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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zum Temperieren eines ersten Fluids unter Verwendung eines zweiten Fluids, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers zum Temperieren eines ersten Fluids unter Verwendung eines zweiten Fluids gemäß den Hauptansprüchen.
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Aufgrund von Bauraumengpässen in der Fahrzeugfront und Vorteilen im Ansprechverhalten und der Dynamik setzt sich die indirekte Ladeluftkühlung mehr und mehr durch. Heutige Rohrbündelsysteme sind aufgrund von als Tiefziehteil ausgeführten Aluminium-Wasserkästen und aufgrund eines Konstruktionsbedingt gestanzten drei bis vier mm dicken Bodens sehr teuer. Zusätzlich werden Ladeluftkühler durch einen sehr aufwendigen Kassettier- und Lötprozess verteuert. Eine hohe Masse und Abschirmungen durch die geschlossene Bauweise mit Abdeckungen führt zu langen Lötzeiten. Ferner entstehen hohe Investitionskosten in Kassettiereinrichtungen und Verschließeinrichtungen zur Herstellung von solchen Wärmetauschern.
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Die
DE 10 2006 040 851 A1 zeigt einen indirekten Ladeluftkühler mit einem Rohrpaket in ein Kunststoffgehäuse eingespritzt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Wärmetauscher zum Temperieren eines ersten Fluids unter Verwendung eines zweiten Fluids sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher zum Temperieren eines ersten Fluids unter Verwendung eines zweiten Fluids, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers zum Temperieren eines ersten Fluids unter Verwendung eines zweiten Fluids gemäß den Hauptansprüchen gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Rohrbündel in einem Wärmetauschergehäuse fluiddicht verpresst werden kann, um einen einfacher herzustellenden Wärmetauscher zu schaffen. Eine getrennte Herstellung des Rohrbündels führt zu einer erleichterten Zugänglichkeit für Nacharbeiten am gelöteten Rohrpaket. Dadurch kann im Gegensatz zum heutigen Design eine Verlötungsqualität auch einfacher überprüft werden. Eine verbesserte Prozessüberwachbarkeit kann zu geringeren Produktionskosten durch ein Vermeiden von Ausschuss führen. Durch eine einfachere Herstellbarkeit können Werkzeugkosten verringert werden. Es sind keine teuren Produktionsanlagen notwendig. Kassettiereinrichtungen können entfallen, indem das Rohrpaket in einem Gestell kassettiert wird, dass gleichzeitig als Lötgestell ausgeführt ist. Durch einen Ersatz einer mechanischen Verbindung, wie einer Wellschlitzbördelung durch ein stoffschlüssiges Verfahren können auch Verschließeinrichtungen entfallen. Der Wärmetauscher kann einfacher und schneller produziert werden und mit einem geringeren Gewicht ausgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Wärmetauscher zum Temperieren eines ersten Fluids unter Verwendung eines zweiten Fluids, wobei der Wärmetauscher die folgenden Merkmale aufweist:
einen Boden zum Trennen des ersten Fluids von dem zweiten Fluid, der einen Dichtbereich aufweist;
eine Trennwand zum Trennen des ersten Fluids von dem zweiten Fluid, wobei die zumindest eine Trennwand fluiddicht mit dem Boden verbunden ist, wobei die zumindest eine Trennwand einen Fluidkanal für das erste Fluid ausbildet; und
einem Gehäuse, das in dem Dichtbereich fluiddicht an den Boden angepresst ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers zum Temperieren eines ersten Fluids unter Verwendung eines zweiten Fluids, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Wärmeübertragers mit zumindest einem Boden zum Trennen des ersten Fluids von dem zweiten Fluid, der einen Dichtbereich aufweist und einer Trennwand zum Trennen des ersten Fluids von dem zweiten Fluid, wobei die zumindest eine Trennwand in einem vorhergehenden Schritt des Verbindens fluiddicht mit dem Boden verbunden worden ist, wobei die zumindest eine Trennwand einen Fluidkanal für das erste Fluid ausbildet;
Bereitstellen eines Gehäuses zum Umschließen des Wärmeübertragers, wobei das Gehäuse eine Schnittstelle zum Aufnehmen des Dichtbereichs aufweist;
Anordnen des Dichtbereichs in der Schnittstelle, wobei der Wärmeübertrager in dem Gehäuse angeordnet wird;
Anpressen des Gehäuses an den Boden, um den Boden in dem Dichtbereich fluiddicht mit dem Gehäuse zu verbinden.
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Unter einem Wärmetauscher kann ein Rohrbündelwärmeübertrager verstanden werden. Ein Boden kann ein plattenförmiges Bauteil mit Durchgangslöchern sein, das dazu ausgebildet ist, um zumindest ein rohrförmiges Bauteil aufzunehmen und damit fluiddicht verbunden zu werden. Beispielsweise kann der Boden ein Rohrboden sein. Ein Dichtbereich kann entlang einer Außenkontur des Bodens angeordnet sein. Der Dichtbereich des Bodens kann zumindest eine Dichtfläche umfassen, die dazu ausgebildet ist, fluiddicht an ein anderes Bauteil angepresst zu werden. Unter einer Trennwand kann eine Wärmeübergangsfläche des Wärmetauschers verstanden werden, die dazu ausgebildet ist, Wärme von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid zu übertragen, wenn die Fluide einen Temperaturunterschied aufweisen. Beispielsweise kann die Trennwand als Rohr oder Flachrohr für das erste Fluid ausgeführt sein. Die Trennwand kann auch als Platte ausgeführt sein. Das Gehäuse kann beispielsweise aus Kunststoff ausgeführt werden. Das Gehäuse kann einen ersten Anschluss zum Führen des zweiten Fluids und zumindest einen zweiten Anschluss zum Führen des zweiten Fluids aufweisen. Damit kann das zweite Fluid durch den Wärmetauscher geführt werden, um das erste Fluid zu temperieren. Der erste und zweite Anschluss können auf der Seite des Bodens angeordnet sein, auf der die Trennwand angeordnet ist. Durch ein Anpressen des Gehäuses an den Boden kann ein Anpressdruck erreicht werden, der den Boden fluiddicht mit dem Boden verbindet Durch ein Anpressen einer Dichtung zwischen dem Boden und dem Gehäuse kann der erste Fluidkanal vom zweiten Fluidkanal getrennt werden. Unter einer Schnittstelle kann eine Aufnahmeeinrichtung verstanden werden, die dazu ausgebildet ist, den Dichtbereich des Bodens zumindest teilweise aufzunehmen, um den Boden fluiddicht an das Gehäuse anpressen zu können.
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Ferner können der Boden und das Gehäuse in dem Dichtbereich je zumindest eine Führungsfläche zum formschlüssigen Verbinden des Gehäuses mit dem Baden aufweisen. Unter einer Führungsfläche kann eine Fläche verstanden werden, die ausgebildet ist, den Boden in einer Anpressrichtung des Bodens zu führen und/oder quer zur Anpressrichtung am Gehäuse auszurichten, dass der Boden in angepresstem Zustand formschlüssig am Gehäuse angeordnet ist. Dadurch kann der Boden einem Druck auf den Boden besser widerstehen und sicherer an einer definierten Position im Gehäuse verankert sein.
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Ferner kann der Wärmetauscher ein Dichtelement aufweisen, das in dem Dichtbereich zwischen dem Boden und dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Dichtelement fluiddicht an den Boden und an das Gehäuse angepresst ist. Unter einem Dichtelement kann ein Bauteil verstanden werden, das ein elastisches und/oder adhäsives Material umfasst. Das Dichtelement kann Maßtoleranzen zwischen dem Boden und dem Gehäuse ausgleichen und ein sicheres Abdichten des Bodens am Gehäuse gewährleisten.
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Ferner kann das Dichtelement zumindest eine Leckageöffnung zum Auffangen und Ableiten von Leckagefluid aufweisen. Unter einer Leckageöffnung kann ein Durchgangsloch verstanden werden. Ferner kann das Gehäuse in dem Dichtbereich einen Leckagekanal zum Auffangen und Ableiten von Leckagefluid aufweisen. Unter einem Leckagekanal kann eine zumindest teilweise um das Gehäuse umlaufende Vertiefung verstanden werden, die dazu ausgebildet ist eingedrungenes erstes Fluid und/oder eingedrungenes zweites Fluid im Dichtbereich zu leiten. Ebenso kann der Leckagekanal eine Verbindung in eine Außenumgebung des Wärmetauschers sein. Dadurch können eingedrungene Fluide aus dem Dichtbereich in die Außenumgebung austreten. Ferner kann der Boden in dem Dichtbereich eine Drainageeinrichtung zum Auffangen und Ableiten von Leckagefluid aufweisen. Unter einer Drainageeinrichtung kann ein Kanal verstanden werden, der dazu ausgebildet ist, das erste und/oder das zweite Fluid aufzufangen, bevor das erste und/oder das zweite Fluid den Dichtbereich unterwandert. Dadurch kann eine Trennung des ersten Fluids vom zweiten Fluid und umgekehrt gewährleistet werden, da die Leckageöffnung und/oder der Leckagekanal und/oder die Drainageeirichtung verhindert, dass das erste Fluid mit dem zweiten Fluid vermischt wird und verhindert, dass das zweite Fluid mit dem ersten Fluid vermischt wird.
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Ferner können die Leckageöffnung und der Leckagekanal dazu ausgebildet sein, Leckagefluid aus der Leckageöffnung durch den Leckagekanal abzuführen. Die Leckageöffnung und der Leckagekanal können aneinander ausgerichtet sein und miteinander in Kontakt stehen, um eingedrungenes Fluid abzuführen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer gemeinsamen Abführungsmöglichkeit für Fluid durch den Leckagekanal, so dass nur eine geringe Anzahl von Abflussöffnungen für das Leckagefluid vorgehalten werden braucht.
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Ferner können die Leckageöffnung und die Drainageeinrichtung dazu ausgebildet sein, Leckagefluid aus der Drainageeinrichtung durch die Leckageöffnung abzuführen. Die Drainageeinrichtung und die Leckageöffnung können aneinander ausgerichtet sein und miteinander in Kontakt stehen, um eingedrungenes Fluid abzuführen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet ebenfalls den Vorteil einer gemeinsamen Abführungsmöglichkeit für Fluid durch den Leckageöffnung, so dass nur eine geringe Anzahl von Abflussöffnungen für das Leckagefluid vorgehalten werden braucht.
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Das Gehäuse kann ferner Verstärkungsrippen aufweisen. Dadurch kann das Gehäuse dünner ausgeführt werden, was zu einer Gewichtsreduktion führen kann. Zusätzlich kann der Materialverbrauch gesenkt werden. Oder das Gehäuse kann bei gleichbleibender Wandstärke einem größeren Druck widerstehen.
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Das Gehäuse kann ferner einen Diffusor und/oder eine Düse aufweisen, wobei der Diffusor eine Einlaufquerschnittsfläche eines Einlaufkanals bis auf eine Querschnittsfläche des Fluidkanals erweitert, und die Düse die Querschnittsfläche des Fluidkanals bis auf eine Auslaufquerschnittsfläche eines Auslaufkanals verringert. Dadurch können Strömungsverluste im Fluidkanal vermieden werden, da eine Strömungsgeschwindigkeit abgesenkt werden kann. Nach dem Fluidkanal kann die Strömungsgeschwindigkeit wieder erhöht werden.
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Das Gehäuse kann ferner eine Einrichtung zum Aufnehmen eines Anschlussbauteils aufweisen. Eine Einrichtung zum Aufnehmen eines Anschlussbauteils kann beispielsweise eine Nut sein, die ausgebildet ist, das Anschlussbauteil fluiddicht mit dem Boden zu verbinden. Dadurch kann das erste Fluid ausschließlich über metallische Oberflächen geführt werden, die wärmeunempfindlich sind, wenn die Trennwand eine metallische Oberfläche aufweist und der Boden eine metallische Oberfläche aufweist.
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Ferner kann der Wärmetauscher einen weiteren Boden zum Trennen des ersten Fluids von dem zweiten Fluid mit einem weiteren Dichtbereich aufweisen, wobei der weitere Boden fluiddicht mit der Trennwand und dem Gehäuse verbunden ist, wobei das Gehäuse in dem weiteren Dichtbereich an den weiteren Boden angepresst ist, und wobei der weitere Baden, die Trennwand, das Gehäuse und der Boden einen weiteren Fluidkanal für das zweite Fluid ausbilden. Dadurch kann das zweite Fluid das erste Fluid durch die Trennwand temperieren und von dem ersten Fluid getrennt durch den Wärmetauscher strömen. Dadurch kann der Wärmetauscher als Komplettbauteil einfach in eine bestehende Fluidleitung zu integriert werden.
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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 räumliche Darstellung eines Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine räumliche Darstellung eines Wärmeübertragers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3a, 3b, 3c, 3d und 3e Darstellungen verschiedener Ansichten und Schnitte eines Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Detail eines Dichtbereichs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5a und 5b Darstellungen eines Dichtelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 ein Blockschaltbild eines Ansaugtrakts mit einem Wärmetauscher gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7a und 7b Darstellungen eines in einem Ansaugrohr integrierten Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 ein Detail eines Dichtbereichs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit direkt verbundenem Luftkasten; und
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9 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
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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 räumliche Darstellung eines kostengünstigen indirekten Ladeluftkühlers 100 in einem Gehäuse 102. Verschiedene Ausführungsbeispiele der hier vorgestellten Erfindung eines kostengünstigen indirekten Ladeluftkühlers 100 in Rohrbündel-Bauweise weisen ein Kunststoffgehäuse 102 bzw. Aluminiumgussgehäuse 102 auf. Dadurch kann ein deutlich kostengünstigeres und ein leichter zu fertigendes Rohrbündelsystem dargestellt werden welches als Addon Lösung bzw. als Integration ins Saugrohr ausgeführt werden kann. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird auf Aluminiumkästen, Aluminiumabdeckungen und einen dicken Boden verzichtet. Der Boden ist durch einen dünnen, einfach und kostengünstig herstellbaren Boden ersetzt bzw. entfällt komplett. Der hier dargestellte Wärmetauscher 100 zur Ladeluftkühlung mit flüssigem Kühlmittel weist zwei, an das Gehäuse 102 angegliederte trichterförmige Luftkästen 104 auf. Die Luftkästen 104 erweitern einen runden Querschnitt eines Luftkanals auf dem viereckigen Querschnitt des Wärmetauschers 100. Das Gehäuse 102 weist Verstärkungsrippen in längs und Querrichtung des Wärmetauschers 100 auf. Die Verstärkungsrippen weisen eine gitterartige Gestalt auf. Auf einer Flachseite des Gehäuses 102 sind zwei Anschlüsse 106 für das Kühlmittel dargestellt. Die Anschlüsse 106 weisen je einen Wasserkasten zum Verteilen des Kühlmittels im Wärmetauscher 100 auf. Die Wasserkästen erstrecken sich über eine Breite des Wärmetauschers 100. Das Gehäuse 102 umfasst ein Oberteil und ein Unterteil, die verbunden wurden, nachdem das Rohrbündelsystem in den Wärmetauscher 100 eingelegt worden ist.
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2 zeigt eine räumliche Darstellung einer Wärmeübertragermatrix 200, bestehend aus Rohren 202, Rippen und Böden 204. Die Wärmeübertragermatrix 200 wird aus Aluminium gefertigt und verlötet. Das Gehäuse wird in einem zweiten Schritt um die Wärmeübertragermatrix 200 gelegt und kann aus Kunststoff oder einem metallischen Werkstoff gefertigt sein. Die Wärmeübertragermatrix 200 ist für mindestens zwei Fluide bestimmt. Sie besteht aus Rohren 202, Rippen und zwei Böden 204. Der Wärmeübertrager 200 wird von einem einteilig oder mehrteilig ausgeführten Mantel umschlossen. Dabei werden die Fluide von einem Dichtelement zwischen Boden 204 und Gehäuse getrennt. Die Rohre 202 sind als Flachrohre ausgeführt. Zwischen den Rohren 202 befindet sich ein Zwischenraum für das Kühlmittel. Die Rohre 202 durchdringen die Böden 204 und sind fluiddicht mit den Böden 204 verbunden. Die Böden 204 weisen zwei umlaufende Fasen auf. Zum Einlegen in das Gehäuse weisen die Böden 204 Schrägen an Schmalseiten der Böden 204 auf.
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Die 3a, 3b, 3c, 3d und 3e zeigen eine Seitenansicht, eine Draufsicht, einen Längsschnitt, einen Querschnitt und einen Schnitt in einer Haupterstreckungsebene eines Wärmetauschers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ladeluftkästen 104 und Kühlmittelmantel 102 umgeben ein gelötetes Rippe-Rohr-Paket 200 formschlüssig. Bevorzugt sind die Ladeluftkästen 104 und der Kühlmittelmantel 102 aus Kunststoff. Eine metallische Gehäusevariante wäre prinzipiell auch denkbar beispielsweise als Gussteil. Das Gehäuse 102 kann zweiteilig sein, aber auch aus mehreren Teilen bestehen. Das Gehäuse 102 kann zum Einen so ausgeführt sein, dass der Kühler 200 separat eingesetzt werden kann, als add-on, bzw. zum Anderen als Saugrohr ausgeführt sein und direkt am Motor befestigbar sein. Um einen Formschluss zwischen den Teilgehäusen und eine Abdichtung zwischen den Fluiden zu erreichen, kann ein Dichtelement axial oder radial die Fluide gegeneinander abdichten. Das Dichtelement kann ein eigenständiges Bauteil sein. Einzelteile des Kunststoffgehäuses 102 können über einen Schweiß- oder Klebeprozess verbunden werden. Die Kunststoffteile des Gehäuses können über eine Nut-Dichtverbindung inkl. Einer mechanischen Verbindung, wie einer Wellschlitzbördelung, mit dem Rohrpaket 200 verbunden werden. Die Kunststoffteile können auch verschraubt werden. Der Boden 204 kann bei einem Verzicht auf eine separate Dichtung direkt mit Kunststoff umspritzt werden. Die Dichtung kann am Umfang perforiert ausgeführt werden. Kommt es zu einer Undichtheit zwischen dem Boden 204 und der Dichtung, kann das Fluid der undichten Seite durch eine Perforationsöffnung der Dichtung über die Öffnung im Ringkanal des Gehäuses 102 nach außen geführt werden. Eine Vermischung der Fluide findet nicht statt. Es kann eine Sollleckage im Gehäuse 102 zwischen den zwei Dichtflächen vorgesehen werden. Die Ladeluftanschlüsse 104 können als Stutzen ausgeführt sein, oder einen Flanschanschluss aufweisen, der z. B. am Motor verschraubt wird. Kühlmittelanschlüsse 106 können direkt mit in das Kunststoffgehäuse 102 gespritzt werden. Die Abdeckung 102 kann zur Festigkeitssteigerung mit der Wärmeübertragermatrix 200 verklebt werden. Die Abdeckung 102 kann mit Verstärkungssicken ausgeführt werden. Zusätzliche Verstärkungen wie eingespritzte Verstärkungen aus Metall oder das Gehäuse 102 umschließende Elemente können die Festigkeiten erhöhen. Ein Freisparwinkel an der Abdeckung 102 im Bereich des Bodens 204 bzw. der Dichtung ermöglicht das reibfreie Einsetzten der Wärmeübertragermatrix 200 und der Dichtung in das Gehäuse 102 bis zum Verpressen der Dichtung. Zwei voneinander unabhängige Dichtflächen trennen die zwei Fluide im Boden 204. Ein Spalt zwischen dem Gehäuse 102 und der Rohrbreitseite kann als weiterer Kühlmittelkanal ausgeführt werden. Der Kühlmittelanschluß erfolgt über das Gehäuse 102 und kann durch eine geeignet ausgeführte Kanalführung flexibel im Bereich der Wärmeübertragermatrix 200 ausgeführt werden. Die Wärmeübertragermatrix 200, besteht aus Rohren 202, Rippen, mit oder ohne Böden 204. Die Ladeluft wird in den Rohren 202 geführt. Beim Kühlerblock 200 kann komplett auf den Boden 204 verzichtet werden und ein gelötetes Rohr-Rippenpaket 200 in das Gehäuse 102 eingesetzt werden. Über das Gehäuse 102 wird eine Trennung zwischen Ladeluft- und Kühlmittelseite gewährleistet indem das Gehäuse 102 Öffnungen für die Rohre 202 aufweisen und somit einen alternativen Boden ausbilden kann.
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3a zeigt eine Seitenansicht eines Wärmetauschers 100 mit einem verrippten Gehäuse 102 und angrenzenden Luftkästen 104. In der Seitenansicht oben sind zwei Anschlüsse 106 für Kühlmittel abgebildet.
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3b zeigt eine Draufsicht auf den Wärmetauscher 100. Die Anschlüsse 106 für Kühlmittel sind in einer Mittelebene des Wärmetauschers 100 angeordnet. Senkrecht zur Mittelebene erstrecken sich von den Anschlüssen 106 weg Wasserkästen bis an einen Rand des Wärmetauschers 100.
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3c zeigt einen Längsschnitt durch den Wärmetauscher 100 entlang einer Schnittlinie A-A in der Mittelebene, wie in 3b dargestellt. Der eingelegte Wärmeübertrager 200 ist von dem Gehäuse 102 des Wärmetauschers 100 umschlossen. In den Luftkästen 104 ist eine Verstärkungsrippe geschnitten dargestellt. Die Verstärkungsrippe ist strömungsgünstig in Längsrichtung angeordnet.
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3d zeigt einen Schnitt quer durch den Kühlerblock 200 entlang einer Schnittlinie B-B senkrecht zur Mittelebene. Der Schnitt verläuft durch den Anschluss 106 für Kühlmittel und den angrenzenden Wasserkasten. Zwischen den Rohren 202 ist ein Zwischenraum durch den das Kühlmittel von einem Anschluss 106 zum anderen Anschluss 106 strömen kann. Das Gehäuse 102 ist aus zwei Hälften zusammengesetzt. Jede Hälfte weist Aushebeschrägen auf. Die Böden folgen dieser Kontur, um das Kühlmittel von der Ladeluft abzudichten.
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3e zeigt einen Schnitt entlang einer Schnittlinie C-C, die in 3a abgebildet ist. Die Wärmeübertragermatrix 200 ist mit zwei Böden 204 in eine Nut im Gehäuse 102 eingesetzt. Die Rohre 202 der Wärmeübertragermatrix 200 sind ausgebildet, um Ladeluft von einem Luftkasten 104 zum anderen Luftkasten 104 zu leiten. Zwischen den Böden 204 befindet sich ein fluiddicht abgedichteter Hohlraum für Kühlmittel, durch den die Rohre 202 verlaufen. Das Kühlmittel kann von der durch die Rohre 202 strömenden Ladeluft Wärme aufnehmen.
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4 zeigt ein Detail D aus der 3e. Dargestellt ist ein Dichtbereich zwischen dem Boden 204 und dem Gehäuse 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zwischen dem Boden 204 und dem Gehäuse 102 ist ein Dichtelement 400 angeordnet. Der Boden 204 weist im Dichtbereich zwei umlaufende Fasen auf. Das Gehäuse 102 weist im Dichtbereich eine umlaufende Nut auf. Das Dichtelement 400 ist in der Nut angeordnet. Das Dichtelement 400 ist zwischen dem Gehäuse 102 und dem Boden 204 eingequetscht. Dadurch ist das Dichtelement 400 fluiddicht sowohl an den Boden 204 als auch an das Gehäuse 102 angepresst. Falls im Betrieb dennoch Kühlmittel oder Ladeluft zwischen die Dichtung 400 und dem Boden 204 gelangen sollte, so weist das Dichtelement 400 eine Leckageöffnung 402 als Sollleckage auf, durch die das Fluid zu einer Leckageöffnung 402 im Gehäuse 102 abgeleitet werden kann. Das Gehäuse 102 weist zusätzlich einen umlaufenden Drainagekanal auf, der Kühlmittel oder Ladeluft zu der Leckageöffnung 402 ableiten kann, falls Kühlmittel oder Ladeluft zwischen das Gehäuse 102 und das Dichtelement 400 gelangen sollte. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Ladeluft nicht mit Kühlmittel verunreinigt wird. Ebenso kann gewährleistet werden, dass das Kühlmittel nicht mit Ladeluft verunreinigt wird. Durch die Nut im Gehäuse 102 und die zwei umlaufenden Fasen am Boden 204 ist der Boden 204 formschlüssig mit dem Gehäuse 102 verbunden. Dadurch kann der Boden Druck von Kühlmittel und Ladeluft widerstehen.
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5a zeigt eine Vorderansicht des Dichtelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Dichtelement 400 ist als geschlossener Ring zum Umschließen eines Bodens eines Wärmeübertragers ausgeführt. Eine Innenkontur des Dichtelements 400 bildet eine Außenkontur des Bodens ab. Eine Außenkontur des Dichtelements 400 bildet eine Innenkontur eines Gehäuses ab. Das Dichtelement 400 weist an langen Seiten gerade verlaufende Abschnitte auf. In der Darstellung sind die gerade verlaufenden Abschnitte oben und unten. An kurzen Seiten weist das Dichtelement 400 schräge Abschnitte auf. Die schrägen Abschnitte folgen den Formschrägen zum Einführen an Boden und Gehäuse.
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5b zeigt eine Seitenansicht des Dichtelements 400 aus 5a. An einem Treffpunkt der schrägen Abschnitte weist das Dichtelement 400 eine Leckageöffnung 402 zum Ableiten von Leckagefluid auf.
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6 zeigt ein Blockschaltbild eines Ansaugtrakts eines Verbrennungsmotors 600 mit einem Ladeluftkühler 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Ladeluft wird von einem Turbolader 602 bereitgestellt. Von Turbolader 602 gelangt die Ladeluft durch ein Saugrohr 604 zum Verbrennungsmotor 600. Im Saugrohr 604 ist der Ladeluftkühler 100 angeordnet. Das Saugrohr ist eine Verlängerung des Ladeluftkühlers 100. Die Ladeluft, die im Turbolader 602 komprimiert worden und dabei erhitzt worden ist strömt durch den Ladeluftkühler 100. Im Ladeluftkühler 100 wird die Ladeluft abgekühlt. Dabei vergrößert sich eine Dichte der Ladeluft. Dadurch steht im Verbrennungsmotor 600 in einem Kolbenhub eine größere Menge Luft für die Verbrennung zur Verfügung, als wie wenn die Ladeluft ungekühlt wäre. Der Ladeluftkühler 100 ist ein indirekter Ladeluftkühler 100. Kühlmittel oder Kühlwasser transportiert die Wärme aus der aufgeheizten Ladeluft ab. Durch die große Wärmekapazität des Kühlmittels kann der Ladeluftkühler klein gebaut sein damit kann der Ansaugtrakt kurz gehalten werden, um ein verbessertes Ansprechverhalten des Turboladers 602 zu erreichen.
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Die 7a und 7b zeigen eine Draufsicht und einen Schnitt durch einen direkt in ein Saugrohr integrierten indirekten Ladeluftkühler 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Saugrohr geht direkt in das Gehäuse 102 des Ladeluftkühlers 100 über. Der Ladeluftkühler 100 weist ein Kunststoffgehäuse 102 als Kühlmittelmantel auf. Anschließende Luftkästen 104 sind gelötet. Der Ladeluftkühler 100 kann auch als indirekter Ladeluftkühler 100 in Scheibenbauweise ausgeführt werden, das Gehäuse 102 kann auch in Aluminiumguss ausgeführt werden. Der Baden 204 ist stirnseitig mit einer Nut ausgeführt, in der ein Luftkasten 104 angelötet ist. Das Kunststoffgehäuse 102 schließt dann nur den Kühlmittel-Kanal ab. Dadurch ist keine Vermischung der Fluide möglich und auf der heißen Ladeluftseite wird kein Kunststoff eingesetzt. In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Ladeluftkühler 100 deutlich kostengünstiger als ein Ladeluftkühler nach dem Stand der Technik. Noch kostengünstiger kann der Ladeluftkühler 100 durch einen Verzicht auf einen Boden sein. Durch kleine Abmessungen besteht die Möglichkeit, den Ladeluftkühler 100 und das Gehäuse 102 als Saugrohr auszuführen und somit den indirekten Ladeluftkühler 100 direkt im Saugrohr zu applizieren. Dadurch kann das Saugrohr kurz ausgeführt werden, was zu einem geringeren Platzbedarf des Motors führt.
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7a zeigt einen Schnitt durch den Ladeluftkühler 100 entlang einer Schnittlinie E-E, die in 7b dargestellt ist. Die Rohre 202 durchdringen die Böden 204 und führen die Ladeluft von einem Luftkasten 104 zum anderen Luftkasten 104. Alle Teile des Ladeluftkühlers 100, die mit der Ladeluft in Kontakt stehen, sind aus Metall.
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7b zeigt eine Draufsicht auf den Ladeluftkühler 100. Die gelöteten Luftkästen führen 104 die Ladeluft schräg zu einer Mittelachse des Ladeluftkühlers 100 zum Ladeluftkühler 100 und vom Ladeluftkühler 100. Der Ladeluftkühler 100 bildet einen Einschub in das Saugrohr. Das Gehäuse 102 weist Verstärkungssicken auf.
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8 zeigt ein Detail F aus 7a. Das Rohr 202 durchdringt den Boden 204 senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Bodens 204 und ist mit dem Boden 204 fluiddicht verbunden. Der Boden 204 ist an einem Rand zweifach angefast. Der Boden 204 weist eine Nut senkrecht zur Haupterstreckungsebene auf. In die Nut ist als Anschlussbauteil der Luftkasten 104 eingebracht und stoffschlüssig verbunden. Das Gehäuse 102 weist ebenfalls eine Nut auf. In der Nut im Gehäuse 102 ist der Boden 204 angeordnet. Zwischen dem Boden 204 und dem Gehäuse 102 ist ein Dichtelement 400 angeordnet. Der Boden 204 ist in die Nut im Gehäuse 102 eingepresst. Die Nut im Gehäuse 102 weist eine Drainageeinrichtung auf, um Leckage-Fluid aus einem Dichtungsbereich abzuleiten.
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9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 900 zur Herstellung eines Wärmetauschers 100 zum Temperieren eines ersten Fluids unter Verwendung eines zweiten Fluids. Das Verfahren 900 umfasst einen Schritt des Bereitstellens 910 eines Wärmeübertragers 200 mit zumindest einem Boden 204 zum Trennen des ersten Fluids von dem zweiten Fluid, der einen Dichtbereich aufweist und einer Trennwand 202 zum Trennen des ersten Fluids von dem zweiten Fluid, wobei die zumindest eine Trennwand 202 in einem vorhergehenden Schritt des Verbindens fluiddicht mit dem Boden 204 verbunden worden ist, wobei die zumindest eine Trennwand 202 einen Fluidkanal für das erste Fluid ausbildet. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens 920 eines Gehäuses 102 zum Umschließen des Wärmeübertragers 200, wobei das Gehäuse 102 eine Schnittstelle zum Aufnehmen des Dichtbereichs aufweist. Weiterhin umfasst das Verfahren 900 einen Schritt des Anordnens 930 des Dichtbereichs in der Schnittstelle, wobei der Wärmeübertrager 200 in dem Gehäuse 102 angeordnet wird. Schließlich umfasst das Verfahren 900 einen Schritt des Anpressens 940 des Gehäuses 102 an den Boden 204, um den Boden 204 in dem Dichtbereich fluiddicht mit dem Gehäuse 102 zu verbinden.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Weiterhin ist es besonders zweckmäßig, wenn das Gehäuse so ausgeführt ist, dass der Wärmetauscher als Kühler separat eingesetzt bzw. montiert werden kann, bzw. alternativ auch als Saugrohr oder Als Einsatz in einem Saugrohr ausgeführt sein und somit bevorzugt direkt am Motor befestigt werden kann.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn folgende Verbindungen eingesetzt werden, um einen Formschluß zwischen den Gehäuseteilen und eine Abdichtung zwischen den Fluiden erreichen zu können:
Ein Dichtelement dichtet axial oder radial die Fluide. Dabei kann das Dichtelement ein eigenständiges Bauteil oder eine angespritzte Dichtung sein.
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Bevorzugt werden die Einzelteile des Kunststoffgehäuses über einen Schweiß- oder Klebeprozess verbunden.
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Alternativ erfolgt erfolgt eine Nut-Dichtverbindung der Kunststoffteile inkl. mechanischer Verbindung beispielsweise über eine Wellschlitzbördelung des Gehäuses zu einem Rohrpaket.
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Dabei kann auch eine Nut-Dichtverbindung mit einer Verschraubung der Kunststoffteile eingesetzt werden.
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Auch kann der Boden kann direkt mit Kunststoff umspritzt werden.
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Die Dichtung kann am Unfang perforiert ausgeführt werden. Kommt es zu einer Undichtheit zwischen dem Boden und der Dichtung, kann das Fluid der undichten Seite durch eine Perforationsöffnung der Dichtung über die Öffnung im Ringkanal des Gehäuses nach außen geführt werden. Eine Vermischung der Fluide findet nicht statt.
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Es kann auch eine Sollleckage im Gehäuse zwischen den beiden Dichtflächen vorgesehen werden.
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Auch können die Ladeluftanschlüsse als Stutzen ausgeführt sein, oder einen Flanschanschluß aufweisen, der z. B. am Motor verschraubt wird.
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Die Kühlmittelanschlüsse sind vorteilhaft direkt mit in das Kunststoffgehäuse gespritzt.
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Die Abdeckung kann zur Festigkeitssteigerung mit der Wärmeübertragermatrix verklebt werden.
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Die Abdeckung kann mit Verstärkungssicken ausgeführt werden.
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Zusätzliche Verstärkungen wie eingespritzte Verstärkungen aus Metall oder das Gehäuse umschließende Elemente erhöhen die Festigkeiten.
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Ein Freisparwinkel an der Abdeckung im Bereich des Bodens bzw. der Dichtung ermöglicht das reibfreie Einsetzten der Wärmeübertragermatrix und der Dichtung in das Gehäuse bis zum Verpressen der Dichtung.
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Zwei voneinander unabhängige Dichtflächen trennen die zwei Fluide im Boden.
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Ein Spalt zwischen dem Gehäuse und der Rohrbreitseite kann als Kühlmittelkanal ausgeführt werden.
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Der Kühlmittelanschluß erfolgt über das Gehäuse und kann durch eine geeignet ausgeführte Kanalführung flexibel im Bereich der Wärmeübertragermatrix ausgeführt werden.
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Gelötete Wärmeübertragermatrix, bestehend aus Rohren, Rippen, mit oder ohne Böden.
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Die Ladeluft wird in den Rohren geführt, das Kühlfluid um die Rohre herum.
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Der Boden kann stirnseitig mit einer Nut ausgeführt sein, in der ein Luftkasten angelötet ist. Das Kunststoffgehäuse schließt dann nur den KM-Kanal ab. Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass keine Vermischung der Fluide möglich ist und auf der heißen Ladeluftseite kein Kunststoff eingesetzt wird.
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Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung ist, beim Kühlerblock komplett auf den Baden zu verzichten und ein gelötetes Rohr-Rippenpaket in das Gehäuse einzusetzen. Über das Gehäuse wird eine Trennung zwischen Ladeluft- und Kühlmittelseite gewährleistet indem das Gehäuse Öffnungen für die Rohre aufweisen und somit einen Boden ausbilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006040851 A1 [0003]
