 sowohl geschlossene Laufräder als 9 mit einfach gekrümmten Schaufeln 10 als auch geschlossene Laufräder 9 mit räumlich gekrümmten Schaufeln kostengünstig als einteilige Kunststoffteile herzustellen, die Auswirkungen des Kavitationsverschleisses an den dem Laufrad 9 nachgeschalteten Bauteilen/Baugruppen zu minimieren und dabei gleichzeitig den hydraulischen Wirkungsgrad und das Saugverhalten der jeweiligen Laufradbauform deutlich zu verbessern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1795847 A2 [0002]
- EP 1785609 A1 [0003]
- EP 584850 A1 [0003]
- EP 1977144 [0008]
