WO2008014998A1 - Radiator for cooling a fluid made from a carbon fibre composite - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a cooler for cooling a fluid.
  • the fluid may be a gas or a liquid.
  • the radiator has a first box with a port for supplying the fluid and a second box with a second port for discharging the fluid.
  • the first box is fluidly connected to the second box through tubes, wherein the cooler is configured so that the fluid can flow through the radiator from the first port to the second port via the tubes.
  • Such coolers are known as conventional vehicle coolers. They usually have two so-called water boxes made of glass fiber reinforced polyamide and a radiator block of a tube / rib system. The open ends of the tubes are held together at each end by a tubesheet. The water boxes are each placed with a seal on the tube sheets. A subsequent beading then closes the entire system tight.
  • a disadvantage of this system is that such radiator high pressures and temperatures, such as those encountered in high-performance engines, not withstand.
  • a heat exchanger block for a liquid-air heat exchanger is known. This has longitudinally flowed through liquid heat exchanger medium and perpendicularly flowed around by air pipes, substantially perpendicular to the tubes on the outer circumference arranged ribs and provided at the pipe ends, the individual tubes on the liquid side interconnecting tube sheets.
  • the heat exchanger block is integrally formed as a pressure or injection molded part.
  • a plastic can be used as a material for this one-piece manufactured heat exchanger block.
  • a plastic can be used as a material for this one-piece manufactured heat exchanger block.
  • a plastic can be used. To increase the strength and / or the thermal conductivity of this plastic may be provided with a suitable filling, such as glass, carbon and / or aluminum fibers. Due to the manufacturing process, any carbon fibers present may be in random orientation and as relatively short pieces of fiber.
  • a countercurrent heat exchanger with a plurality of loops is known, wherein between these loops a plurality of substantially parallel plates is arranged.
  • the loops are connected to each other in a fluid-conducting manner.
  • the plates and loops may be made of carbon / carbon composite.
  • the object of the present invention is to provide a cooler which offers high stability at high pressures and temperatures and at the same time allows a compact construction. Furthermore, a method to its Production and use of this cooler can be specified.
  • a cooler for cooling a fluid wherein the cooler has a first box with a first port for supplying the fluid and a second box with a second port for discharging the fluid, wherein the first box with the second box fluidly through Pipes connected.
  • the radiator is constructed so that the fluid can flow through the radiator from the first port to the second port via the tubes.
  • the tubes consist of a carbon fiber and a binder containing carbon fiber composite material.
  • the carbon fiber composite is a composite in which carbon fibers are oriented parallel to one another in one or more directions or in the form of a carbon fiber fabric, the fibers being held together by the binder. Thus, oriented fibers are present in the carbon fiber composite.
  • the carbon fiber composite forming the tubes is constructed in such a way that on the one hand fibers extend over the entire length of the respective tubes and on the other hand carbon fibers run radially around the interior of the respective tubes.
  • Such pipes are extremely resistant to being forced apart by high pressure inside the pipes.
  • the thermal conductivity of the carbon fiber composite is increased by having exposed carbon fibers on a surface of the carbon fiber composite. That is, at least a portion of the carbon fibers of the carbon fiber composite have an exposed surface on each surface of the carbon fiber composite.
  • an exposed surface of a carbon fiber is meant a portion of the total surface area of the carbon fiber which is not surrounded by the binder of the carbon fiber composite.
  • the exposed surfaces of the carbon fibers significantly improve the heat transfer from the carbon fibers and thus from the surfaces of the tubes to the surrounding air or from the interior of the cooler to the carbon fibers and thus to the inner surface of the tubes.
  • the thermal conductivity can also be increased by containing the carbon fiber composite carbon particles.
  • the carbon particles in the carbon fiber composite greatly enhance thermal conduction across the grain of the carbon fibers. As a result, a heat conduction between adjacent carbon fibers is significantly improved.
  • the carbon fiber composite thus has less predetermined by the fiber direction of the carbon fibers anisotropic properties, because a heat conduction is no longer only predominantly in the direction of the carbon fibers but also transversely to this direction. The efficiency of the cooler is thereby greatly increased.
  • the carbon particles may be substantially spherical. They may have an average diameter or a mean spatial extent of 1 nm to 100 .mu.m, preferably 10 nm to 1 .mu.m, in particular 50 nm to 500 nm.
  • the thermal conductivity is particularly good when exposed to a surface of the carbon fiber composite Carbon fibers are present and in addition carbon particles are contained in the carbon fiber composite.
  • a carbon fiber composite material can provide a very high thermal conductivity with a small length expansion as a result of an increase in temperature. Furthermore, the inventors have recognized that can be made of carbon fiber composite very flat tubes, which, in contrast to aluminum tubes are sufficiently stable even at high pressures and can not be easily pressed apart. Very flat tubes are advantageous in the cooler construction, because they have a large surface in relation to their internal volume and thereby allow good heat dissipation. Characterized in that the cooler according to the invention can withstand relatively high pressures, this can be operated at a higher temperature than a conventional radiator. As a result, the temperature difference between the coolant and the outside temperature is greater, so that thereby a larger heat output and thus an increased efficiency of the radiator is possible.
  • the radiator can be made wider at the bottom than at the top, so that thereby the center of gravity of the radiator and thus also the center of gravity of a vehicle equipped with it can be lowered. This allows the vehicle to achieve better driving characteristics.
  • the improved efficiency compared to an aluminum cooler through better heat dissipation and the possibility of using very flat tubes with a favorable ratio between the inner volume and the outer surface of the Cooler designed smaller and the total required for cooling an engine coolant amount can be reduced.
  • the result is a weight saving, which is further increased by the fact that the carbon fiber composite itself is lighter than aluminum.
  • the air resistance of the radiator to an aluminum radiator can be significantly reduced.
  • the radiator according to the invention thus enables a fuel economy and / or a higher power when used in a motor vehicle.
  • the first box is formed by a first carrier plate connected to a first cover and the second case is formed by a second carrier plate connected to a second cover.
  • the tubes are preferably connected to the first carrier plate on a first side having a first tube opening and to the second carrier plate on a second side having a second tube opening.
  • This structure allows a particularly pressure-resistant connection of the tubes with the first and second box, because prior to connecting the first and the second support plate with the first and the second cover, the tubes from the side facing away from the tubes of the first and second carrier plate with the first and second carrier plate can be glued.
  • a base is provided which partially surrounds the tube.
  • This base increases the pressure stability of the pipes, especially if they are designed as flat pipes.
  • the first and / or the second box and / or the first and / or second carrier plate made of the carbon fiber composite material. As a result, the resistance to high temperatures and pressures can be further increased.
  • the tubes may have on the outer surfaces of the tubes with each of these surfaces bonded carbon fiber composite cooling fins.
  • the cooling fins also stabilize the tubes. The stabilization is particularly important if the tubes are designed as flat tubes.
  • the cooling fins and the tubes are manufactured in one operation with the tubes.
  • the carbon fibers forming the cooling ribs are partly applied to the outer surface of the tubes in the production of the tubes and the carbon fibers of the tubes and the cooling ribs are impregnated with binder, if carbon fibers which are not already pre-impregnated with a not yet cured binder are used.
  • the remainder of the carbon fiber forming fins is fixed, preferably at an approximately right angle, distantly from the tubes to cure the composite. Subsequently, the material is cured under the action of pressure and elevated temperature.
  • the cooling fins are glued to at least one of the tubes with at least one adjacent tube arranged in the cooler.
  • stabilization of the entire radiator can be achieved.
  • this can prevent the formation of flat-shaped tubes at a high internal pressure in the cooler.
  • the cooler can thereby be operated at even higher pressure and thus even higher temperature, whereby the efficiency of the cooler is further increased.
  • an adhesive or the binder is used which contains carbon particles. As a result, a good heat transfer between the adjacent tube arranged and the cooling fins can be ensured.
  • a particularly good heat dissipation from the interior of the radiator can be achieved, that the tubes have on the inner surfaces of the tubes with these surfaces respectively connected carbon fiber composite inner ribs. Heat transfer is particularly good when these inner ribs are made in one operation with the tubes and are laminated to the inner surfaces of the tubes.
  • the inner ribs can be arranged perpendicular to a flow direction or throughflow direction of the fluid predetermined by the shape of the tubes. This creates a turbulent flow in the fluid as it flows through the tubes. The turbulent flow improves the heat transfer from the fluid to the material of the radiator and increases the cooling capacity of the radiator further increased.
  • the inner ribs are arranged in an angle of 0 ° and 90 ° to a predetermined through the shape of the tubes possible flow direction of the fluid through the tubes deviating angle, ie obliquely to the flow direction, also creates a turbulent flow in the fluid when flowing through the tubes.
  • a lower resistance than at right angles to the flow direction arranged inner ribs results from the oblique arrangement for the fluid when flowing through the tubes, a lower resistance than at right angles to the flow direction arranged inner ribs.
  • Another advantage of the oblique arrangement is that a larger surface area of the inner ribs can be realized than with inner ribs arranged perpendicular to the flow direction. This also increases the cooling capacity of the radiator.
  • the tubes each have a non-circular cross section perpendicular to a flow direction.
  • the ratio between the outer surface and the inner space of the tubes can be increased, thereby improving the heat dissipation.
  • the tubes have an oblong cross section perpendicular to the throughflow direction, ie. H. are formed as flat tubes.
  • the function of the radiator can be further improved by the fact that the cross section of the flat tubes each has a curvature. This makes it possible to direct a flow of air flowing through the radiator in a desired direction. Furthermore, a heat transfer from the surface of the tubes to a stream of air flowing around the tubes can thereby be improved.
  • the use of the carbon fiber composite makes it possible to produce extremely flat tubes, which can greatly increase the efficiency of the cooler.
  • the tubes have in one direction along the tubes, in particular the throughflow direction, in each case perpendicular to the direction of successive cross sections whose respective areas increase. This makes it possible, on the one hand, to minimize the resistance that the radiator opposes to the fluid as it flows through. On the other hand, this allows the center of gravity of the fluid-filled cooler to be shifted significantly downwards. As a result, the driving characteristics of a vehicle equipped with this radiator can be improved.
  • the carbon fiber composite contains a resin, especially an epoxy resin, as a binder.
  • the surface of the carbon fiber composite on which exposed carbon fibers are present is preferably a surface on the cooling fins and / or an outer surface of the tubes.
  • the surface of the carbon fiber composite material on which exposed carbon fibers are present is a surface of the tubes located inside the tubes and / or a surface on the inner ribs. This also improves the heat transfer from the fluid to the carbon fibers. Thus, it can be present both on the cooling fins, the outer surfaces of the tubes, lying in the interior of the tubes surfaces and on the inner ribs exposed carbon fibers. The exposed carbon fibers further increase the efficiency of the cooler.
  • the inner ribs or the fins of the composite carbon fiber composite are cured after its curing so that the carbon fibers are exposed.
  • the removal can be chemically, z. B. by etching, or mechanically, for. B. by irradiation by means of particles or abrasion by means of a coarse-grained material.
  • the particles are preferably sand, corundum, dry ice or glass particles.
  • the content of carbon particles in the total weight of the cooler may be 1% by weight to 25% by weight, in particular 8% by weight to 21% by weight, preferably 15% by weight to 20% by weight.
  • the proportion of the carbon fibers and the carbon particles in the total weight of the cooler together is 40% by weight to 60% by weight, in particular 45% by weight to 55% by weight .-%, preferably 49 to 51 wt .-%.
  • the tubes may be connected to the first and / or the second box or to the first and / or the second carrier plate, in particular by means of epoxy resin, by gluing.
  • the first cover with the first support plate and / or the second cover with the second support plate by gluing, in particular by means of epoxy resin, connected.
  • the fluid may be a liquid coolant of an engine or charge air for a turbocharger.
  • the invention further relates to a method for producing a carbon fiber composite cooler according to the invention, wherein individual components of the cooler are produced by heating carbon fibers and a binding agent bypassing the carbon fibers in a respective mold under pressure and then cooling and dissolving the components of the respective mold and then joined together by gluing to the radiator.
  • carbon fibers are exposed on a surface of at least one of the components by stripping the binder of a portion of the surfaces of the carbon fibers and / or adding carbon particles to the binder. It is understood that the carbon fibers are exposed so that part of each exposed carbon fiber remains surrounded by the binder, otherwise the fiber would no longer be part of the carbon fiber composite.
  • the removal of the binder can chemically, in particular by etching, or mechanically, in particular by irradiation by means of particles, preferably from sand, corundum, dry ice or glass or by an abrasive treatment, in particular by shaking,
  • a coarse-grained material preferably quartz sand, chippings or glass granules done.
  • An abrasive treatment is understood in particular to mean a treatment in which the binder is removed by abrasion.
  • the method comprises the following steps: a) producing the first and the second cover, the first and second carrier plate and the tubes of the carbon fiber composite material,
  • Such a production method is to be carried out favorably, especially in the case of small-batch production, because no expensive machines are needed which are specially adapted to the shape of the cooler and, moreover, without costly conversion measures, it is possible to change the geometry of the cooler according to individual customer requirements.
  • cooling ribs also made of the carbon fiber composite material are produced, wherein the cooling ribs are connected to the outside of the tubes during production by lamination in each case.
  • the cooling fins on the outer side of the tubes can be glued to at least one adjacent tube in the radiator on its outer surface.
  • the bonding preferably takes place by means of an adhesive or the binder used in the production of the carbon fiber composite.
  • carbon particles are added to the adhesive or binder. This increases the thermal conductivity over the resulting splice. At the same time, a different thermal expansion of the glued together components of the cooler at the splice is thereby avoided and thus also the Increased durability of the bond.
  • a particularly suitable binder in the manufacture of the carbon fiber composite has been found to be an epoxy resin.
  • carbon fiber composite inner ribs may be produced together with at least a part of the tubes, and the inner ribs are bonded to the inside of the tubes at the time of manufacture by laminating, respectively.
  • Lamination is understood to mean that the carbon fibers or the carbon fiber fabric of the carbon fiber composite of the tubes and the inner fins or fins are partially arranged in parallel planes and sealed together using pressure and elevated temperature.
  • the inner ribs are thereby arranged at an angle to a predetermined through the shape of the tubes possible through-flow of the fluid through the tubes, which deviates from 0 ° and from 90 °, d. H. the inner ribs are arranged at an oblique angle to the flow direction.
  • Carbon fiber used to manufacture the inner ribs and the tube are arranged on a mandrel made of a low-melting metal alloy and then baked together using pressure and temperature. After curing of the carbon fiber composite, the mandrel can be removed by melting from inside the tube ("lost core").
  • an amount of the carbon particles is added to the binder so that the proportion of carbon particles in the total weight of the cooler 1 wt .-% to 25 wt .-%, in particular 8 wt .-% to 21 wt .-%, preferably 15 wt .-% to 20 wt .-%, is.
  • such amounts of binder, carbon fibers and carbon particles are used that the proportion of the carbon fibers and the carbon fibers Fabric particles in the total weight of the cooler together 40 wt .-% to 60 wt .-%, in particular 45 wt .-% to 55 wt .-%, preferably 49 to 51 wt .-%, is.
  • Such amounts of binder and carbon fibers can be used that the proportion of carbon fibers in the total weight of the cooler 15 wt .-% to 51 wt .-%, in particular 25 wt .-% to 45 wt .-%, preferably 30 wt. % to 35 wt .-%, is.
  • the efficiency of the cooler can be significantly increased if the surface on which the carbon fibers are exposed has a surface on the cooling fins and / or an outer surface of the tubes and / or a surface of the tubes lying inside the tube and / or Surface on the inner ribs is.
  • the exposure of the surfaces of the carbon fibers may be chemically, z. B. by etching, or mechanically, for. B. by irradiation by means of particles or by other methods for removing the binder done.
  • the irradiation can be carried out with a particle stream, in particular from sand, corundum, dry ice or glass particles.
  • the invention further relates to the use of a radiator according to the invention for cooling a liquid coolant of an engine or for cooling charge air for a turbocharger.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional representation of a cooler according to the invention with various details
  • 2a and 2b is a three-dimensional representation of a first and second box of the radiator of FIG. 1, 3 shows a three-dimensional representation of a second carrier plate of the cooler according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 4 is a three-dimensional representation of a tube with cooling fins of the radiator of FIG. 1,
  • FIG. 5 is a sectional view through a cooler according to the invention in the region of the cooling fins
  • Fig. 6 is a sectional view of the cooler of FIG.
  • Fig. 7 is a sectional view of the cooler of FIG.
  • FIG. 1 shows a cooler 10 with a first box 12 and a second box 14, which are connected to one another by flat tubes 16.
  • the cooling fins 30 shown in the upper detail illustration are connected to the pipe 16 by lamination at the points indicated at 26, i. H. a part of the carbon fibers forming the cooling fins 30 is aligned parallel to the surface of the tube and with this through the binder of the carbon fiber
  • the cooling fins are each connected to the adjacent pipe 16 by gluing.
  • the lower detail shows one of the tubes 16 formed as flat tubes, wherein the Clarity because of the cooling fins 30 are not shown.
  • FIG. 2 a shows that the first box 12 is formed from a lid 20 and a first carrier plate 18.
  • FIG. 2b shows that the second box 14 is formed from a second carrier plate 22 and a lid 24 connected thereto.
  • the tubes 16 are in each case connected to the first 18 and the second support plate 22.
  • the second carrier plate 22 is shown in detail in FIG.
  • FIG. 4 shows a tube 16 with cooling fins 30 designed as a flat tube.
  • the cooling fins 30 are arranged on the two sides of the tube 16 offset relative to each other. As a result, the stability of the tube 16 is further increased.
  • tubes can be created in this way, the cooling fins can be glued in each case with an adjacent tube arranged in parallel to the same tube, because each room for a fin of the adjacent tube 16 is left by the staggered arrangement.
  • Fig. 4 also shows that the flat tube 16 has a curvature. The ability to create very flat and curved tubes can improve the aerodynamic properties and efficiency of the radiator.
  • Fig. 5 shows a sectional view of the radiator 10 in the region of the cooling fins parallel to the longitudinal axis of one of the tubes. It is clear that the cooling fins 30 may also have a curvature. In addition, it is shown that the first 18 and second support plate 22 each one Socket 23 have, in which the tube 16 is partially received. This further increases the pressure resistance of the radiator.
  • Fig. 6 shows a sectional view of the radiator 10 along the line C - C of FIG. 5.
  • Fig. 7 shows a sectional view of the radiator 10 along the line B - B of FIG. 6
  • the support plate 22 can be seen, which Sok - Kel 23 which surround the tubes 16.

Abstract

The invention relates to a cooler or radiator (10) for cooling a fluid, wherein the radiator (10) includes a first header (12) with a first connection for the fluid to be supplied and a second header (14) with a second connection for the fluid to be discharged, wherein the first header (12) is connected to the second header (14) by fluid-carrying tubes (16), wherein the radiator is constructed in such a way that the fluid can flow through the radiator from the first connection via the tubes (16) to the second connection, wherein the tubes (16) consist of a carbon fibre composite containing carbon fibres and a bonder, and wherein the thermal conductivity of the carbon fibre composite is increased by exposed carbon fibres being present at a surface of the carbon fibre composite and/or by the carbon fibre composite containing carbon particles.

Description

Beschreibungdescription
Kühler zum Kühlen eines Fluids aus einem Kohlenstofffaser- VerbundstoffRadiator for cooling a fluid of a carbon fiber composite
Die Erfindung betrifft einen Kühler zum Kühlen eines Fluids. Das Fluid kann dabei ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Der Kühler weist einen ersten Kasten mit einem Anschluss zum Zuführen des Fluids und einen zweiten Kasten mit einem zweiten Anschluss zum Ableiten des Fluids auf. Der erste Kasten ist mit dem zweiten Kasten fluidleitend durch Rohre verbunden, wobei der Kühler so aufgebaut ist, dass das Fluid den Kühler vom ersten Anschluss über die Rohre zum zweiten Anschluss durchströmen kann.The invention relates to a cooler for cooling a fluid. The fluid may be a gas or a liquid. The radiator has a first box with a port for supplying the fluid and a second box with a second port for discharging the fluid. The first box is fluidly connected to the second box through tubes, wherein the cooler is configured so that the fluid can flow through the radiator from the first port to the second port via the tubes.
Derartige Kühler sind als herkömmliche Fahrzeugkühler bekannt. Sie weisen üblicherweise zwei sogenannte Wasserkästen aus glasfaserverstärktem Polyamid und einen Kühlerblock aus einem Rohr- /Rippensystem auf. Die offenen Enden der Rohre werden an jedem Ende jeweils durch einen Rohrboden zusammengehalten. Die Wasserkästen werden jeweils mit einer Dichtung auf die Rohrböden aufgesetzt. Eine nachfolgende Umbördelung schließt dann das gesamte System dicht ab. Nachteilig bei diesem System ist, dass derartige Kühler hohen Drücken und Temperaturen, wie sie bei Hochleistungsmotoren auftreten, nicht standhalten.Such coolers are known as conventional vehicle coolers. They usually have two so-called water boxes made of glass fiber reinforced polyamide and a radiator block of a tube / rib system. The open ends of the tubes are held together at each end by a tubesheet. The water boxes are each placed with a seal on the tube sheets. A subsequent beading then closes the entire system tight. A disadvantage of this system is that such radiator high pressures and temperatures, such as those encountered in high-performance engines, not withstand.
Eine bessere Standhaftigkeit bei größerer Wärmeübertragungs- leistung wird durch vollständig aus Aluminium bestehenden Kühlern erreicht, welche Flachrohre aufweisen, die mit den Wasserkästen an den Übergängen zwischen den Flachrohren und den Wasserkästen verlötet sind. Nachteilig bei diesen Kühlern ist, dass sie bei hohen Drücken und Temperaturen, wie sie bei Hochleistungsmotoren vorkommen, bedingt durch die Längenaus- dehnung von Aluminium, an den Lötstellen reißen können. Wei- terhin können sehr flach ausgebildete Aluminiumrohre bei hohen Drücken und Temperaturen leicht auseinandergedrückt werden. Dadurch können Risse im Aluminium oder an den Lötstellen entstehen.Better steadfastness with greater heat transfer performance is achieved by all-aluminum radiators having flat tubes soldered to the water boxes at the junctions between the flat tubes and the water boxes. A disadvantage of these coolers is that they can break at the solder joints at high pressures and temperatures, as occur in high-performance engines, due to the elongation of aluminum. WEI terhin very flat aluminum tubes formed at high pressures and temperatures can be easily pushed apart. This can cause cracks in the aluminum or at the solder joints.
Aus der DE 35 36 527 Al ist ein Wärmetauscherblock für einen Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher bekannt. Dieser weist von flüssigem Wärmetauschermittel in Längsrichtung durchströmte und senkrecht dazu von Luft umströmte Rohre, im Wesentlichen senkrecht zu den Rohren an deren Außenumfang angeordnete Rippen sowie an den Rohrenden vorgesehene, die einzelnen Rohre flüssigkeitsseitig miteinander verbindende Rohrböden auf. Der Wärmetauscherblock ist einstückig als Druck- oder Spritzgussteil ausgebildet. Als Werkstoff für diesen einstückig ge- fertigten Wärmetauscherblock kann ein Kunststoff verwendet werden. Zur Erhöhung der Festigkeit und/oder der Wärmeleitfähigkeit kann dieser Kunststoff mit einer geeigneten Füllung, wie beispielsweise Glas-, Kohlenstoff- und/oder Aluminiumfasern, versehen sein. Bedingt durch das Herstellungsverfahren liegen gegebenenfalls vorhandene Kohlenstofffasern in willkürlicher Orientierung und als verhältnismäßig kurze Faserstücke vor.From DE 35 36 527 Al a heat exchanger block for a liquid-air heat exchanger is known. This has longitudinally flowed through liquid heat exchanger medium and perpendicularly flowed around by air pipes, substantially perpendicular to the tubes on the outer circumference arranged ribs and provided at the pipe ends, the individual tubes on the liquid side interconnecting tube sheets. The heat exchanger block is integrally formed as a pressure or injection molded part. As a material for this one-piece manufactured heat exchanger block, a plastic can be used. To increase the strength and / or the thermal conductivity of this plastic may be provided with a suitable filling, such as glass, carbon and / or aluminum fibers. Due to the manufacturing process, any carbon fibers present may be in random orientation and as relatively short pieces of fiber.
Aus der WO 00/31485 ist ein Gegenstromwärmeaustauscher mit einer Vielzahl von Schleifen bekannt, wobei zwischen diesen Schleifen eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen Platten angeordnet ist. Die Schleifen sind dabei flüssigkeitslei- tend miteinander verbunden. Die Platten und Schleifen können aus Kohlenstoff-/Kohlenstoffverbundstoff hergestellt sein.From WO 00/31485 a countercurrent heat exchanger with a plurality of loops is known, wherein between these loops a plurality of substantially parallel plates is arranged. The loops are connected to each other in a fluid-conducting manner. The plates and loops may be made of carbon / carbon composite.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kühler bereitzustellen, welcher bei hohen Drücken und Temperaturen eine hohe Standhaftigkeit bietet und gleichzeitig eine kompakte Bauweise ermöglicht. Weiterhin soll ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Verwendung dieses Kühlers angegeben werden.The object of the present invention is to provide a cooler which offers high stability at high pressures and temperatures and at the same time allows a compact construction. Furthermore, a method to its Production and use of this cooler can be specified.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der An- sprüche 1, 24 und 38 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 23 und 25 bis 37.According to the invention, the object is achieved by the subject of claims 1, 24 and 38. Advantageous embodiments emerge from the features of claims 2 to 23 and 25 to 37.
Erfindungsgemäß ist ein Kühler zum Kühlen eines Fluids vorge- sehen, wobei der Kühler einen ersten Kasten mit einem ersten Anschluss zum Zuführen des Fluids und einen zweiten Kasten mit einem zweiten Anschluss zum Ableiten des Fluids aufweist, wobei der erste Kasten mit dem zweiten Kasten fluidleitend durch Rohre verbunden ist. Der Kühler ist so aufgebaut, dass das Fluid den Kühler vom ersten Anschluss über die Rohre zum zweiten Anschluss durchströmen kann. Die Rohre bestehen dabei aus einem Kohlenstofffasern und ein Bindemittel enthaltenden Kohlenstofffaser-Verbundstoff . Bei dem Kohlenstofffaser-Ver- bundstoff handelt es sich um einen Verbundwerkstoff, bei wel- chem Kohlenstofffasern parallel zueinander ausgerichtet in einer oder mehreren Richtungen verlaufen oder in Form eines Kohlenstofffasergewebes vorliegen, wobei die Fasern durch das Bindemittel zusammengehalten werden. In dem Kohlenstofffaser- Verbundstoff liegen also orientierte Fasern vor. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der die Rohre bildende Kohlenstofffaser-Verbundstoff so aufgebaut ist, dass sich einerseits Fasern über die gesamte Länge der jeweiligen Rohre erstrecken und andererseits Kohlenstofffasern radial um das Innere der jeweiligen Rohre herum verlaufen. Dadurch bestehen zwei senk- recht zueinander verlaufende Faserrichtungen und es wird eine besonders hohe Stabilität der Rohre erreicht. Solche Rohre sind extrem resistent dagegen, durch einen hohen Druck im Inneren der Rohre auseinandergedrückt zu werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs ist dadurch erhöht, dass an einer Oberfläche des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs freiliegende Kohlenstofffasern vorhanden sind. Das bedeutet, dass zumindest ein Teil der Kohlenstoff- fasern des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs an einer Oberfläche des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs jeweils eine freiliegende Oberfläche aufweist. Unter einer freiliegenden Oberfläche einer Kohlenstofffaser wird ein Teil der Gesamtoberflächen der Kohlenstofffaser verstanden, welcher nicht vom Bindemittel des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs umgeben ist. Durch die freiliegenden Oberflächen der Kohlenstofffasern wird die Wärmeübertragung von den Kohlenstofffasern und damit von den Oberflächen der Rohre zu der umgebenden Luft oder vom Inneren des Kühlers auf die Kohlenstofffasern und damit auf die inne- re Oberfläche der Rohre erheblich verbessert.According to the invention, a cooler for cooling a fluid is provided, wherein the cooler has a first box with a first port for supplying the fluid and a second box with a second port for discharging the fluid, wherein the first box with the second box fluidly through Pipes connected. The radiator is constructed so that the fluid can flow through the radiator from the first port to the second port via the tubes. The tubes consist of a carbon fiber and a binder containing carbon fiber composite material. The carbon fiber composite is a composite in which carbon fibers are oriented parallel to one another in one or more directions or in the form of a carbon fiber fabric, the fibers being held together by the binder. Thus, oriented fibers are present in the carbon fiber composite. It is particularly advantageous if the carbon fiber composite forming the tubes is constructed in such a way that on the one hand fibers extend over the entire length of the respective tubes and on the other hand carbon fibers run radially around the interior of the respective tubes. As a result, there are two grain directions that run perpendicular to one another and a particularly high stability of the tubes is achieved. Such pipes are extremely resistant to being forced apart by high pressure inside the pipes. The thermal conductivity of the carbon fiber composite is increased by having exposed carbon fibers on a surface of the carbon fiber composite. That is, at least a portion of the carbon fibers of the carbon fiber composite have an exposed surface on each surface of the carbon fiber composite. By an exposed surface of a carbon fiber is meant a portion of the total surface area of the carbon fiber which is not surrounded by the binder of the carbon fiber composite. The exposed surfaces of the carbon fibers significantly improve the heat transfer from the carbon fibers and thus from the surfaces of the tubes to the surrounding air or from the interior of the cooler to the carbon fibers and thus to the inner surface of the tubes.
Die Wärmeleitfähigkeit kann auch dadurch erhöht werden, dass der Kohlenstofffaser-Verbundstoff Kohlenstoffpartikel enthält. Die Kohlenstoffpartikel verbessern in dem Kohlenstoff- faser-Verbundstoff stark eine Wärmeleitung quer zur Faserrichtung der Kohlenstofffasern. Dadurch wird auch eine Wärmeleitung zwischen nebeneinander liegenden Kohlenstofffasern deutlich verbessert. Der Kohlenstofffaser-Verbundstoff hat dadurch weniger durch die Faserrichtung der Kohlenstofffasern vorgegebene anisotrope Eigenschaften, weil eine Wärmeleitung nicht mehr nur vorwiegend in Richtung der Kohlenstofffasern sondern auch quer zu dieser Richtung erfolgt. Die Effizienz des Kühlers wird dadurch stark erhöht. Die Kohlenstoffpartikel können dabei im wesentlichen kugelförmig sein. Sie können einen mittleren Durchmesser bzw. eine mittlere räumliche Erstreckung von 1 nm bis 100 μm, vorzugsweise 10 nm bis 1 μm, insbesondere 50 nm bis 500 nm, aufweisen.The thermal conductivity can also be increased by containing the carbon fiber composite carbon particles. The carbon particles in the carbon fiber composite greatly enhance thermal conduction across the grain of the carbon fibers. As a result, a heat conduction between adjacent carbon fibers is significantly improved. The carbon fiber composite thus has less predetermined by the fiber direction of the carbon fibers anisotropic properties, because a heat conduction is no longer only predominantly in the direction of the carbon fibers but also transversely to this direction. The efficiency of the cooler is thereby greatly increased. The carbon particles may be substantially spherical. They may have an average diameter or a mean spatial extent of 1 nm to 100 .mu.m, preferably 10 nm to 1 .mu.m, in particular 50 nm to 500 nm.
Besonders gut ist die Wärmeleitfähigkeit dann, wenn an einer Oberfläche des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs freiliegende Kohlenstofffasern vorhanden sind und zusätzlich Kohlenstoff- partikel in dem Kohlenstofffaser-Verbundstoff enthalten sind.The thermal conductivity is particularly good when exposed to a surface of the carbon fiber composite Carbon fibers are present and in addition carbon particles are contained in the carbon fiber composite.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch einen Kohlenstofffa- ser-Verbundstoff eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit bei geringer Längenausdehnung in Folge von Temperaturerhöhung bereitgestellt werden kann. Weiterhin haben die Erfinder erkannt, dass sich aus Kohlenstofffaser-Verbundstoff sehr flache Rohre herstellen lassen, welche im Gegensatz zu Aluminiumrohren auch bei hohen Drücken ausreichend stabil sind und nicht leicht auseinander gedrückt werden können. Sehr flache Rohre sind im Kühlerbau vorteilhaft, weil sie im Verhältnis zu ihrem inneren Volumen eine große Oberfläche aufweisen und dadurch eine gute Wärmeableitung ermöglichen. Dadurch, dass der erfindungsgemäße Kühler verhältnismäßig hohen Drücken standhalten kann, kann dieser bei einer höheren Temperatur betrieben werden, als ein herkömmlicher Kühler. Dadurch ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Außentemperatur größer, so dass dadurch eine größere Wärmeabgabe und damit eine erhöhte Effizienz des Kühlers möglich ist.The inventors have recognized that a carbon fiber composite material can provide a very high thermal conductivity with a small length expansion as a result of an increase in temperature. Furthermore, the inventors have recognized that can be made of carbon fiber composite very flat tubes, which, in contrast to aluminum tubes are sufficiently stable even at high pressures and can not be easily pressed apart. Very flat tubes are advantageous in the cooler construction, because they have a large surface in relation to their internal volume and thereby allow good heat dissipation. Characterized in that the cooler according to the invention can withstand relatively high pressures, this can be operated at a higher temperature than a conventional radiator. As a result, the temperature difference between the coolant and the outside temperature is greater, so that thereby a larger heat output and thus an increased efficiency of the radiator is possible.
Es hat sich gezeigt, dass sich mittels eines Kohlenstofffaser-Verbundstoffs ein Kühler herstellen lässt, welcher bei gleichen äußeren Abmessungen eine bessere Wärmeableitung als ein Aluminiumkühler aufweist. Weiterhin besteht durch dieIt has been found that by means of a carbon fiber composite, a cooler can be produced, which has the same external dimensions better heat dissipation than an aluminum cooler. Furthermore, through the
Verwendung eines Kohlenstofffaser-Verbundstoffs mehr Freiheit bei der Formgestaltung. Beispielsweise kann der Kühler unten breiter als oben gestaltet werden, so dass dadurch der Schwerpunkt des Kühlers und damit auch der Schwerpunkt eines damit bestückten Fahrzeugs abgesenkt werden kann. Dadurch lassen sich bei dem Fahrzeug bessere Fahreigenschaften erreichen. Durch die gegenüber einem Aluminiumkühler verbesserte Effizienz durch bessere Wärmeableitung und die Möglichkeit der Verwendung sehr flacher Rohre mit einem günstigen Ver- hältnis zwischen Innenvolumen und äußerer Oberfläche kann der Kühler kleiner gestaltet und die insgesamt zur Kühlung eines Motors erforderliche Kühlmittelmenge reduziert werden. Es ergibt sich eine Gewichtsersparnis, die noch dadurch vergrößert wird, dass der Kohlenstofffaser-Verbundstoff selbst leichter ist als Aluminium.Using a carbon fiber composite more freedom in shaping. For example, the radiator can be made wider at the bottom than at the top, so that thereby the center of gravity of the radiator and thus also the center of gravity of a vehicle equipped with it can be lowered. This allows the vehicle to achieve better driving characteristics. The improved efficiency compared to an aluminum cooler through better heat dissipation and the possibility of using very flat tubes with a favorable ratio between the inner volume and the outer surface of the Cooler designed smaller and the total required for cooling an engine coolant amount can be reduced. The result is a weight saving, which is further increased by the fact that the carbon fiber composite itself is lighter than aluminum.
Weiterhin kann durch die Ermöglichung sehr flacher Rohre und die Freiheit bei der Formgestaltung der Luftwiderstand des Kühlers gegenüber einem Aluminiumkühler deutlich verringert werden. Der erfindungsgemäße Kühler ermöglicht somit beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug eine Kraftstoffersparnis und/oder eine höhere Leistung.Furthermore, by allowing very shallow tubes and freedom in shaping, the air resistance of the radiator to an aluminum radiator can be significantly reduced. The radiator according to the invention thus enables a fuel economy and / or a higher power when used in a motor vehicle.
Bevorzugt wird der erste Kasten durch eine mit einem ersten Deckel verbundene erste Trägerplatte und der zweite Kasten durch eine mit einem zweiten Deckel verbundene zweite Trägerplatte gebildet. Die Rohre sind vorzugsweise auf einer eine erste Rohröffnung aufweisenden ersten Seite mit der ersten Trägerplatte und auf einer eine zweite Rohröffnung aufweisen- den zweiten Seite mit der zweiten Trägerplatte verbunden.Preferably, the first box is formed by a first carrier plate connected to a first cover and the second case is formed by a second carrier plate connected to a second cover. The tubes are preferably connected to the first carrier plate on a first side having a first tube opening and to the second carrier plate on a second side having a second tube opening.
Dieser Aufbau ermöglicht eine besonders druckbeständige Verbindung der Rohre mit dem ersten und zweiten Kasten, weil vor dem Verbinden der ersten und der zweiten Trägerplatte mit dem ersten und dem zweiten Deckel die Rohre von der den Rohren abgewandten Seite der ersten und der zweiten Trägerplatte her mit der ersten und der zweiten Trägerplatte verklebt werden können .This structure allows a particularly pressure-resistant connection of the tubes with the first and second box, because prior to connecting the first and the second support plate with the first and the second cover, the tubes from the side facing away from the tubes of the first and second carrier plate with the first and second carrier plate can be glued.
Vorzugsweise ist an der ersten und/oder der zweiten Träger- platte oder falls die Rohre direkt mit dem ersten oder zweiten Kasten verbunden sind am ersten und/oder zweiten Kasten für jedes Rohr jeweils ein Sockel vorgesehen, welcher das Rohr teilweise umgibt. Dieser Sockel erhöht die Druckstabilität der Rohre, insbesondere, wenn diese als Flachrohre ausge- bildet sind. Vorzugsweise besteht auch der erste und/oder der zweite Kasten und/oder die erste und/oder zweite Trägerplatte aus dem Kohlenstofffaser-Verbundstoff . Dadurch kann die Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und Drücken weiter erhöht werden.Preferably, at the first and / or the second support plate or if the tubes are directly connected to the first or second box on the first and / or second box for each tube, a base is provided which partially surrounds the tube. This base increases the pressure stability of the pipes, especially if they are designed as flat pipes. Preferably, the first and / or the second box and / or the first and / or second carrier plate made of the carbon fiber composite material. As a result, the resistance to high temperatures and pressures can be further increased.
Zum Ableiten von Wärme von den Rohren können die Rohre an den außen liegenden Oberflächen der Rohre mit diesen Oberflächen jeweils verbundene aus dem Kohlenstofffaser-Verbundstoff bestehende Kühlrippen aufweisen. Die Kühlrippen bewirken neben einer Ableitung von Wärme auch eine Stabilisierung der Rohre. Die Stabilisierung ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Rohre als Flachrohre ausgebildet sind.For dissipating heat from the tubes, the tubes may have on the outer surfaces of the tubes with each of these surfaces bonded carbon fiber composite cooling fins. In addition to dissipating heat, the cooling fins also stabilize the tubes. The stabilization is particularly important if the tubes are designed as flat tubes.
Besonders gut ist die Stabilisierung der Rohre und die Ableitung der Wärme dann, wenn die Kühlrippen mit der Außenseite der Rohre durch Laminieren verbunden sind. Dazu werden die Kühlrippen und die Rohre in einem Arbeitsgang mit den Rohren hergestellt. Die die Kühlrippen bildenden Kohlenstofffasern werden dazu bei der Herstellung der Rohre zu einem Teil auf die äußere Oberfläche der Rohre aufgebracht und die Kohlen- stofffasern der Rohre und der Kühlrippen mit Bindemittel getränkt, wenn nicht bereits mit einem noch nicht ausgehärteten Bindemittel vorimprägnierte Kohlenstofffasern verwendet werden. Der restliche Teil der die Kühlrippen bildenden Kohlenstofffasern wird, vorzugsweise in einem etwa rechten Winkel, abstehend von den Rohren zum Aushärten des Verbundstoffes fixiert. Anschließend wird das Material unter Einwirkung von Druck und erhöhter Temperatur ausgehärtet. Durch den Druck kann erreicht werden, dass sich zwischen den die Kühlrippen bildenden Kohlenstofffasern und den die Rohre bildenden Kohlenstofffasern möglichst wenig Bindemittel befindet. Dadurch wird eine gute Wärmeübertragung von den Rohren zu den Kühl- rippen gewährleistet. Die Herstellung der Kühlrippen und der Rohre in einem Arbeitsgang bewirkt eine homogene Zusammensetzung. Dadurch wird die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit der Rohre erhöht .Particularly good is the stabilization of the tubes and the dissipation of heat when the cooling fins are connected to the outside of the tubes by lamination. For this purpose, the cooling fins and the tubes are manufactured in one operation with the tubes. For this purpose, the carbon fibers forming the cooling ribs are partly applied to the outer surface of the tubes in the production of the tubes and the carbon fibers of the tubes and the cooling ribs are impregnated with binder, if carbon fibers which are not already pre-impregnated with a not yet cured binder are used. The remainder of the carbon fiber forming fins is fixed, preferably at an approximately right angle, distantly from the tubes to cure the composite. Subsequently, the material is cured under the action of pressure and elevated temperature. By the pressure can be achieved that is as little as possible binder between the carbon fibers forming the cooling fins and the carbon fibers forming the tubes. This ensures good heat transfer from the pipes to the cooling fins. The production of cooling fins and the Pipes in one operation produces a homogeneous composition. This increases the strength and thermal conductivity of the tubes.
Vorzugsweise sind die Kühlrippen an mindestens einem der Rohre mit mindestens einem im Kühler benachbart angeordneten Rohr verklebt. Dadurch kann eine Stabilisierung des gesamten Kühlers erreicht werden. Insbesondere kann dadurch verhindert werden, dass flach ausgebildete Rohre bei einem hohen Innen- druck im Kühler aufgedehnt werden. Der Kühler kann dadurch bei noch höherem Druck und damit noch höherer Temperatur betrieben werden, wodurch die Effizienz des Kühlers weiter erhöht wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zum Verkleben ein Kleber oder das Bindemittel verwendet wird, wel- eher/welches Kohlenstoffpartikel enthält. Dadurch kann ein guter Wärmeübergang zwischen dem benachbart angeordneten Rohr und den Kühlrippen gewährleistet werden.Preferably, the cooling fins are glued to at least one of the tubes with at least one adjacent tube arranged in the cooler. As a result, stabilization of the entire radiator can be achieved. In particular, this can prevent the formation of flat-shaped tubes at a high internal pressure in the cooler. The cooler can thereby be operated at even higher pressure and thus even higher temperature, whereby the efficiency of the cooler is further increased. It is particularly advantageous if, for bonding, an adhesive or the binder is used which contains carbon particles. As a result, a good heat transfer between the adjacent tube arranged and the cooling fins can be ensured.
Eine besonders gute Wärmeableitung vom Inneren des Kühlers kann dadurch erreicht werden, dass die Rohre an den innen liegenden Oberflächen der Rohre mit diesen Oberflächen jeweils verbundene aus Kohlenstofffaser-Verbundstoff bestehende Innenrippen aufweisen. Besonders gut ist die Wärmeübertragung, wenn diese Innenrippen in einem Arbeitsgang mit den Rohren hergestellt und durch Laminieren mit den innen liegenden Oberflächen der Rohre verbunden sind. Durch die Herstellung der Innenrippen und der Rohre in einem Arbeitsgang wird eine homogene Zusammensetzung erreicht. Dadurch wird die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit der Rohre erhöht. Die In- nenrippen können senkrecht zu einer durch die Form der Rohre vorgegebenen Durchflussrichtung bzw. Durchströmrichtung des Fluids angeordnet sein. Dadurch entsteht im Fluid beim Durchströmen der Rohre eine turbulente Strömung. Durch die turbulente Strömung wird der Wärmeübergang vom Fluid zum Material des Kühlers verbessert und die Kühlleistung des Kühlers wird weiter erhöht. Wenn die Innenrippen in einem von 0° und 90° zu einer durch die Form der Rohre vorgegebenen möglichen Durchströmrichtung des Fluids durch die Rohre abweichenden Winkel, d. h. schräg zur Durchströmrichtung, angeordnet sind, entsteht im Fluid beim Durchströmen der Rohre ebenfalls eine turbulente Strömung. Gleichzeitig ergibt sich jedoch durch die schräge Anordnung für das Fluid beim Durchströmen der Rohre ein geringerer Widerstand als bei senkrecht zur Durchströmrichtung angeordneten Innenrippen. Ein weiterer Vorteil der schrägen Anordnung besteht darin, dass sich eine größere Fläche der Innenrippen realisieren lässt, als bei senkrecht zur Durchströmrichtung angeordneten Innenrippen. Auch dadurch wird die Kühlleistung des Kühlers erhöht.A particularly good heat dissipation from the interior of the radiator can be achieved, that the tubes have on the inner surfaces of the tubes with these surfaces respectively connected carbon fiber composite inner ribs. Heat transfer is particularly good when these inner ribs are made in one operation with the tubes and are laminated to the inner surfaces of the tubes. By producing the inner ribs and the tubes in one operation, a homogeneous composition is achieved. This increases the strength and thermal conductivity of the tubes. The inner ribs can be arranged perpendicular to a flow direction or throughflow direction of the fluid predetermined by the shape of the tubes. This creates a turbulent flow in the fluid as it flows through the tubes. The turbulent flow improves the heat transfer from the fluid to the material of the radiator and increases the cooling capacity of the radiator further increased. If the inner ribs are arranged in an angle of 0 ° and 90 ° to a predetermined through the shape of the tubes possible flow direction of the fluid through the tubes deviating angle, ie obliquely to the flow direction, also creates a turbulent flow in the fluid when flowing through the tubes. At the same time, however, results from the oblique arrangement for the fluid when flowing through the tubes, a lower resistance than at right angles to the flow direction arranged inner ribs. Another advantage of the oblique arrangement is that a larger surface area of the inner ribs can be realized than with inner ribs arranged perpendicular to the flow direction. This also increases the cooling capacity of the radiator.
Bevorzugt weisen die Rohre senkrecht zu einer Durchströmrichtung jeweils einen nicht-runden Querschnitt auf. Dadurch kann das Verhältnis zwischen Außenfläche und Innenraum der Rohre vergrößert werden, so dass dadurch die Wärmeableitung verbessert wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Rohre senk- recht zu der Durchströmrichtung einen länglichen Querschnitt aufweisen, d. h. als Flachrohre ausgebildet sind.Preferably, the tubes each have a non-circular cross section perpendicular to a flow direction. Thereby, the ratio between the outer surface and the inner space of the tubes can be increased, thereby improving the heat dissipation. It is particularly preferred if the tubes have an oblong cross section perpendicular to the throughflow direction, ie. H. are formed as flat tubes.
Die Funktion des Kühlers kann weiter dadurch verbessert werden, dass der Querschnitt der Flachrohre jeweils eine Krüm- mung aufweist. Dadurch ist es möglich, einen den Kühler durchströmenden Luftstrom in eine gewünschte Richtung zu leiten. Weiterhin kann dadurch ein Wärmeübergang von der Oberfläche der Rohre zu einem die Rohre umströmenden Luftstrom verbessert werden.The function of the radiator can be further improved by the fact that the cross section of the flat tubes each has a curvature. This makes it possible to direct a flow of air flowing through the radiator in a desired direction. Furthermore, a heat transfer from the surface of the tubes to a stream of air flowing around the tubes can thereby be improved.
Die Verwendung des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs ermöglicht es, extrem flache Rohre herzustellen, wodurch die Effizienz des Kühlers stark erhöht werden kann. Vorzugsweise ist das Verhältnis der längsten zur kürzesten möglichen mittig durch die Querschnittsfläche verlaufenden, insbesondere gekrümmten, Strecke mindestens 5:1, vorzugsweise mindestens 10:1, insbesondere mindestens 20:1.The use of the carbon fiber composite makes it possible to produce extremely flat tubes, which can greatly increase the efficiency of the cooler. Preferably, the ratio of the longest to the shortest possible centrally through the cross-sectional area extending, in particular curved, Distance at least 5: 1, preferably at least 10: 1, in particular at least 20: 1.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Rohre in einer Richtung längs der Rohre, insbesondere der Durchströmrichtung, jeweils senkrecht zu der Richtung aufeinanderfolgende Querschnitte aufweisen, deren jeweilige Flächen zunehmen. Dadurch ist es einerseits möglich, den Widerstand, den der Kühler dem Fluid beim Durchströmen entgegensetzt, zu minimieren. Andererseits kann dadurch der Schwerpunkt des fluid-gefüllten Kühlers deutlich nach unten verlagert werden. Dadurch können die Fahreigenschaften eines mit diesem Kühler bestückten Fahrzeugs verbessert werden.It is particularly preferred if the tubes have in one direction along the tubes, in particular the throughflow direction, in each case perpendicular to the direction of successive cross sections whose respective areas increase. This makes it possible, on the one hand, to minimize the resistance that the radiator opposes to the fluid as it flows through. On the other hand, this allows the center of gravity of the fluid-filled cooler to be shifted significantly downwards. As a result, the driving characteristics of a vehicle equipped with this radiator can be improved.
Bevorzugt enthält der Kohlenstofffaser-Verbundstoff ein Harz, insbesondere ein Epoxidharz, als Bindemittel.Preferably, the carbon fiber composite contains a resin, especially an epoxy resin, as a binder.
Die Oberfläche des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs, an welcher freiliegende Kohlenstofffasern vorhanden sind, ist bevorzugt eine Oberfläche an den Kühlrippen und/oder eine außen liegende Oberfläche der Rohre. Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Oberfläche des Kohlenstofffaser- Verbundstoffs, an welcher freiliegende Kohlenstofffasern vorhanden sind, eine im Inneren der Rohre liegende Oberfläche der Rohre und/oder eine Oberfläche an den Innenrippen. Dadurch wird auch der Wärmeübergang vom Fluid zu den Kohlenstofffasern verbessert. Es können also sowohl an den Kühlrippen, den außen liegenden Oberflächen der Rohre, den im Inneren der Rohre liegenden Oberflächen und an den Innenrippen freiliegende Kohlenstofffasern vorhanden sein. Durch die freiliegenden Kohlenstofffasern wird die Effizienz des Kühlers weiter erhöht.The surface of the carbon fiber composite on which exposed carbon fibers are present is preferably a surface on the cooling fins and / or an outer surface of the tubes. According to a further preferred embodiment, the surface of the carbon fiber composite material on which exposed carbon fibers are present is a surface of the tubes located inside the tubes and / or a surface on the inner ribs. This also improves the heat transfer from the fluid to the carbon fibers. Thus, it can be present both on the cooling fins, the outer surfaces of the tubes, lying in the interior of the tubes surfaces and on the inner ribs exposed carbon fibers. The exposed carbon fibers further increase the efficiency of the cooler.
Um freiliegende Kohlenstofffasern bereitzustellen, kann an einer der genannten Oberflächen der Rohre, der Innenrippen oder der Kühlrippen sich befindendes Bindemittel des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs nach dessen Aushärten so abgetragen werden, dass die Kohlenstofffasern freigelegt werden. Das Abtragen kann chemisch, z. B. durch Ätzen, oder mechanisch, z. B. durch Bestrahlen mittels Partikel oder durch Abrieb mittels eines grobkörnigen Materials erfolgen. Bei den Partikeln handelt es sich bevorzugt um Sand-, Korrund-, Trockeneisoder Glaspartikel. Dazu kann eine übliche Vorrichtung zum Partikelstrahlen, z. B. eine Vorrichtung zum Glas- oder Sand- strahlen, verwendet werden.To provide exposed carbon fibers, on one of said surfaces of the tubes, the inner ribs or the fins of the composite carbon fiber composite are cured after its curing so that the carbon fibers are exposed. The removal can be chemically, z. B. by etching, or mechanically, for. B. by irradiation by means of particles or abrasion by means of a coarse-grained material. The particles are preferably sand, corundum, dry ice or glass particles. For this purpose, a conventional device for particle beams, z. As a device for glass or sand blasting, can be used.
Der Gehalt an Kohlenstoffpartikel am Gesamtgewicht des Kühlers kann 1 Gew.-% bis 25 Gew.-%, insbesondere 8 Gew.-% bis 21 Gew.-%, vorzugsweise 15 Gew.-% bis 20 Gew.-%, betragen. Bei einer für die Stabilität und die Wärmeleitfähigkeit besonders vorteilhaften Kombination der Kohlenstoffpartikel und der Kohlenstofffasern beträgt der Anteil der Kohlenstofffasern und der Kohlenstoffpartikel am Gesamtgewicht des Kühlers zusammen 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%, insbesondere 45 Gew.-% bis 55 Gew.-%, vorzugsweise 49 bis 51 Gew.-%. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Anteil der Kohlenstofffasern am Gesamtgewicht des Kühlers 15 Gew.-% bis 51 Gew.-%, insbesondere 25 Gew.-% bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 30 Gew.-% bis 35 Gew.-%, beträgt.The content of carbon particles in the total weight of the cooler may be 1% by weight to 25% by weight, in particular 8% by weight to 21% by weight, preferably 15% by weight to 20% by weight. With a combination of the carbon particles and the carbon fibers which is particularly advantageous for stability and thermal conductivity, the proportion of the carbon fibers and the carbon particles in the total weight of the cooler together is 40% by weight to 60% by weight, in particular 45% by weight to 55% by weight .-%, preferably 49 to 51 wt .-%. It has proved to be advantageous if the proportion of carbon fibers in the total weight of the cooler 15 wt .-% to 51 wt .-%, in particular 25 wt .-% to 45 wt .-%, preferably 30 wt .-% to 35 wt .-%, is.
Die Rohre können mit dem ersten und/oder dem zweiten Kasten oder mit der ersten und/oder der zweiten Trägerplatte, insbesondere mittels Epoxidharz, durch Verkleben verbunden sein. Vorzugsweise ist auch der erste Deckel mit der ersten Träger- platte und/oder der zweite Deckel mit der zweiten Trägerplatte durch Verkleben, insbesondere mittels Epoxidharz, verbunden. Durch das Verkleben kann eine besonders beständige, druckstabile Verbindung hergestellt werden. Bei dem Fluid kann es sich um ein flüssiges Kühlmittel eines Motors oder um Ladeluft für einen Turbolader handeln.The tubes may be connected to the first and / or the second box or to the first and / or the second carrier plate, in particular by means of epoxy resin, by gluing. Preferably, the first cover with the first support plate and / or the second cover with the second support plate by gluing, in particular by means of epoxy resin, connected. By gluing a particularly stable, pressure-stable connection can be made. The fluid may be a liquid coolant of an engine or charge air for a turbocharger.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Kühlers aus einem Kohlenstofffaser- Verbundstoff , wobei einzelne Komponenten des Kühlers durch Erhitzen von Kohlenstofffasern und eines die Kohlenstofffasern umgehenden Bindemittels in jeweils einer Form unter Druck und anschließendem Abkühlen und Lösen der Komponenten von der jeweiligen Form hergestellt und anschließend durch Verkleben zum Kühler zusammengefügt werden. Zum Verbessern der Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs werden vor oder nach dem Zusammenfügen an einer Oberfläche mindestens einer der Komponenten Kohlenstofffasern durch Ab- tragen des einen Teil der Oberflächen der Kohlenstofffasern umgehenden Bindemittels freigelegt und/oder dem Bindemittel werden Kohlenstoffpartikel zugesetzt. Es versteht sich, dass die Kohlenstofffasern dabei so freigelegt werden, dass ein Teil jeder freigelegten Kohlenstofffaser vom Bindemittel um- geben bleibt, da die Faser ansonsten kein Bestandteil des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs mehr wäre. Das Abtragen des Bindemittels kann chemisch, insbesondere durch Ätzen, oder mechanisch, insbesondere durch Bestrahlen mittels Partikel, vorzugsweise aus Sand, Korrund, Trockeneis oder Glas oder durch eine abrasive Behandlung, insbesondere durch Rütteln,The invention further relates to a method for producing a carbon fiber composite cooler according to the invention, wherein individual components of the cooler are produced by heating carbon fibers and a binding agent bypassing the carbon fibers in a respective mold under pressure and then cooling and dissolving the components of the respective mold and then joined together by gluing to the radiator. To improve the thermal conductivity of the carbon fiber composite, before or after joining, carbon fibers are exposed on a surface of at least one of the components by stripping the binder of a portion of the surfaces of the carbon fibers and / or adding carbon particles to the binder. It is understood that the carbon fibers are exposed so that part of each exposed carbon fiber remains surrounded by the binder, otherwise the fiber would no longer be part of the carbon fiber composite. The removal of the binder can chemically, in particular by etching, or mechanically, in particular by irradiation by means of particles, preferably from sand, corundum, dry ice or glass or by an abrasive treatment, in particular by shaking,
Schwenken oder Rotieren mit einem grobkörnigen Material, vorzugsweise Quarzsand, Splitt oder Glasgranulat, erfolgen. Unter einer abrasiven Behandlung wird insbesondere eine Behandlung verstanden, bei welcher das Bindemittel durch Abrieb ab- getragen wird.Pivoting or rotating with a coarse-grained material, preferably quartz sand, chippings or glass granules done. An abrasive treatment is understood in particular to mean a treatment in which the binder is removed by abrasion.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: a) Herstellen des ersten und des zweiten Deckels, der ersten und zweiten Trägerplatte und der Rohre aus dem Kohlenstofffa- ser-Verbundstoff ,Preferably, the method comprises the following steps: a) producing the first and the second cover, the first and second carrier plate and the tubes of the carbon fiber composite material,
b) Verkleben der Rohre (16) mit der ersten (18) und der zweiten Trägerplatte (22) undb) bonding the tubes (16) with the first (18) and the second support plate (22) and
c) Verkleben der ersten Trägerplatte (18) mit dem ersten Dek- kel (20) und der zweiten Trägerplatte (22) mit dem zweiten Deckel (24) .c) bonding the first carrier plate (18) with the first lid (20) and the second carrier plate (22) with the second lid (24).
Ein solches Herstellungsverfahren ist besonders bei einer Kleinserienfertigung günstig durchzuführen, weil dazu keine teueren und speziell an die Form des Kühlers angepassten Ma- schinen erforderlich sind und darüber hinaus ohne aufwendige Umstellungsmaßnahmen eine Veränderung der Geometrie des Kühlers entsprechend individueller Kundenwünsche möglich ist.Such a production method is to be carried out favorably, especially in the case of small-batch production, because no expensive machines are needed which are specially adapted to the shape of the cooler and, moreover, without costly conversion measures, it is possible to change the geometry of the cooler according to individual customer requirements.
Vorteilhaft ist es, wenn zusammen mit zumindest einem Teil der Rohre auch aus dem Kohlenstofffaser-Verbundstoff bestehende Kühlrippen hergestellt werden, wobei die Kühlrippen mit der Außenseite der Rohre bei der Herstellung jeweils durch Laminieren verbunden werden.It is advantageous if, together with at least a part of the tubes, cooling ribs also made of the carbon fiber composite material are produced, wherein the cooling ribs are connected to the outside of the tubes during production by lamination in each case.
Die Kühlrippen an der Außenseite der Rohre können mit mindestens einem im Kühler benachbart angeordneten Rohr an dessen außen liegender Oberfläche verklebt werden. Das Verkleben erfolgt vorzugsweise mittels eines Klebers oder des bei der Herstellung des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs eingesetzten Bindemittels. Bevorzugt werden dem Kleber oder dem Bindemittel Kohlenstoffpartikel zugesetzt. Dadurch wird die Wärmeleitfähigkeit über die entstehende Klebestelle hinweg erhöht. Gleichzeitig wird dadurch eine unterschiedliche Wärmeausdehnung der durch Kleben zusammengefügten Komponenten des Küh- lers an der Klebestelle vermieden und dadurch auch die Be- ständigkeit der Verklebung erhöht. Als besonders geeignetes Bindemittel bei der Herstellung des Kohlenstofffaser- Verbundstoffs hat sich ein Epoxidharz erwiesen.The cooling fins on the outer side of the tubes can be glued to at least one adjacent tube in the radiator on its outer surface. The bonding preferably takes place by means of an adhesive or the binder used in the production of the carbon fiber composite. Preferably, carbon particles are added to the adhesive or binder. This increases the thermal conductivity over the resulting splice. At the same time, a different thermal expansion of the glued together components of the cooler at the splice is thereby avoided and thus also the Increased durability of the bond. A particularly suitable binder in the manufacture of the carbon fiber composite has been found to be an epoxy resin.
Zusammen mit zumindest einem Teil der Rohre können auch aus Kohlenstofffaser-Verbundstoff bestehende Innenrippen hergestellt werden, wobei die Innenrippen mit der Innenseite der Rohre bei der Herstellung jeweils durch Laminieren verbunden werden. Unter Laminieren wird verstanden, dass die Kohlen- stofffasern oder das Kohlenstofffasergewebe des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs der Rohre und der Innenrippen bzw. der Kühlrippen teilweise in parallelen Ebenen angeordnet und unter Anwendung von Druck und erhöhter Temperatur dicht zusammengefügt werden. Vorzugsweise werden die Innenrippen dabei in einem Winkel zu einer durch die Form der Rohre vorgegebenen möglichen Durchströmrichtung des Fluids durch die Rohre angeordnet, welcher von 0° und von 90° abweicht, d. h. die Innenrippen werden in einem schrägen Winkel zur Durchströmrichtung angeordnet. Zum Verbinden der Innenrippen mit der Innenseite eines der Rohre durch Laminieren können die zurAlso, carbon fiber composite inner ribs may be produced together with at least a part of the tubes, and the inner ribs are bonded to the inside of the tubes at the time of manufacture by laminating, respectively. Lamination is understood to mean that the carbon fibers or the carbon fiber fabric of the carbon fiber composite of the tubes and the inner fins or fins are partially arranged in parallel planes and sealed together using pressure and elevated temperature. Preferably, the inner ribs are thereby arranged at an angle to a predetermined through the shape of the tubes possible through-flow of the fluid through the tubes, which deviates from 0 ° and from 90 °, d. H. the inner ribs are arranged at an oblique angle to the flow direction. To connect the inner ribs to the inside of one of the tubes by lamination, the
Herstellung der Innenrippen und des Rohrs verwendeten Kohlenstofffasern an einem Formkern aus einer niedrig schmelzenden Metalllegierung angeordnet und anschließend unter Anwendung von Druck und Temperatur zusammengebacken werden . Nach dem Aushärten des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs kann der Formkern durch Schmelzen aus dem Inneren des Rohrs entfernt werden ("verlorener Kern").Carbon fiber used to manufacture the inner ribs and the tube are arranged on a mandrel made of a low-melting metal alloy and then baked together using pressure and temperature. After curing of the carbon fiber composite, the mandrel can be removed by melting from inside the tube ("lost core").
Vorzugsweise wird dem Bindemittel eine solche Menge der Koh- lenstoffpartikel zugesetzt, dass der Anteil der Kohlenstoffpartikel am Gesamtgewicht des Kühlers 1 Gew.-% bis 25 Gew.-%, insbesondere 8 Gew.-% bis 21 Gew.-%, vorzugsweise 15 Gew.-% bis 20 Gew.-%, beträgt. Vorzugsweise werden solche Mengen an Bindemittel, Kohlenstofffasern und Kohlenstoffpartikel einge- setzt, dass der Anteil der Kohlenstofffasern und der Kohlen- Stoffpartikel am Gesamtgewicht des Kühlers zusammen 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%, insbesondere 45 Gew.-% bis 55 Gew.-%, vorzugsweise 49 bis 51 Gew.-%, beträgt. Es können solche Mengen an Bindemittel und Kohlenstofffasern eingesetzt werden, dass der Anteil der Kohlenstofffasern am Gesamtgewicht des Kühlers 15 Gew.-% bis 51 Gew.-%, insbesondere 25 Gew.-% bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 30 Gew.-% bis 35 Gew.-%, beträgt.Preferably, an amount of the carbon particles is added to the binder so that the proportion of carbon particles in the total weight of the cooler 1 wt .-% to 25 wt .-%, in particular 8 wt .-% to 21 wt .-%, preferably 15 wt .-% to 20 wt .-%, is. Preferably, such amounts of binder, carbon fibers and carbon particles are used that the proportion of the carbon fibers and the carbon fibers Fabric particles in the total weight of the cooler together 40 wt .-% to 60 wt .-%, in particular 45 wt .-% to 55 wt .-%, preferably 49 to 51 wt .-%, is. Such amounts of binder and carbon fibers can be used that the proportion of carbon fibers in the total weight of the cooler 15 wt .-% to 51 wt .-%, in particular 25 wt .-% to 45 wt .-%, preferably 30 wt. % to 35 wt .-%, is.
Die Effizienz des Kühlers kann deutlich erhöht werden, wenn die Oberfläche, an welcher die Kohlenstofffasern freigelegt werden, eine Oberfläche an den Kühlrippen und/oder eine außen liegende Oberfläche der Rohre und/oder eine im Inneren der Rohre liegende Oberfläche der Rohre und/oder eine Oberfläche an den Innenrippen ist. Das Freilegen der Oberflächen der Kohlenstofffasern kann chemisch, z. B. durch Ätzen, oder mechanisch, z. B. durch Bestrahlen mittels Partikel oder durch sonstige Verfahren zum Abtragen des Bindemittels, erfolgen. Das Bestrahlen kann mit einem Partikelstrom, insbesondere aus Sand-, Korrund-, Trockeneis- oder Glaspartikel, erfolgen.The efficiency of the cooler can be significantly increased if the surface on which the carbon fibers are exposed has a surface on the cooling fins and / or an outer surface of the tubes and / or a surface of the tubes lying inside the tube and / or Surface on the inner ribs is. The exposure of the surfaces of the carbon fibers may be chemically, z. B. by etching, or mechanically, for. B. by irradiation by means of particles or by other methods for removing the binder done. The irradiation can be carried out with a particle stream, in particular from sand, corundum, dry ice or glass particles.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines erfindungsgemäßen Kühlers zum Kühlen eines flüssigen Kühlmittels eines Motors oder zum Kühlen von Ladeluft für einen Turbolader .The invention further relates to the use of a radiator according to the invention for cooling a liquid coolant of an engine or for cooling charge air for a turbocharger.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to drawings. Show it:
Fig. 1 Eine dreidimensionale Darstellung eines erfin- dungsgemäßen Kühler mit verschiedenen Details,1 shows a three-dimensional representation of a cooler according to the invention with various details,
Fig. 2a und 2b eine dreidimensionale Darstellung eines ersten und zweiten Kastens des Kühlers gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine dreidimensionale Darstellung einer zweiten Trägerplatte des Kühlers gemäß Fig. 1,2a and 2b is a three-dimensional representation of a first and second box of the radiator of FIG. 1, 3 shows a three-dimensional representation of a second carrier plate of the cooler according to FIG. 1, FIG.
Fig. 4 eine dreidimensionale Darstellung eines Rohrs mit Kühlrippen des Kühlers gemäß Fig. 1,4 is a three-dimensional representation of a tube with cooling fins of the radiator of FIG. 1,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kühler im Bereich der Kühlrippen,5 is a sectional view through a cooler according to the invention in the region of the cooling fins,
Fig. 6 eine Schnittdarstellung des Kühlers gemäß Fig.Fig. 6 is a sectional view of the cooler of FIG.
5 entlang der Linie C - C und5 along the line C - C and
Fig. 7 eine Schnittdarstellung des Kühlers gemäß Fig.Fig. 7 is a sectional view of the cooler of FIG.
6 entlang der Linie B - B.6 along the line B - B.
Die Darstellung des Kühlers in Fig. 1 und der zweiten Trägerplatte in Fig. 3 enthält im unteren rechten Bereich des Kühlers bzw. im oberen Teil der Trägerplatte drei rechtwinklig zueinander angeordnete Pfeile, welche ein dreidimensionales rechtwinkeliges Koordinatensystem andeuten. Diese Pfeile sind nicht Bestandteil des Kühlers oder der zweiten Trägerplatte.The illustration of the cooler in Fig. 1 and the second carrier plate in Fig. 3 in the lower right portion of the radiator or in the upper part of the support plate three orthogonal arrows arranged, which indicate a three-dimensional rectangular coordinate system. These arrows are not part of the cooler or the second carrier plate.
Fig. 1 zeigt einen Kühler 10 mit einem ersten Kasten 12 und einem zweiten Kasten 14, welche durch flache Rohre 16 mitein- ander verbunden sind. Die in der oberen Detaildarstellung dargestellten Kühlrippen 30 sind an den mit 26 gekennzeichneten Stellen mit dem Rohr 16 durch Laminieren verbunden, d. h. ein Teil der die Kühlrippen 30 bildenden Kohlenstofffasern ist parallel zur Oberfläche des Rohr ausgerichtet und mit diesem durch das Bindemittel des Kohlenstofffaser-1 shows a cooler 10 with a first box 12 and a second box 14, which are connected to one another by flat tubes 16. The cooling fins 30 shown in the upper detail illustration are connected to the pipe 16 by lamination at the points indicated at 26, i. H. a part of the carbon fibers forming the cooling fins 30 is aligned parallel to the surface of the tube and with this through the binder of the carbon fiber
Verbundstoffs verbunden. An den mit 28 gekennzeichneten Stellen sind die Kühlrippen jeweils mit dem benachbarten Rohr 16 durch Verkleben verbunden. Die untere Detaildarstellung zeigt eines der als Flachrohre ausgebildeten Rohre 16, wobei der Übersichtlichkeit wegen die Kühlrippen 30 nicht dargestellt sind.Composite connected. At the points marked 28, the cooling fins are each connected to the adjacent pipe 16 by gluing. The lower detail shows one of the tubes 16 formed as flat tubes, wherein the Clarity because of the cooling fins 30 are not shown.
Fig. 2a zeigt, dass der ersten Kasten 12 aus einem Deckel 20 und einer ersten Trägerplatte 18 gebildet ist. Fig. 2b zeigt, dass der zweite Kasten 14 aus einer zweiten Trägerplatte 22 und einem damit verbundenen Deckel 24 gebildet ist. Die Rohre 16 sind dabei jeweils mit der ersten 18 und der zweiten Trägerplatte 22 verbunden. Die zweite Trägerplatte 22 ist im De- tail in Fig. 3 dargestellt. Durch das Vorsehen einer ersten 18 und einer zweiten Trägerplatte 22 können die Rohre 16 besonders gut durch Kleben mit dem ersten 12 und dem zweiten Kasten 14 verbunden werden, weil die Rohre zum Kleben von der Rückseite der ersten 18 und zweiten Trägerplatte 22 her zu- gänglich sind.FIG. 2 a shows that the first box 12 is formed from a lid 20 and a first carrier plate 18. FIG. 2b shows that the second box 14 is formed from a second carrier plate 22 and a lid 24 connected thereto. The tubes 16 are in each case connected to the first 18 and the second support plate 22. The second carrier plate 22 is shown in detail in FIG. By providing a first support plate 18 and a second support plate 22, the tubes 16 can be bonded particularly well by gluing to the first 12 and the second box 14, because the tubes for gluing from the back of the first 18 and second support plate 22 accessible are.
Fig. 4 zeigt ein als Flachrohr ausgebildetes Rohr 16 mit Kühlrippen 30. Die Kühlrippen 30 sind auf den beiden Seiten des Rohrs 16 jeweils versetzt zueinander angeordnet. Dadurch wird die Stabilität des Rohrs 16 weiter erhöht. Darüber hinaus können auf diese Art und Weise Rohre geschaffen werden, deren Kühlrippen jeweils mit einem benachbart im Kühler parallel dazu angeordneten gleichen Rohr verklebt werden können, weil durch die versetzte Anordnung jeweils Raum für eine Kühlrippe des benachbarten Rohrs 16 gelassen wird. Fig. 4 zeigt auch, dass das flache Rohr 16 eine Krümmung aufweist. Durch die Möglichkeit, sehr flache und gekrümmte Rohre zu schaffen, können die aerodynamischen Eigenschaften und die Effizienz des Kühlers verbessert werden.FIG. 4 shows a tube 16 with cooling fins 30 designed as a flat tube. The cooling fins 30 are arranged on the two sides of the tube 16 offset relative to each other. As a result, the stability of the tube 16 is further increased. In addition, tubes can be created in this way, the cooling fins can be glued in each case with an adjacent tube arranged in parallel to the same tube, because each room for a fin of the adjacent tube 16 is left by the staggered arrangement. Fig. 4 also shows that the flat tube 16 has a curvature. The ability to create very flat and curved tubes can improve the aerodynamic properties and efficiency of the radiator.
Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung des Kühlers 10 im Bereich der Kühlrippen parallel zu der Längsachse eines der Rohre. Es wird deutlich, dass die Kühlrippen 30 ebenfalls eine Krümmung aufweisen können. Darüber hinaus ist gezeigt, dass die erste 18 und zweite Trägerplatte 22 jeweils einen Sockel 23 aufweisen, in welchem das Rohr 16 teilweise aufgenommen ist. Dadurch wird die Druckbeständigkeit des Kühler weiter erhöht.Fig. 5 shows a sectional view of the radiator 10 in the region of the cooling fins parallel to the longitudinal axis of one of the tubes. It is clear that the cooling fins 30 may also have a curvature. In addition, it is shown that the first 18 and second support plate 22 each one Socket 23 have, in which the tube 16 is partially received. This further increases the pressure resistance of the radiator.
Fig. 6 zeigt eine Schnittdarstellung des Kühlers 10 entlang der Linie C - C gemäß Fig. 5. Fig. 7 zeigt eine Schnittdarstellung des Kühlers 10 entlang der Linie B - B gemäß Fig. 6 Dabei ist deutlich die Trägerplatte 22 zu sehen, welche Sok- kel 23 aufweist, welche die Rohre 16 umgeben. Fig. 6 shows a sectional view of the radiator 10 along the line C - C of FIG. 5. Fig. 7 shows a sectional view of the radiator 10 along the line B - B of FIG. 6 Here, clearly, the support plate 22 can be seen, which Sok - Kel 23 which surround the tubes 16.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kühler (10) zum Kühlen eines Fluids, wobei der Kühler (10) einen ersten Kasten (12) mit einem ersten Anschluss zum Zuführen des Fluids und einen zweiten Kasten (14) mit einem zweiten Anschluss zum Ableiten des Fluids aufweist, wobei der erste Kasten (12) mit dem zweiten Kasten (14) fluidleitend durch Rohre (16) verbunden ist, wobei der Kühler so aufgebaut ist, dass das Fluid den Kühler vom ersten Anschluss über die Rohre (16) zum zweiten Anschluss durchströmen kann, wobei die Rohre (16) aus einem Kohlenstofffasern und ein Bindemittel enthaltenden Kohlenstofffaser-Verbundstoff bestehen, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs dadurch erhöht ist, dass an einer Oberfläche des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs freiliegende Kohlenstofffasern vorhanden sind und/oder dass der Kohlenstofffaser-Verbundstoff Kohlen- stoffpartikel enthält.A radiator (10) for cooling a fluid, the radiator (10) having a first box (12) with a first port for supplying the fluid and a second box (14) with a second port for discharging the fluid first box (12) with the second box (14) fluidly connected by tubes (16), wherein the cooler is constructed so that the fluid can flow through the radiator from the first port via the tubes (16) to the second port, said Tubes (16) consist of a carbon fiber and a binder-containing carbon fiber composite, wherein the thermal conductivity of the carbon fiber composite is increased by the fact that on a surface of the carbon fiber composite exposed carbon fibers are present and / or that the carbon fiber composite carbon particles contains.
2. Kühler (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Kasten (12) durch eine mit einem ersten Deckel (20) verbundene erste Trägerplatte (18) und der zweite Kasten (14) durch eine mit ei- nem zweiten Deckel (24) verbundene zweite Trägerplatte (22) gebildet wird, wobei die Rohre (16) auf einer eine erste Rohröffnung aufweisenden ersten Seite mit der ersten Trägerplatte (18) und auf einer eine zweite Rohröffnung aufweisenden zweiten Seite mit der zweiten Trägerplatte (22) verbunden sind.2. cooler (10) according to claim 1, wherein the first box (12) by a first cover (20) connected to the first support plate (18) and the second box (14) by a with a second cover (24). connected second carrier plate (22) is formed, wherein the tubes (16) on a first tube opening having a first side with the first support plate (18) and on a second tube opening having a second side with the second support plate (22) are connected.
3. Kühler (10) nach Anspruch 2, wobei an der ersten (18) und/oder der zweiten Trägerplatte (22) oder am ersten (12) und/oder zweiten Kasten (14) für jedes Rohr (16) jeweils ein Sockel (23) vorgesehen ist, welcher das Rohr (16) teilweise umgibt . 3. cooler (10) according to claim 2, wherein at the first (18) and / or the second support plate (22) or the first (12) and / or second box (14) for each tube (16) each have a base ( 23) is provided which partially surrounds the tube (16).
4. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste (12) und/oder der zweite Kasten (14) und/oder die erste (18) und/oder die zweite Trägerplatte (22) aus dem Kohlenstofffaser-Verbundstoff bestehen.4. cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the first (12) and / or the second box (14) and / or the first (18) and / or the second carrier plate (22) made of the carbon fiber composite material ,
5. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rohre (16) zum Ableiten von Wärme von den Rohren (16) an den außen liegenden Oberflächen der Rohre (16) mit diesen Oberflächen jeweils verbundene aus dem Kohlenstofffaser- Verbundstoff bestehende Kühlrippen (30) aufweisen.A cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the tubes (16) for dissipating heat from the tubes (16) on the outboard surfaces of the tubes (16) are respectively joined to said surfaces by carbon fiber composite cooling fins (30).
6. Kühler (10) nach Anspruch 5, wobei die Kühlrippen (30) mit der Außenseite der Rohre (16) durch Laminieren verbunden sind.6. The cooler (10) according to claim 5, wherein the cooling fins (30) are connected to the outside of the tubes (16) by lamination.
7. Kühler (10) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Kühlrippen (30) an mindestens einem der Rohre (16) mit mindestens einem im Kühler (10) benachbart angeordneten Rohr (16), insbesondere mittels eines Klebers oder des Bindemittels, welcher/welches Kohlenstoffpartikel enthält, verklebt sind.7. cooler (10) according to claim 5 or 6, wherein the cooling fins (30) on at least one of the tubes (16) with at least one adjacent cooler (10) arranged tube (16), in particular by means of an adhesive or the binder, which / which contains carbon particles are glued.
8. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rohre (16) an den innen liegenden Oberflächen der Rohre (16) mit diesen Oberflächen jeweils, insbesondere durch Laminieren, verbundene aus Kohlenstofffaser-Verbundstoff bestehende Innenrippen aufweisen.8. cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the tubes (16) on the inner surfaces of the tubes (16) with these surfaces in each case, in particular by lamination, connected carbon fiber composite inner ribs.
9. Kühler (10) nach Anspruch 8, wobei die Innenrippen in einem von 0° und 90° zu einer durch die Form der Rohre (16) vorgegebenen möglichen Durchströmrichtung des Fluids durch die Rohre (16) abweichenden Winkel angeordnet sind.9. cooler (10) according to claim 8, wherein the inner ribs are arranged in a 0 ° and 90 ° to a predetermined by the shape of the tubes (16) possible flow direction of the fluid through the tubes (16) deviating angle.
10. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rohre (16) senkrecht zu einer Durchströmrichtung einen nicht-runden Querschnitt aufweisen. 10. cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the tubes (16) perpendicular to a flow direction have a non-circular cross-section.
11. Kühler (10) nach Anspruch 10, wobei die Rohre (16) senkrecht zu der Durchströmrichtung jeweils einen länglichen Querschnitt aufweisen.11. cooler (10) according to claim 10, wherein the tubes (16) perpendicular to the flow direction each having an elongated cross-section.
12. Kühler (10) nach Anspruch 11, wobei der Querschnitt eine Krümmung aufweist.12. The cooler (10) of claim 11, wherein the cross section has a curvature.
13. Kühler (10) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Verhältnis der längsten zur kürzesten möglichen mittig durch die Querschnittsfläche verlaufenden, insbesondere gekrümmten, Strecke mindestens 5:1, vorzugsweise mindestens 10:1, insbe- sondere mindestens 20:1 beträgt.13. A cooler (10) according to claim 11 or 12, wherein the ratio of the longest to the shortest possible centrally through the cross-sectional area extending, in particular curved, distance is at least 5: 1, preferably at least 10: 1, in particular at least 20: 1.
14. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rohre (16) in einer Richtung längs der Rohre (16) jeweils senkrecht zu der Richtung aufeinanderfolgende Querschnitte aufweisen, deren jeweilige Flächen zunehmen.The radiator (10) according to any one of the preceding claims, wherein the tubes (16) in a direction along the tubes (16) each have perpendicular to the direction consecutive cross-sections whose respective areas increase.
15. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kohlenstofffaser-Verbundstoff ein Harz, insbesondere ein Epoxidharz, als Bindemittel enthält.15. A cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the carbon fiber composite material contains a resin, in particular an epoxy resin, as a binder.
16. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs, an welcher freiliegende Kohlenstofffasern vorhanden sind, eine16. The cooler (10) according to one of the preceding claims, wherein the surface of the carbon fiber composite, on which exposed carbon fibers are present, a
Oberfläche an den Kühlrippen (30) und/oder eine außen liegende Oberfläche der Rohre (16) ist.Surface on the cooling fins (30) and / or an outer surface of the tubes (16).
17. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des Kohlenstofffaser-Verbundstoffs, an welcher freiliegende Kohlenstofffasern vorhanden sind, eine im Inneren der Rohre (16) liegende Oberfläche der Rohre (16) und/oder eine Oberfläche an den Innenrippen ist. A cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the surface of the carbon fiber composite having exposed carbon fibers has a surface of the tubes (16) inside the tubes (16) and / or a surface on the inner ribs is.
18. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil der Kohlenstoffpartikel am Gesamtgewicht des Kühlers (10) 1 Gew.-% bis 25 Gew.-%, insbesondere 8 Gew.-% bis 21 Gew.-%, vorzugsweise 15 Gew.-% bis 20 Gew.-%, beträgt.18. cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the proportion of carbon particles in the total weight of the cooler (10) 1 wt .-% to 25 wt .-%, in particular 8 wt .-% to 21 wt .-%, preferably 15 wt .-% to 20 wt .-%, is.
19. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil der Kohlenstofffasern und der Kohlenstoffpartikel am Gesamtgewicht des Kühlers (10) zusammen 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%, insbesondere 45 Gew.-% bis 55 Gew.-%, vorzugsweise 49 bis 51 Gew.-%, beträgt.19. cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the proportion of the carbon fibers and the carbon particles in the total weight of the cooler (10) together 40 wt .-% to 60 wt .-%, in particular 45 wt .-% to 55 wt. -%, preferably 49 to 51 wt .-%, is.
20. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil der Kohlenstofffasern am Gesamtgewicht des Kühlers (10) 15 Gew.-% bis 51 Gew.-%, insbesondere 25 Gew.-% bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 30 Gew.-% bis 35 Gew.-%, beträgt.20. cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the proportion of the carbon fibers in the total weight of the cooler (10) 15 wt .-% to 51 wt .-%, in particular 25 wt .-% to 45 wt .-%, preferably 30 wt .-% to 35 wt .-%, is.
21. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo- bei die Rohre (16) mit dem ersten (12) und/oder dem zweiten21. The cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the tubes (16) with the first (12) and / or the second
Kasten (14) oder mit der ersten (18) und/oder zweiten Trägerplatte (22), insbesondere mittels Epoxidharz, durch Verkleben verbunden sind.Box (14) or with the first (18) and / or second support plate (22), in particular by means of epoxy resin, are adhesively bonded.
22. Kühler (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 21, wobei der erste Deckel (20) mit der ersten Trägerplatte (18) und/oder der zweiten Deckel (24) mit der zweiten Trägerplatte (22) durch Verkleben, insbesondere mittels Epoxidharz, verbunden ist.22, cooler (10) according to one of claims 2 to 21, wherein the first cover (20) with the first support plate (18) and / or the second cover (24) with the second support plate (22) by gluing, in particular by means of epoxy resin , connected is.
23. Kühler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo- bei das Fluid ein flüssiges Kühlmittel eines Motors oder23. cooler (10) according to any one of the preceding claims, wherein the fluid is a liquid coolant of an engine or
Ladeluft für einen Turbolader ist.Charge air for a turbocharger is.
24. Verfahren zum Herstellen eines Kühlers (10) aus einem Kohlenstofffaser-Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einzelne Komponenten des Kühlers (10) durch Erhitzen von Kohlenstofffasern und eines die Kohlenstofffasern umgebenden Bindemittels in jeweils einer Form unter Druck und anschließendem Abkühlen und Lösen der Komponenten von der jeweiligen Form hergestellt und anschließend durch Verkleben zum Kühler (10) zusammengefügt werden, wobei zum Verbessern der Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstofffaser- Verbundstoffs vor oder nach dem Zusammenfügen an einer Oberfläche mindestens einer der Komponenten Kohlenstofffasern durch Abtragen des einen Teil der Oberflächen der Kohlen- stofffasern umgebenden Bindemittels freigelegt werden und/oder wobei dem Bindemittel Kohlenstoffpartikel zugesetzt werden .24. A method for producing a cooler (10) made of a carbon fiber composite material according to any one of the preceding claims, wherein individual components of the radiator (10) by Heating carbon fibers and a binder surrounding the carbon fibers in one mold under pressure and then cooling and dissolving the components of the respective mold, and then bonding them together to the radiator (10), to improve the thermal conductivity of the carbon fiber composite before or after joining to a surface of at least one of the components, carbon fibers are exposed by ablating the binder surrounding part of the surfaces of the carbon fibers and / or adding carbon particles to the binder.
25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Abtragen des Bindemittels chemisch, insbesondere durch Ätzen, oder mecha- nisch, insbesondere durch Bestrahlen mittels Partikel, vorzugsweise aus Sand-, Korrund-, Trockeneis- oder Glas, oder durch eine abrasive Behandlung, insbesondere durch Rütteln, Schwenken oder Rotieren mit einem grobkörnigen Material, vorzugsweise Quarzsand, Splitt oder Glasgranulat, erfolgt.25. The method of claim 24, wherein the removal of the binder chemically, in particular by etching, or mechanically, in particular by irradiation by means of particles, preferably from sand, corundum, dry ice or glass, or by an abrasive treatment, in particular by Shaking, panning or rotating with a coarse-grained material, preferably quartz sand, grit or glass granules occurs.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:26. The method according to claim 24 or 25, wherein the method comprises the following steps:
a) Herstellen des ersten (20) und des zweiten Deckels (24), der ersten (18) und zweiten Trägerplatte (22) und der Rohre (16) aus dem Kohlenstofffaser-Verbundstoff,a) producing the first (20) and the second cover (24), the first (18) and second support plate (22) and the tubes (16) from the carbon fiber composite material,
b) Verkleben der Rohre (16) mit der ersten (18) und der zweiten Trägerplatte (22) undb) bonding the tubes (16) with the first (18) and the second support plate (22) and
c) Verkleben der ersten Trägerplatte (18) mit dem ersten Dek- kel (20) und der zweiten Trägerplatte (22) mit dem zweiten Deckel (24) . c) bonding the first carrier plate (18) with the first lid (20) and the second carrier plate (22) with the second lid (24).
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei zusammen mit zumindest einem Teil der Rohre (16) auch aus dem Kohlenstofffaser-Verbundstoff bestehende Kühlrippen (30) hergestellt werden, wobei die Kühlrippen mit der Außenseite der Rohre (16) bei der Herstellung jeweils durch Laminieren verbunden werden .27. The method according to any one of claims 24 to 26, wherein together with at least a portion of the tubes (16) also of the carbon fiber composite existing cooling ribs (30) are produced, wherein the cooling fins with the outside of the tubes (16) in the manufacture each connected by lamination.
28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Kühlrippen (30) mit mindestens einem im Kühler (10) benachbart angeordneten Rohr (16) an dessen außen liegender Oberfläche verklebt wer- den.28. The method according to claim 27, wherein the cooling ribs (30) are adhesively bonded to at least one tube (16) arranged adjacently in the cooler (10) on its outer surface.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, wobei das Verkleben mittels eines Klebers oder mittels des Bindemittels erfolgt .29. The method according to any one of claims 24 to 28, wherein the bonding takes place by means of an adhesive or by means of the binder.
30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei dem Kleber oder dem Bindemittel KohlenstoffPartikel zugesetzt werden.A method according to claim 29, wherein carbon particles are added to the adhesive or binder.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei das Bindemittel ein Epoxidharz ist.31. The method according to any one of claims 24 to 30, wherein the binder is an epoxy resin.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, wobei zusammen mit zumindest einem Teil der Rohre (16) auch aus Koh- lenstofffaser-Verbundstoff bestehende Innenrippen hergestellt werden, wobei die Innenrippen mit der Innenseite der Rohre (16) bei der Herstellung jeweils durch Laminieren verbunden werden .32. The method according to any one of claims 24 to 31, wherein together with at least a part of the tubes (16) made of carbon fiber composite existing inner ribs, wherein the inner ribs with the inside of the tubes (16) in the manufacture by Laminating be connected.
33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Innenrippen in ei- nem von 0° und 90° zu einer durch die Form der Rohre (16) vorgegebenen möglichen Durchströmrichtung des Fluids durch die Rohre (16) abweichenden Winkel angeordnet werden. 33. Method according to claim 32, wherein the inner ribs are arranged in an angle deviating from 0 ° and 90 ° to a possible flow direction of the fluid which is predetermined by the shape of the tubes (16) through the tubes (16).
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 33, wobei dem Bindemittel eine solche Menge der Kohlenstoffpartikel zugesetzt wird, dass der Anteil der Kohlenstoffpartikel am Gesamtgewicht des Kühlers (10) 1 Gew.-% bis 25 Gew.-%, insbe- sondere 8 Gew.-% bis 21 Gew.-%, vorzugsweise 15 Gew.-% bis 20 Gew.-%, beträgt.34. The method according to any one of claims 24 to 33, wherein the binder such an amount of carbon particles is added that the proportion of carbon particles in the total weight of the cooler (10) 1 wt .-% to 25 wt .-%, in particular 8 Wt .-% to 21 wt .-%, preferably 15 wt .-% to 20 wt .-%, is.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 34, wobei solche Mengen an Bindemittel, Kohlenstofffasern und Kohlenstoff- Partikel eingesetzt werden, dass der Anteil der Kohlenstoff- fasern und der Kohlenstoffpartikel am Gesamtgewicht des Kühlers (10) zusammen 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%, insbesondere 45 Gew.-% bis 55 Gew.-%, vorzugsweise 49 bis 51 Gew.-%, beträgt.35. The method according to any one of claims 24 to 34, wherein such amounts of binder, carbon fibers and carbon particles are used, that the proportion of the carbon fibers and the carbon particles in the total weight of the cooler (10) together from 40 wt .-% to 60 Wt .-%, in particular 45 wt .-% to 55 wt .-%, preferably 49 to 51 wt .-%, is.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 35, wobei solche Mengen an Bindemittel und Kohlenstofffasern eingesetzt werden, dass der Anteil der Kohlenstofffasern am Gesamtgewicht des Kühlers (10) 15 Gew.-% bis 51 Gew.-%, insbesondere 25 Gew.-% bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 30 Gew.-% bis 35 Gew.- %, beträgt.36. The method according to any one of claims 24 to 35, wherein such amounts of binder and carbon fibers are used, that the proportion of carbon fibers in the total weight of the cooler (10) from 15 wt .-% to 51 wt .-%, in particular 25 wt .-%. % to 45 wt .-%, preferably 30 wt .-% to 35 wt%, is.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 36, wobei die Oberfläche, an welcher die Kohlenstofffasern freigelegt werden, eine Oberfläche an den Kühlrippen (30) und/oder eine außen liegende Oberfläche der Rohre (16) und/oder eine im Inneren der Rohre (16) liegende Oberfläche der Rohre (16) und/oder eine Oberfläche an den Innenrippen ist.37. Method according to claim 24, wherein the surface on which the carbon fibers are exposed has a surface on the cooling fins (30) and / or an outer surface of the tubes (16) and / or one inside the tubes (16) lying surface of the tubes (16) and / or a surface on the inner ribs.
38. Verwendung eines Kühlers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zum Kühlen eines flüssigen Kühlmittels eines Motors oder zum Kühlen von Ladeluft für einen Turbolader. 38. Use of a radiator (10) according to any one of claims 1 to 23 for cooling a liquid coolant of an engine or for cooling charge air for a turbocharger.
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