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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager zum Kühlen von Ladeluft für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs.
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Bei einer herkömmlichen Ladeluftkühlung eines Fahrzeugs wird die Ladeluft beispielsweise mittels eines Abgasturboladers oder Kompressors verdichtet und nach dem Verdichten in einem Ladeluftkühler abgekühlt, um eine Dichte der Ladeluft zu erhöhen. Der Ladeluftkühler kann als direkter Ladeluftkühler mit direktem Wärmeübergang zwischen Umgebungsluft und der Ladeluft ausgeführt werden. Ebenso kann der Ladeluftkühler als indirekter Ladeluftkühler mit einem Wärmeübergang von der Ladeluft auf ein Kühlmittel mit hoher Wärmekapazität, beispielsweise Kühlwasser ausgeführt werden. Dadurch kann der indirekte Ladeluftkühler kompakt ausgeführt werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Wärmeübertrager zum Kühlen von Ladeluft für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager zum Kühlen von Ladeluft für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
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Höher aufgeladene PKW-Motoren bedingen stetig steigende Anforderungen an die Ladeluftkühlung. Der mit der Aufladung, insbesondere mit der Turboaufladung, direkt verknüpfte Ladedruck, bewirkt seinerseits steigende Ladelufttemperaturen, die Stand Heute Werte von 210°C oder mehr erreichen. Gleichzeitig werden die Anforderungen im Rahmen der Ladeluftabkühlung hin zu geringem Ladeluftdruckverlust und kleinem Packaging, also kleinem Bauraum, immer höher. Eine konventionelle, einstufige Ladeluftkühlung mit einem Kühlmittelkreislauf weist eine begrenzte Kühlleistung durch den Niedertemperatur-Kreislauf bzw. den Niedertemperatur-Kühlmittelkühler auf. Aufgrund dieser Begrenzung kann für anspruchsvolle Anwendungen eine „kaskadierte” (Hochtemperatur-Kreis und Niedertemperatur-Kreis) Ladeluftkühlung im Saugrohr vorgesehen werden. Um den Anforderungen nach kleinem Bauraum und zusätzlich geringen Ladeluftdruckverlusten gerecht zu werden, kann die kaskadierte Ladeluftkühlung in einem einteiligen Ladeluftkühler angeordnet werden, der beide Kühlkreislaufstufen, also Hochtemperatur und Niedertemperatur, beinhaltet. Die unterschiedlichen Temperaturen im Hochtemperatur- bzw. Niedertemperatur-Kühlkreislauf bewirken unterschiedliche Wärmeausdehnungen in beiden Kühlmittel-Stufen, die ihrerseits ohne weitere Maßnahmen zu einer unkontrollierten Schädigung des einteiligen Ladeluftkühlers führen können.
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Bei einem Wärmeübertrager, der mehrere Stufen in einer einschiebbaren oder einlegbaren Kassette vereint, können aufgrund von thermischen Spannungen im Betrieb Festigkeitswerte im Material überschritten werden. An hochbelasteten Stellen können deshalb Undichtigkeiten auftreten, die zu einem Versagen des Wärmeübertragers führen können. Bei einer Anordnung von mehreren Rohrreihen in Durchströmungsrichtung der Ladeluft, die gleichzeitig unterschiedlich temperierte Kühlmedien führen, können ohne weitere Maßnahmen an Verbindungsstellen wie den Rohr-Boden-Verbindungen aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen extreme thermomechanische Spannungen auftreten. Diese Spannungen können zur unkontrollierten Schädigung dieser Bauteile führen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zwischen zwei Bereichen mit zu erwartenden unterschiedlichen Wärmeausdehnungen ein flexibler Bereich oder ein Bereich mit geringer Steifigkeit angeordnet werden kann. Der flexible Bereich kann Verschiebungen zwischen den zwei Bereichen ausgleichen. Wenn die Verschiebungen größer als eine vorgesehene Distanz werden, kann der flexible Bereich dauerhaft verformt werden und so Fügestellen innerhalb der zwei Bereiche vor schädlichen Spannungsspitzen schützen.
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Vorteilhafterweise kann durch das Vermeiden von Spannungsspitzen in empfindlichen Fügestellen oder dünnwandigen Bauteilen die Lebensdauer eines Wärmeübertragers erhöht werden. Ein flexibler Verbindungsbereich kann ein Handhaben des Wärmeübertragers, beispielsweise bei der Montage erleichtern, da der Wärmeübertrager trotz mehrstufiger Ausführung als Komplettbauteil verbaut werden kann.
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Auch kann eine Steigerung der Ladeluftleistung einhergehend mit einer Reduzierung des Bauraumes zur Ladeluftkühlung und einer Reduzierung des Ladeluftdruckverlustes erreicht werden. Durch eine thermomechanische Entkopplung der beiden Kühlmittelstufen und der Realisierung einer Sollbruchstelle ergibt sich eine Reduzierung der thermomechanischen Spannungen in den Bauteilen und somit eine Verlängerung der Bauteil-Lebensdauer. Durch eine Reduzierung der Anzahl der Einzelteile bei der Fertigung ergibt sich eine bessere Handhabung bei der Montage. Zudem ist eine Reduzierung der Dichtungs-Elemente möglich.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Wärmeübertrager zum Kühlen von Ladeluft für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, wobei der Wärmeübertrager die folgenden Merkmale aufweist:
eine Vorstufe, die als Bestandteile der Vorstufe zumindest einen Vorstufen-Festlagerboden und einen Vorstufen-Loslagerboden aufweist, wobei in einem Wärmeübergangsbereich der Vorstufe zwischen dem Vorstufen-Festlagerboden und dem Vorstufen-Loslagerboden zumindest ein Vorstufen-Kanal für ein Vorstufen-Kühlmittel angeordnet ist;
eine Hauptstufe, die als Bestandteile der Hauptstufe zumindest einen Hauptstufen-Festlagerboden und einen Hauptstufen-Loslagerboden aufweist, wobei der Hauptstufen-Festlagerboden fest mit dem Vorstufen-Festlagerboden verbunden ist, und in einem Wärmeübergangsbereich der Hauptstufe zwischen dem Hauptstufen-Festlagerboden und dem Hauptstufen-Loslagerboden zumindest ein Hauptstufen-Kanal für ein Hauptstufen-Kühlmittel angeordnet ist; und
eine Einrichtung zum Ausgleichen einer Positionsdifferenz zwischen korrespondierenden Bestandteilen der Vorstufe und Bestandteilen der Hauptstufe, wobei die Positionsdifferenz auf einem thermisch bedingten Längungsunterschied zwischen dem zumindest einen Vorstufen-Kanal und dem zumindest einen Hauptstufen-Kanal beruht.
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Unter Ladeluft kann Luft verstanden werden, die gegenüber einem Umgebungsdruck auf einen höheren Ladedruck komprimiert worden ist. Die Ladeluft kann auch gegenüber einer Umgebungstemperatur auf eine höhere Ladelufttemperatur erwärmt worden sein. Die Ladeluft kann mittels eines Kompressors oder eines Verdichters unter Energieaufwand komprimiert und/oder erwärmt worden sein. Um eine höhere Dichte und damit eine höhere Sauerstoffmenge in einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in Brennräumen eines Verbrennungsmotors, zu erhalten, soll die Ladeluft mittels eines Wärmeübertragers, dem Ladeluftkühler abgekühlt werden. Der Wärmeübertrager kann zumindest zwei Stufen aufweisen. Die Stufen können zum Betreiben mit unterschiedlichen Külhmedien ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Vorstufe als Kühlmedium mit Kühlmittel aus einem Hochtemperatur-Kühlwasserkreislauf betrieben werden. Die Hauptstufe kann beispielsweise mit Kühlmittel aus einem Niedertemperatur-Kühlwasserkreislauf betrieben werden. Die Vorstufe kann einen ersten Energiebetrag aus der Ladeluft entziehen. Die Hauptstufe kann einen zweiten Energiebetrag aus der Ladeluft entziehen. Durch eine Teilung eines Gesamtenergiebetrags in zumindest zwei Energiebeträge kann eine Belastung einzelner Systeme reduziert werden. Aufgrund unterschiedlicher Betriebstemperaturen der verschiedenen Stufen können die Stufen insgesamt und insbesondere Leitungen und Kanäle in einem Wärmeübergangsbereich der Stufen unterschiedliche Längenveränderungen aufgrund von Wärmeausdehnung aufweisen. Unter einem Boden kann eine Platte mit Durchbrüchen verstanden werden, die Kanäle auf einer Seite von einem Kasten auf einer gegenüberliegenden Seite trennt. Die Kanäle münden in den Durchbrüchen. Der Kasten ist dazu ausgebildet, Fluid aus den Kanälen zu sammeln oder Fluid in die Kanäle zu verteilen. Eine Stufe weist zumindest zwei Böden auf. Zwischen den Böden sind die Kanäle angeordnet und befindet sich der Wärmeübergangsbereich. Um eine statisch bestimmte Lagerung einer Stufe zu ermöglichen ist einer der Böden als Festlagerboden in allen Raumrichtungen fest mit einem Trägerbauteil verbunden. Der andere Boden ist als Loslagerboden in zwei Raumrichtungen abgestützt und in einer Raumrichtung beweglich zum Trägerbauteil gelagert. Die bewegliche Raumrichtung entspricht einer Haupterstreckungsrichtung und Hauptausdehnungsrichtung der Kanäle. Die Festlagerböden von Vorstufe und Hauptstufe können in einer gemeinsamen Haupterstreckungsrichtung ausgerichtet sein und einstückig miteinander verbunden sein.
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Die Einrichtung zum Ausgleichen kann eine Mehrzahl von Stegen zwischen einem der Bestandteile der Vorstufe und einem korrespondierenden der Bestandteile der Hauptstufe aufweisen. Ein Steg kann ein Streifen Material sein. Die Stege können jeweils auf einer Seite mit dem Bestandteil der Vorstufe und auf der anderen Seite mit dem Bestandteil der Hauptstufe verbunden sein. Beispielsweise können die Streifen aufgelötet sein. Durch die Stege werden Kräfte zwischen den Bestandteilen in kleinen Materialquerschnitten konzentriert. Die kleinen Querschnitte weisen eine geringe Steifigkeit auf, so dass die Stege verformt werden, bevor die Bestandteile verformt werden.
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Das Bestandteil der Vorstufe und das korrespondierende Bestandteil der Hauptstufe können einstückig mit einer Mehrzahl dazwischenliegender ausgestanzter Aussparungen ausgeführt sein, wobei zwischen den Aussparungen die Mehrzahl von Stegen angeordnet ist. Die Stege können nach einem Bearbeitungsschritt zwischen den Bestandteilen stehenbleiben, wobei in dem Bearbeitungsschritt die Aussparungen in ein Ausgangsbauteil eingebracht wurden. Die Aussparungen können in einer Linie ausgerichtet sein, die zwischen der Vorstufe und der Hauptstufe verläuft. Die Aussparungen können im Stil einer Perforation ausgeführt sein.
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Die Stege können ferner je einen Dehnungsbogen aufweisen. Ein Dehnungsbogen kann verlängerte Stege bereitstellen, obwohl ein Abstand zwischen den Bestandteilen gering ist. Durch die Dehnungsbögen weisen die Stege eine vergrößerte wirksame Länge auf, so dass eine größere absolute Längenänderung bei gleicher prozentualer Längenänderung möglich ist. Die Dehnungsbögen können beispielsweise halbkreisförmig sein oder die Form von Kreisabschnitten aufweisen. Ebenso können die Dehnungsbögen scharfkantig gebogen sein, also beispielsweise U-Form oder V-Form aufweisen.
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Die Einrichtung zum Ausgleichen kann zumindest ein Überlappungsblech aufweisen, das einen Spalt zwischen einem der Bestandteile der Vorstufe und einem korrespondierenden der Bestandteile der Hauptstufe abdeckt, wobei das Überlappungsblech mit dem Bestandteil der Vorstufe oder dem Bestandteil der Hauptstufe verbunden ist. Ein Überlappungsblech kann auf den zwei korrespondierenden Bestandteilen aufliegen. Das Überlappungsblech kann den Spalt abdichten. Das Überlappungsblech kann breiter als der Spalt sein. Das Überlappungsblech kann fest mit einem der Bestandteile verbunden sein, beispielsweise mittels einer Lötverbindung. Durch das Überlappungsblech können sich die Bestandteile ohne Spannungen frei gegeneinander bewegen.
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Die Einrichtung zum Ausgleichen kann mit einer Sollbruchstelle ausgeführt sein, die dazu ausgebildet ist, die Positionsdifferenz mittels einer plastischen Verformung und/oder eines Materialversagens auszugleichen, wenn die Positionsdifferenz größer als ein Grenzwert ist. Unter einem Grenzwert kann beispielsweise eine Materialkonstante, wie eine Zugfestigkeit des Stegmaterials auf eine Querschnittsfläche der Einrichtung zum Ausgleichen verstanden werden. Durch eine konstruktive Auslegung der Stege kann so eine maximal wirkende Kraft bis zu dem Materialversagen festgelegt werden.
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Die Vorstufe und die Hauptstufe können als Bestandteil ferner zumindest je ein korrespondierendes Seitenblech zum Begrenzen des jeweiligen Wärmeübergangsbereichs aufweisen, wobei die Einrichtung zum Ausgleichen dazu ausgebildet sein kann, eine Positionsdifferenz zwischen korrespondierenden Seitenblechen der Vorstufe und der Hauptstufe auszugleichen. Unter einem Seitenblech kann ein Begrenzungsblech des Wärmeübergangsbereichs an den zwei gegenüberliegenden quer zur Strömungsrichtung eines Luftkanals ausgerichteten Seiten verstanden werden. Mittels eines Seitenblechs kann der Wärmeübertrager einfach handhabbar gestaltet werden. Das Seitenblech kann empfindliche Bestandteile des Wärmeübertragers schützen. Zwischen zwei aneinander stoßenden Seitenblechen kann als Einrichtung zum Ausgleichen auch eine Perforation oder ein Überlappungsblech oder Stege angeordnet sein.
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Die Vorstufe und die Hauptstufe können als Bestandteil ferner zumindest je eine korrespondierende Wellrippe in dem Wärmeübergangsbereich aufweisen, die wärmeleitend mit dem Vor- bzw. Hauptstufen-Kanal verbunden ist, wobei die Einrichtung zum Ausgleichen dazu ausgebildet sein kann, die Positionsdifferenz zwischen korrespondierenden Wellrippen der Vorstufe und der Hauptstufe auszugleichen. Eine Wellrippe kann eine Oberfläche zur Wärmeübertragung vergrößern. Zwischen zwei aneinander stoßenden Wellrippen kann als Einrichtung zum Ausgleichen auch eine Perforation oder ein Überlappungsblech oder Stege angeordnet sein.
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Der Vorstufen-Loslagerboden und der Hauptstufen-Loslagerboden können mittels der Einrichtung zum Ausgleichen verbunden sein und zusammen eine Außenkontur zum Einschieben oder zum Einlegen in eine Aufnahme für den Wärmeübertrager aufweisen. Die Außenkontur kann beispielsweise einem lichten Querschnitt einer Aufnahme für den Wärmeübertrager entsprechen. Eine Aufnahme für den Wärmeübertrager kann beispielsweise ein Aufnahmeschacht quer zu einem Ladeluftkanal sein, der dazu ausgebildet ist, den Wärmeübertrager in den Ladeluftkanal zu integrieren.
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Der Vorstufen-Festlagerboden und der Hauptstufen-Festlagerboden können zusammen einen Flansch zum Befestigen des Wärmeübertragers in einer Aufnahme für den Wärmeübertrager ausbilden. Der Flansch kann eine Dichtfläche zum Abdichten gegen die Aufnahme aufweisen. Der Flansch kann Befestigungselemente zum befestigen des Wärmeübertragers an der Aufnahme aufweisen.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung eines Wärmeübertragers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung eines Festlagerbodens für einen Wärmeübertrager gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3a eine Darstellung eines Loslagerbodens für einen Wärmeübertrager gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3b eine Darstellung eines Loslagerbodens für einen Wärmeübertrager gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3c eine Draufsicht auf einen Loslagerboden für einen Wärmeübertrager gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Schnittdarstellung eines Wärmeübertragers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5a eine Darstellung eines Wärmeübertragers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Ansaugkanal; und
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5b eine Darstellung eines Wärmeübertragers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beim Einschieben in einen Ansaugkanal.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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1 zeigt eine Darstellung eines Wärmeübertragers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Wärmeübertrager 100 weist eine Vorstufe 102 und eine Hauptstufe 104 auf. Die Vorstufe 102 und die Hauptstufe 104 sind innerhalb eines einzelnen Bauteils angeordnet und mittels einer Einrichtung zum Ausgleichen 106 verbunden. Die Vorstufe 102 ist quer zu einem Ladeluftstrom 108 stromaufwärts von der Hauptstufe 104 angeordnet. Der Ladeluftstrom 108 weist vor der Vorstufe 102 eine hohe Temperatur auf. In der Vorstufe 102 wird die Temperatur gesenkt, indem thermische Energie aus. dem Ladeluftstrom 108 auf einen ersten Kühlmittelstrom, hier beispielsweise Hochtemperatur-Kühlmittelstrom, 110 durch die Vorstufe 102 übertragen wird. In der Hauptstufe 104 wird die Temperatur des Ladeluftstroms 108 weiter gesenkt, indem weitere thermische Energie aus dem Ladeluftstrom auf einen zweiten Kühlmttelstrom, hier beispielsweise Niedertemperatur-Kühlmittelstrom, 112 durch die Hauptstufe 104 übertragen wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Kühlmittelstrom 110, hier Kühlwasser, auf einer Seite in einen Verteilerkasten 114 der Vorstufe 102 eingeleitet und auf mehrere Vorstufenkanäle verteilt. Auf einer gegenüberliegenden Seite der Vorstufe 102 wird der Kühlmittelstrom 110 aus den Vorstufenkanälen in einem Sammlerkasten 116 gesammelt und aus der Vorstufe 102 ausgeleitet. Die Vorstufe 102 weist zum Verteilen des Kühlmittelstroms 110 zwischen dem Verteilerkasten 114 und den Vorstufenkanälen einen Vorstufen-Loslagerboden 118 auf. Zwischen den Vorstufenkanälen und dem Sammlerkasten 116 weist die Vorstufe 102 einen Vorstufen-Festlagerboden 120 auf. Der Kühlmittelstrom 110 wird zum Ladeluftstrom 108 im Querstromprinzip durch die Vorstufenkanäle geführt. Der Niedertemperatur-Kühlmittelstrom 112 wird auf der Seite des Wärmeübertragers 100 in die Hauptstufe 104 geführt, auf der der Hochtemperatur Kühlmittelstrom 110 aus der Vorstufe 102 geführt wird. Der Niedertemperatur-Kühlmittelstrom 112 wird in einem Verteil- und Sammelkasten 122 auf mehrere Hauptstufenkanäle verteilt. Auf der anderen Seite der Hauptstufe 104 wird der Niedertemperatur-Kühlmittelstrom 112 in einem Umlenkkasten 124 umgelenkt und dabei aus den Hauptstufenkanälen gesammelt und auf weitere Hauptstufenkanäle verteilt. Die weiteren Hauptstufenkanäle münden wieder in den Verteil- und Sammelkasten 122, wo der Niedertemperaur-Kühlmittelstrom 112 auf der gleichen Seite aus der Hauptstufe 104 geführt wird, wie er eingeleitet worden ist. Zwischen dem Verteil- und Sammelkasten 122 und den Hauptstufenkanälen sowie den weiteren Hauptstufenkanälen ist ein Hauptstufen-Festlagerboden 126 angeordnet. Zwischen den Hauptstufenkanälen sowie den weiteren Hauptstufenkanälen und dem Umlenkkasten 124 ist ein Hauptstufen Loslagerboden 128 angeordnet. Der Vorstufen-Festlagerboden 120 und der Hauptstufen-Festlagerboden 126 sind einstückig ausgeführt und bilden gemeinsam einen überstehenden Dicht- und Befestigungsflansch zum Befestigen des Wärmeübertragers 100 in einer Aufnahme für den Wärmeübertrager 100 aus. Die Vorstufenkanäle sind beidseitig von je einem Vorstufen-Seitenblech 130 abgedeckt, die gemeinsam mit dem Vorstufen-Festlagerboden 120 und dem Vorstufen-Loslagerboden 118 einen viereckigen Querschnitt für einen Ladeluftkanal ausbilden. Die Hauptstufenkanäle und die weiteren Hauptstufenkanäle sind beidseitig von je einem Hauptstufen-Seitenblech 132 abgedeckt, die gemeinsam mit dem Hauptstufen-Festlagerboden 126 und dem Hauptstufen-Loslagerboden 128 den viereckigen Querschnitt für den Ladeluftkanal fortführen. Das Vorstufen-Seitenblech 130 und das Hauptstufen-Seitenblech 132 sind durch die Einrichtung zum Ausgleichen 106 gegeneinander beweglich miteinander verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind das Vorstufen-Seitenblech 130 und das Hauptstufen-Seitenblech 132 einstückig ausgeführt und weisen als Einrichtung zum Ausgleichen 106 eine Perforation auf, die zwischen der Vorstufe 102 und der Hauptstufe 104 verläuft. Der Vorstufen-Loslagerboden 118 und der Hauptstufen-Loslagerboden 128 sind ebenfalls durch die Einrichtung zum Ausgleichen 106 gegeneinander beweglich miteinander verbunden. Zusammen weisen der Vorstufen-Loslagerboden 118 und der Hauptstufen-Loslagerboden 128 einen Querschnitt auf, der einem Querschnitt der Aufnahme für den Wärmeübertrager 100 entspricht.
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2 zeigt eine Darstellung eines Festlagerbodens 200 für einen Wärmeübertrager gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Festlagerboden 200 weist zwei funktional getrennte Bereiche innerhalb eines rechteckigen Umrisses auf. Ein erster kleinerer Bereich ist ein Vorstufen-Festlagerboden 120, ein zweiter größerer Bereich ist ein Hauptstufen-Festlagerboden 126. Dabei entspricht der Festlagerboden 200 dem Festlagerboden wie er in 1 dargestellt ist. In einem Randbereich weist der Festlagerboden 200 einen Dicht- und Flanschbereich 202 auf, in dem eine Mehrzahl von Befestigungsbohrungen 204 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind zehn Befestigungsbohrungen über den Dicht- und Flanschbereich 202 verteilt angeordnet. Der Vorstufen-Festlagerboden 120 weist ein Schlitzmuster von Durchbrüchen 206 zum Aufnehmen mehrerer Vorstufenkanäle auf, die in einer Strömungsrichtung eines Ladeluftstroms durch den Wärmeübertrager angeordnet sind. Der Hauptstufen-Festlagerboden 126 weist das gleiche Schlitzmuster zweimal nebeneinander angeordnet auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind pro Schlitzmuster sechs Durchbrüche 206 übereinander angeordnet.
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Die 3a, 3b und 3c zeigen Darstellungen von verschiedenen Ausführungsbeispielen von Loslagerböden 300 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Loslagerböden 300 weisen je zwei funktional getrennte Bereiche innerhalb eines rechteckigen Umrisses auf. Ein erster kleinerer Bereich ist ein Vorstufen-Loslagerboden 118, ein zweiter größerer Bereich ist ein Hauptstufen-Loslagerboden 128. Dabei entsprechen die Loslagerböden 300 dem Festlagerboden wie er in 1 dargestellt ist. Die Loslagerboden 300 weisen die gleichen Schlitzmuster wie der Festlagerboden in 2 auf. Im Gegensatz zu dem Festlagerboden aus 2 weisen die Loslagerböden einen Umriss auf, der einem Querschnitt einer Aufnahme zum Aufnehmen des Wärmeübertragers entspricht. Der Vorstufen-Loslagerboden 118 und der Hauptstufen-Loslagerboden 128 sind mittels einer Einrichtung zum Ausgleichen 106 verbunden.
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In 3a sind der Vorstufen-Loslagerboden 118 und der Hauptstufen-Loslagerboden 128 einstückig ausgeführt. Die Einrichtung zum Ausgleichen 106 ist als Schlitzreihe mit zwischenliegenden Stegen 302 im Stil einer Perforation ausgeführt. Die Stege 302 sind Reste des Materials des Vorstufen-Loslagerbodens 118 und des Hauptstufen-Loslagerbodens 128. Die Stege 302 weisen einen geringeren Querschnitt auf, als der Vorstufen-Loslagerboden 118 und der Hauptstufen-Loslagerboden 128. Deshalb weisen die Stege 302 eine geringere Steifigkeit auf als der Vorstufen-Loslagerboden 118 und der Hauptstufen-Loslagerboden 128. Die Stege 302 erlauben einen Ausgleich von thermischen Verschiebungen zwischen dem Vorstufen-Loslagerboden 118 und dem Hauptstufen-Loslagerboden 128 mittels einer Verformung. Bei geringen Verschiebungen kann die Verformung in einem elastischen Bereich erfolgen, bei großen Verschiebungen kann die Verformung in einem plastischen Bereich erfolgen. Bei sehr großen Verschiebungen kann die Verformung eine Festigkeit der Stege 302 überschreiten und die Stege können durchtrennt werden. Durch die geringere Steifigkeit der Stege 302 sind Verbindungen zwischen den Kanälen und dem Vorstufen-Loslagerboden 118 und dem Hauptstufen-Loslagerboden 128 vor einer Überbelastung durch die thermischen Spannungen geschützt.
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In 3b sind die Stege 302 nachträglich über einen Spalt zwischen dem Vorstufen-Loslagerboden 118 und dem Hauptstufen-Loslagerboden 128 angeordnet. Und erfüllen dieselbe Funktion, wie die Stege 302 in 3a.
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In 3c ist eine Ansicht auf eine Schmalseite des Vorstufen-Loslagerbodens 118 und des Hauptstufen-Loslagerbodens 128 dargestellt. Die Stege 302 weisen Dehnungsbögen auf, so dass der Spalt zwischen dem Vorstufen-Loslagerboden 118 und dem Hauptstufen-Loslagerboden 128 gleich dem Spalt in 3b ist. Die Dehnungsbögen ermöglichen eine größere Verschiebung zwischen dem Vorstufen-Loslagerboden 118 und dem Hauptstufen-Loslagerboden 128 ohne plastische Verformung der Stege 302.
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4 zeigt eine Darstellung eines Schnitts durch eine Wärmeübertrager 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist ein Vorstufen-Stapel von Vorstufen-Kanälen 400 mit dazwischen angeordneten Vorstufen-Wellrippen 402, sowie ein Hauptstufen-Doppelstapel von Hauptstufen-Kanälen 404 mit dazwischen angeordneten, durchgehenden Hauptstufen-Wellrippen 406. Beide Stapel sind ohne direkten Kontakt zueinander angeordnet. Wie bei dem Wärmeübertrager in 1 ist der Vorstufen-Stapel mit einem Vorstufen-Seitenblech 130 abgedeckt, der Hauptstufen-Doppelstapel ist mit einem Hauptstufen-Seitenblech 132 abgedeckt. Im Gegensatz zu dem Wärmeübertrager in 1 ist zwischen den Seitenblechen 130 und 132 ein Spalt. Die Einrichtung zum Ausgleichen 106 weist ein Abdeckblech 408 auf, das den Spalt überdeckt und auf den Seitenblechen 130, 132 aufliegt. Das Abdeckblech 408 ist mit dem Hauptstufen-Seitenblech 132 fest verbunden und kann auf dem Vorstufen-Seitenblech 130 gleiten. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Abdeckblech 408 mit dem Hauptstufen-Seitenblech 132 über eine Lötverbindung verbunden.
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Die 5a und 5b zeigen zwei Ansichten eines Wärmeübertragers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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5a zeigt den Wärmeübertrager 100 in einem Ansaugkanal 500 eines Verbrennungsmotors eingebaut. Der Dicht- und Befestigungsflansch 502 wie er in 1 gezeigt ist, ist an einer Schnittstelle des Ansaugkanals 500 befestigt und hält den Wärmetausche 100 in einer Aufnahme für den Wärmetausche 100. Die Zuleitung für das Kühlmittel der Vorstufe ragt auf einer dem Flansch 502 gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers 100 aus dem Ansaugkanal 500 heraus.
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5b zeigt den Wärmetausche 100 während des Eischiebens in den Ansaugkanal 500. Der Dicht- und Befestigungsflansch 502 ist hier besser zu erkennen.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren unterschiedliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.
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Indirekte Ladeluftkühlern 100 können als Einschublösung oder als Einlegelösung in das Saugrohr 500 für eine einstufige Ladeluftkühlung eingeschoben oder eingelegt werden. Mit dem hier vorgestellten Ansatz wird auf Grund von stetig steigenden Anforderungen an die Ladeluftkühlung der Einsatz einer „kaskadierten” Ladeluftkühlung mittels Hoch- und Niedertemperaturkreislauf 102, 104 ermöglicht. Die integrierte Ladeluftkühlung bietet ein reduziertes Packaging und geringen Ladeluftdruckabfall und eine gesteigerte Abkühlleistung durch eine kaskadierte Ladeluftkühlung. Auf Grund von unterschiedlichen Temperaturniveaus in Hochtemperaturkühlmittelkreis 102 und Niedertemperaturkühlmittelkreis 104 bauen sich ohne weitere Maßnahmen thermomechanische Spannungen in der einteiligen Komponente auf, die schließlich zur Schädigung der Komponente führen können. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird eine saugrohrintegrierte indirekte, kaskadierte Ladeluftkühlung mit einer geeigneten thermomechanischen Trennung 106 zwischen den beiden unterschiedlichen Wasserkreisläufen bei gleichzeitig kompakter Bauweise vorgestellt.
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Bei einer Anordnung von mehreren Rohrreihen in Durchströmungsrichtung der Ladeluft, bei gleichzeitiger Führung von unterschiedlich temperierten Kühlmedien, können ohne weitere Maßnahmen an Verbindungsteilen wie den Böden, auf Grund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen extreme thermomechanische Spannungen auftreten. Diese Spannungen können zur unkontrollierten Schädigung dieser Bauteile führen.
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Werden die beiden Kühleinheiten, also Hochtemperatur und Niedertemperatur, der kaskadierten Ladeluftkühlung als einzelne Kühler ausgeführt, so ist eine Integration hinsichtlich Packaging und Kosten aufgrund mehr Einzelteilen und Dichtelementen, schwierig. Ebenfalls ist die Fertigung von zwei einzelnen Teilen kostenintensiver.
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Der hier beschriebene Ansatz zeigt eine einteilige kaskadierte Ladeluftkühlung integriert in ein Ansaugmodul mit möglichst kleinen Abmessungen. An dem Bauteil können durch thermische Ausdehnungen keine funktionsbeeinträchtigenden Schädigungen mehr auftreten. Das Bauteil kann in einem möglichst einfachen sowie kostengünstigen Prozess gefertigt und montiert werden.
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Um die möglichst kleine Abmessungen des einteiligen kaskadierten indirekten Ladeluftkühlers 100 zu gewährleisten, werden die Hochtemperatur-Stufen 102 und die Niedertemperatur-Stufen 104 möglichst nahe aneinander platziert. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die von beiden Kühlmitteln, also Hochtemperatur und Niedertemperatur, durchflossenen Rohre 400, 404 zumindest auf einer Seite einen gemeinsamen Boden 200 aufweisen. Der gemeinsame Boden 200 auf der einen Seite kann dann zur Befestigung des einteiligen kaskadierten indirekten Ladeluftkühlers 100 am Saugmodul 500 benutzt werden, z. B. mittels Verschraubung. Demnach wird diese Seite im nachfolgenden als Festlagerseite 200 bezeichnet
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Auf Grund von thermischen Ausdehnungen und Fertigungstoleranzen kann die Gegenseite des Ladeluftkühlers, im nachfolgenden Loslagerseite 300 genannt, in axialer Richtung, also der Hauptausdehnungsrichtung der Rohre 400, 404, schwimmend im Saugmodul 500 gelagert sein. Die schwimmende Lagerung kann z. B. dadurch realisiert werden, dass der Loslager-Boden 300 von allen vier Seiten der Sauganlage 500 zwar quer zur Kühlmittel-Strömungsrichtung nicht aber in axialer Richtung gelagert wird.
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Um den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zwischen der Hochtemperatur-Stufe 102 und der Niedertemperatur-Stufe 104 gerecht zu werden, werden zwischen der Hochtemperatur-Stufe 102 und der Niedertemperatur-Stufe 104 thermomechanische Entkopplungselemente 106 eingesetzt.
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Grundsätzlich kann die thermomechanische Entkopplung 106 dadurch erreicht werden, dass die beiden Kühlmittel-Stufen 102, 104 außer dem gemeinsamen Festlagerboden 200 völlig entkoppelt voneinander ausgeführt werden. Dieses bedarf aber einer größeren Einzelteileanzahl, da unter anderem zusätzlich ein Loslagerboden 300, zwei Seitenbleche 130, 132 sowie zusätzliche Dichtelemente zur gegenseitigen Abdichtung der beiden Kühlmittel-Stufen 102, 104 benötigt werden.
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Wird im Bereich der Loslagerseite 300 ein gemeinsamer Boden 300 eingesetzt, so kann die thermomechanische Entkopplung zwischen Hochtemperatur-Stufen 102 und Niedertemperatur-Stufen 104 z. B. dadurch bewerkstelligt werden, dass der Loslagerboden 300 im Bereich zwischen den Hochtemperatur-Stufen 102 und Niedertemperatur-Stufen 104 mit einer Art Steifigkeits- bzw. Festigkeitssprung versehen wird. Beispielsweise können mehrere Schlitze zwischen der Hochtemperatur-Stufe 102 und der Niedertemperatur-Stufen 104, die im Loslagerboden 300 implementiert sind und ihrerseits in Anzahl und Abmessungen variieren können.
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Eine andere Art die thermomechanische Entkopplung im Loslagerbereich 300 zu realisieren, zeigt die 3b. Die beiden Bodenhälften 118, 128 werden durch Stege 302 zusammengehalten, die ihrerseits in Anzahl und Abmessungen variieren können. Zusätzlich können in den Stegbereichen Dehnsicken wie in 3c eingearbeitet werden, die ihrerseits für zusätzliche thermomechanische Entkopplung sorgen. Die Stege 302 können entweder einstückig mit den beiden Bodenhälften 118, 128 hergestellt werden, z. B. durch Stanzen oder Fräsen, oder im Nachhinein angeheftet oder angelötet werden.
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Werden an der Ober- bzw. Unterseite gemeinsame Seitenbleche 130, 132 eingesetzt, so kann die thermomechanische Entkopplung dadurch erreicht werden, dass die Seitenbleche 130, 132 zwischen den beiden Hochtemperatur-Stufen 102 und Niedertemperatur-Stufen 104 ebenfalls eine Art Steifigkeits- bzw. Festigkeitssprung erfahren. In 1 ist dieses durch eine Art Perforierung realisiert.
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Eine andere Art, die thermomechanische Entkopplung im Bereich der Seitenbleche 130, 132 zu realisieren, ist in 4 gezeigt. Hierbei weisen die beiden Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Stufen 102, 104 separate Seitenbleche 130, 132 auf. Zur ladeluftseitigen Abdichtung wird im Zwischenbereich ein Überlappungsblech 408 eingesetzt, das aber nur an einem der Seitenbleche 132, hier von der Niedertemperatur-Stufe 104 her, angeheftet bzw. angelötet wird. Dadurch wird erreicht, dass das Überlappungsblech 408 entlang des darunter liegenden nicht angelöteten Seitenbleches 130 auf Grund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der beiden Kühlmittel-Stufen 102, 104 gleiten kann, und dabei seine Funktion zur ladeluftseitigen Abdichtung erfüllen kann.
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Auch im Bereich der Wellrippe 402, 406 besteht die Möglichkeit eine Art thermomechanische Entkopplung zu implementieren. Grundsätzlich können die Wellrippen 402, 406 für beide Stufen Hochtemperatur 102 und Niedertemperatur 104 separat ausgeführt werden, so dass die Wellrippen sich nur im Bereich der Hochtemperatur 400 und Niedertemperatur 404 -Rohre erstrecken. Beabsichtigt man den Zwischenbereich mit den Wellrippen 402, 406 zu überbrücken, so kann die Teilung der Wellrippen 402, 406 in der Art gewählt werden, dass die Wellrippenenden direkt im Zwischenbereich sich anstoßen.
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Eine andere Möglichkeit der thermomechanischen Entkopplung im Wellrippenbereich besteht in der Perforierung derer, so wie bei den Seitenblechen.
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Die oben beschriebenen thermomechanischen Entkopplungsmöglichkeiten im Bereich des Loslagerbodens 300 durch Schlitze oder Stege, im Bereich der Seitenbleche 130, 132 durch Perforierung und im Bereich der Wellrippen 402, 406 durch Perforierung, können gleichzeitig die Funktion der Sollbruchstellen im Betrieb des einteiligen kaskadierten indirekten Ladeluftkühlers 100 übernehmen. Im Falle von überkritischen Ausdehnungsunterschieden würden dann die vorgesehenen Entkopplungselemente 106 reißen, und somit den Schaden in funktionsrelevanten Bereichen, wie Rohren, Kästen oder Rohr-Bodenverbindungen verhindern.
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Bei einer einteiligen Ausführung werden im Rahmen der Fertigung weniger Einzelteile benötigt. Die kleinere Anzahl der Einzelteile ist einfacher bei der Handhabung im Rahmen der Montage bzw. Blockfertigung. Bei der einteiligen Variante sind weniger Dichtungselemente und Befestigungspunkte im Rahmen der Integration im Saugmodul 500 nötig.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
