DE69408708T2

DE69408708T2 - Kühler eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE69408708T2
Application number: DE1994608708
Authority: DE
Inventors: Herve Damotte; Jean-Claude Deronzier; Stephane Pitruzzella; Jean-Claude Vera
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; ECIA Equipements et Composants pour lIndustrie Automobile SA
Current assignee: ECIA Equipements et Composants pour lIndustrie Automobile SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1993-04-28
Filing date: 1994-04-26
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2014-04-27
Also published as: DE69408708D1; FR2704635B1; EP0622602A2; FR2704635A1; EP0622602A3; EP0622602B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftfahrzeugkühler und ein mögliches Herstellungsverfahren von bestimmten Elementen, die die Wärmeaustauschfläche bilden.
Das flüssige Kühlmittel der Kraftfahrzeugmotoren ist im allgemeinen eine Zusammensetzung aus Wasser und Glykol oder einem anderen Frostschutzmittel. Die Wärme, die es absorbiert, wird über eine Austauschfläche eines Kühlers abgeführt, welcher der das Kühlfluid bildenden Umgebungsluft ausgesetzt ist und in dem das Wasser zwischen einem Zuführungsbehälter und einem Sammelbehälter fließt. Diese Austauschfläche wird in den meisten Fällen im wesentlichen durch parallele Metallröhren aus Kupfer oder Aluminium gebildet, mit ovalem, kreisförmigem oder sehr flachem rechteckigem Querschnitt, die mit ihren Enden an diesen im allgemeinen aus einem polymeren Material bestehenden Wasserbehältern angeschlossen sind; die Kühlluft umströmt die Röhren dank der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs oder notfalls mittels eines Ventilators. Die Zwischenräume zwischen den Röhren werden durch gewellte Metallbleche eingenommen, um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern: sie sind mit den Röhren durch Lötungen an den Scheiteln der Wellungen verbunden. Dabei sind die technischen Schwierigkeiten groß, die bei der Kontrolle der Lötungen auf so dünnen Blechen (z.B. 110um) auftreten, und man stellt Kontaktmängel zwischen Blechen und Röhren fest, die zu einer schlechten Wärmeleitung und infolgedessen zu einem schlechten Wirkungsgrad des Kühlers führen.
Das Fragment des bekannten Kühlers der Figur 1 wird durch Röhren 1 mit sehr flachem rechtwinkligem Querschnitt gebildet, von denen man Teile der beiden Hauptseiten oder -platten 2 für zwei von ihnen dargestellt hat. Das zu kühlende Wasser fließt in den Röhren 1 in Richtung des Pfeils L durch Kanäle 4. Die Räume zwischen den Röhren 1, wesentlich breiter als die Kanäle 4, werden von gewellten Blechen 5 eingenommen, die mit den ebenen Platten 2 an den Scheiteln der Wellungen mittels Lötstellen 6 verbunden sind. Die Rippen der Bleche 5 sind tiefgezogen und bilden Lamellen 7, deren Form den Jalousieöffnungen von Fensterläden gleicht, um die Turbulenz der Luft zu vergrößern, die parallel zu den Rippen durchströmt, d.h. entsprechend dem Pfeil G.
Der Nachteil, die Lötungen 6 kontrollieren zu müssen sowie das immer größere Interesse, Kühler aus polymerem Material zu bauen, um ihre Korrosion sowohl durch das flüssige Kühlmittel als auch durch das im Winter auf die Straßen gestreute Salz zu begrenzen und um sie billiger und leichter zu machen, sind die Hauptbeweggründe der Erfindung. Man wird nämlich feststellen, daß bestimmte Ausführungen der Erfindung vorteilhafterweise durch mit den thermoplastischen polymeren Materialien verbundene Techniken hergestellt werden können, wobei es unzulässig ist, sie auf diese Materialien zu beschränken, denn ihr wesentlicher Vorteil besteht darin, mit Hilfe einer einfachen Struktur eine gute Kühlleistung zu erzielen. Dabei sind auch duroplastische Materialien geeignet.
Eine andere Konzeption der Kühlerplatten ist in der europaischen Patentanmeldung 0 397 487 beschrieben. Die Platten sind aus Polymer und weisen hohle Kanäle mit sehr ungleichmäßigen Querschnitten auf, gebildet durch schräge und überkreuzte Kanalteilstücke, um die Turbulenz des flüssigen Kühlmittels zu vergrößern, jedoch sind die Platten außen im Prinzip glatt und man kümmert sich nicht um die Strömung des Kühlfluids. Es ist nicht anzunehmen, daß die Wärmeaustauschleistung ebensogut wie bei der Erfindung ist, und der Druckverlust des flüssigen Kühlmittels ist sehr viel höher.
Zu nennen ist auch das deutsche Patent DE-A-2 611 399, das einen Wärmetauscher beschreibt, dessen Platten extrudiert sind; dieses Herstellungsverfahren kann für die Platten des erfindungsgemäßen Kühlers gewählt werden.
Der erfindungsgemäße Kühler, im wesentlichen durch hohle parallele Platten aus polymerem Material gebildet, in denen in glatten Kanälen das flüssige Kühlmittel fließt und zwischen denen ein gasförmiges Kühlfluid wie z.B. Luft durchströmt, ist außerdem dadurch gekennzeichnet, daß die Platten dem flüssigen Kühlmittel ausgesetzte Flächen haben, die geradlinige und zu der Strömungsrichtung des Gases senkrechte Wölbungen aufweisen.
Diese Wölbungen haben die technische Funktion, die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern und Turbulenzen des flüssigen Kühlmittels zu erzeugen, indem sie den Querschnitt der Intervalle oder der Kanäle, die es durchfließt, variieren.
Einige Beispiele und Maßangaben werden weiter unten vorgeschlagen, aber es ist nicht nötig, daß die durch die Wölbungen verursachten Querschnittveränderungen groß sind, denn auch ihre Anzahl kann eine große Rolle spielen.
Es ist auch vorteilhaft, wenn die Wölbungen von benachbarten Platten, die von beiden Seiten desselben Luftströmungskanals gegeneinander gerichtet sind, unterschiedliche und zu den Platten senkrechte Projektionen haben.
Das Wärmeaustausch-Flächenelement des Kühlers kann aus Spritzguß-Halbplatten hergestellt werden, indem man die Halbplatten miteinander verschweißt, um Strömungskanäle des flüssigen Kühlmittels zu bilden. Für den Fall, daß die linearen Wölbungen durchgehend und parallel zu den Strömungskanälen sind, können die Platten durch ein kontinuierliches Extrusionsverfahren in einem Stück hergestellt werden, wobei die Wölbungen sich in der Achse der Röhren erstrecken: man greift also auf ein Extrusionsverfahren zurück.
Auf alle Fälle erhält man eine einfache und wirtschaftliche Herstellung des Kühlers, wenn er außer den Platten Kühlmittelbehälter umfaßt, von den jeder eine Fläche aufweist, die mit Ausschnitten ausgespart ist, in denen jeweils ein Ende von einer der Platten steckt. Diese Konstruktion ist nämlich ebenfalls mit Behältern aus polymerem Material kompatibel. Die Behälter können mit den Platten durch Klebungen oder Schweißungen verbunden sein. Sie können auch noch, ebenfalls sehr einfach, eine semizylindrische oder ähnliche Hülle umfassen, die mit der ausgesparten Fläche mit Hilfe der gleichen Mittel verbunden ist.
Die Erfindung wird nun mehr im Detail beschrieben, mit Bezug auf die beigefügten, beispielhaften und nicht einschränkenden Figuren:
- die Figur 1 ist eine Ansicht einer Wärmeaustauschfläche der vorhergehenden Technik,
- die Figur 2 ist eine Gesamtansicht der Erfindung,
- die Figur 3 ist eine Detailansicht einer Ausführung der Erfindung als Schnitt durch die Platten, wobei die Wölbungen in Längsrichtung verlaufen und durchgehend sind,
- die Figur 4 zeigt den Anschluß der Platten an den Wasserbehältern,
- die Figuren 5a bis 5f zeigen sechs Formen von seitlichen Wölbungen.
Die Figur 2 ist eine Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Kühlers Er umfaßt zwei übereinander angeordnete Wasserbehälter, d.h. einen Zuführungs- und einen Sammelbehälter. Jeder der Wasserbehälter 11 und 12 wird durch eine ausgesparte Platte 13 und eine Hülle 14 gebildet. Die Hülle 14 kann semizylindrisch sein und ihre extremen Mantellinien sind durch eine Schweißung oder eine Klebung mit der ausgesparten Platte 13 verbunden und ihr entgegengesetzter Teil ist durchbohrt und mit einem Stutzen 15 versehen. Ein nicht dargestellter Schlauch ist an die Stutzen 15 angeschlossen, um das Wasser des Motorkühlkreislaufs vom Sammelbehälter 12 zum Zuführungsbehälter 11 zu transportieren. Die Platten 9 der Erfindung erstrecken sich zwischen den ausgesparten Platten 13, in denen ihre Enden stecken und dort verschweißt oder verklebt sind, wie dargestellt in Figur 4. Wie angedeutet durch den Pfeil G erreicht die Umgebungsluft den Kühler 10 durch seine Vorderseite, durchquert ihn, indem sie ihn zwischen den Röhren 9 durchströmt und dabei das Wasser kühlt, das in den Platten 9 vom Behälter 11 zum Behälter 12 fließt. Der Kühler 10 befindet sich vorn am Kraftfahrzeug, hinter der Kühlerverkleidung bzw. dem Ziergitter und vor dem Motor. Da diese Anordnung klassisch ist, hat man sich damit begnügt, das Fahrzeug in der Vorderansicht nur durch den Rahmen A zu symbolisieren. Die Wasserbehälter 11 und 12 und die Platten 9 sind alle aus polymerem Material.
In Figur 3 sieht man, daß die Platten 9 wie bei der bekannten Ausführung aus zwei zueinander parallelen Hauptflächen bzw. -seiten 16 gebildet werden können, die durch zwei sehr viel kleinere Seiten 17 miteinander verbunden sind. Eine Verbindungsfläche 18 schneidet die kleinen Seiten 17, wenn die Platten 15 durch Spritzgießen in zwei Teilen oder Halbplatten hergestellt werden, von denen jede durch eine Hauptseite 16 und eine Hälfte der kleinen Seiten 17 gebildet wird, die dann durch Schweißen oder Kleben an der Verbindungsfläche 18 zusammengesetzt werden. Bei gewissen Ausführungen, bei denen die Platte 9 einen gleichförmigen Querschnitt hat, ist es jedoch möglich und vorteilhafter, sie durch kontinuierliches Extrudieren herzustellen. Die Platte 9 wird dann wie vorhergehend als Halbplatte hergestellt oder, was wahrscheinlich vorgezogen wird, aus einem Stück mit einer ähnlichen Form, außer daß es keine Verbindungsfläche 18 mehr gibt. Das in der Platte 9 eingeschlossene Volumen, das den Kanal 21 bildet, in dem das Wasser fließt, kann in parallele Kanäle unterteilt werden, getrennt durch Längsrippen 25, deren Funktion es ist, das Wasser besser zu leiten. Diese Längerippen 25 werden bei der Extrusion erzeugt oder je nach Fall durch Kleben oder Schweißen an den Platten 9 angebracht. Vorzugsweise ist der Kanal 21 auch glatt, d.h. daß er von einem Ende der Platte 9 zum anderen einen gleichmäßigen Querschnitt hat, um wieder keine Druckverluste aufzuweisen.
Die Hauptseiten bzw. -flächen 16 haben lineare Wölbungen 19, die man hier im Schnitt sieht und die senkrecht sind zu der Strömungsrichtung G der Luft. Ihr Querschnitt kann semizylindrisch sein und mit der Hauptfläche mit einen Durchmesser verbunden sein. Mit p ist ihre Abstandsteilung längs der Hauptflächen 16 definiert und mit h ihre Höhe, d.h. ihr Radius, und mit e die Breite des Luftdurchgangskanals 20 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hauptflächen 16. Die linearen Wölbungen 19 variieren den Querschnitt der Kanäle 20 und machen die Luftströmung turbulent. Die derart erzwungene Verwirbelung erhöht die Umspülung der Hauptflächen 16 durch die Luft und verbessert den Wärmeentzug. Bei dieser Ausführung sind die linearen Wölbungen 19 über die gesamte freie Länge der Platten 9 durchgehend, d.h. zwischen den ausgesparten Platten 13, erstrecken sich aber nicht über die Teile bzw. Abschnitten der Platten 9, die in den ausgesparten Platten 13 stecken. Wenn sie durch das Herstellungsverfahren, z.B. das Extrudieren, auch in diesen Abschnitten zunächst vorhanden sind, werden sie anschließend weggeschnitten.
Die Verbesserungskoeffizienten des Wärmeübergangs zwischen Luft und der Wand der Platten 9 waren generell zwischen 1,25 und 3 enthalten, bei Zunahmen des relativen Druckverlustes zwischen 3 und 8. Die Werte des Verhältnisses h/e waren zwischen 0,01 und 0,5 enthalten und das Verhältnis p/h zwischen 5 und 100.
Die benachbarten Hauptflächen 16 sind um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt, d.h. daß die linearen Wölbungen 19 sich auf halber Distanz zu den linearen Wölbungen 19 der benachbarten Platte 16 erstrecken.
Einige Querschnitte von linearen Wölbungen 19 sind in den Figuren 5 dargestellt: die Figur 5a zeigt wieder eine halbkreisförmige Wölbung 19a auf einer Seitenplatte 16, wie in Figur 3; in Figur 5b ist eine quadratische Wölbung 19b dargestellt; die Figur 5c zeigt eine Wölbung 19c mit dem Querschnitt eines Dreiecks, von dem eine Seite die Verbindung zu der Platte 16 darstellt, und die Figur 5d zeigt eine rechteckförmige Wölbung 19d. Umgekehrte Wölbungen, die auch gewählt werden können, zeigen die Figuren 5e mit dem Querschnitt 19e eines durch eine Ecke mit der Platte 16 verbundenen Dreiecks und die Figur 5f mit einen beinahe kreisförmigen Querschnitt 19f.

Claims

1. Kühler eines Kraftfahrzeugs, im wesentlichen gebildet durch parallele Platten (9) aus polymerem Material, in denen in glatten Kanälen (21) eine Wärmeübertragungsflüssigkeit zirkuliert und zwischen denen ein gasförmiges Kühlfluid zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (9) dem Kühlfluid (G) ausgesetzte Flächen haben, die geradlinige Wölbungen (19) aufweisen, senkrecht zu der Fließrichtung des Gases.

2. Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinigen Wölbungen (19) kontinuierlich sind.

3. Kühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinigen Wölbungen zweier benachbarter Platten unterschiedliche, zu den Platten senkrechte Projektionen haben.

4. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbungen, berechnet bezüglich einer Breite (e), die aufeinanderfolgende Platten (9) trennt, eine zwischen 0,01 und 0,5 enthaltende Höhe (h) haben.

5. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbungen in Fließrichtung des Kühlfluids bezogen auf ihre Höhe (h) eine Teilung (p) zwischen 5 und 100 haben.

6. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten extrudiert sind.

7. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten spritzgegossen sind.

8. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten durch zwei zusammengelötete oder -geklebte Halbplatten gebildet werden.

9. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem zwei Wärmeübertragungsfluid-Behälter (11, 12) umfaßt, wobei jeder dieser Behälter eine ausgesparte Fläche bzw. Vorderseite (13) mit Ausschnitten aufweist, in denen jeweils ein Ende von einer der Platten (9) sitzt.

10. Kühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter eine Hülle (14) umfassen, die mit der ausgesparten Vorderseite (13) verbunden ist, wobei die ausgesparten Vorderseiten (13) und die Hüllen (14) aus polymerem Material sind.