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EP1492990A2 - Heat exchanger and cooling system - Google Patents

Heat exchanger and cooling system

Info

Publication number
EP1492990A2
EP1492990A2 EP03732268A EP03732268A EP1492990A2 EP 1492990 A2 EP1492990 A2 EP 1492990A2 EP 03732268 A EP03732268 A EP 03732268A EP 03732268 A EP03732268 A EP 03732268A EP 1492990 A2 EP1492990 A2 EP 1492990A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
coolant
pipe
heat transfer
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03732268A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Ambros
Wolfgang Dreher
Bruno Knauf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Publication of EP1492990A2 publication Critical patent/EP1492990A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01PCOOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00Controlling of coolant flow
    • F01P7/14Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01PCOOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P5/00Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • F01P5/12Pump-driving arrangements
    • F01P2005/125Driving auxiliary pumps electrically

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger and a cooling system, in particular for use in a motor vehicle.
  • a heat exchanger and a cooling system in particular for use in a motor vehicle.
  • the invention is described below with regard to use on a motor vehicle, it should be pointed out that the heat exchanger and the cooling system according to the invention can also be used for other cooling processes.
  • cooling systems are used in motor vehicles, e.g. to give off the waste heat of the internal combustion engine to the environment.
  • Water is generally used as the coolant, which contains additives such as antifreeze.
  • the coolant cooler the heat given off by the engine in the cooling circuit is dissipated to the environment by passing an air stream past the surfaces of the coolant cooler.
  • cooling medium is the (external) medium to which the cooling capacity of the cooling circuit is given.
  • cooling medium is the (external) medium to which the cooling capacity of the cooling circuit is given.
  • the waste heat of the engine is absorbed by the coolant contained in the cooling circuit.
  • the coolant cooler the waste heat from the cooling then removed to the coolant flowing through the coolant cooler. In a conventional cooling circuit, this is the cooling air.
  • the heat-emitting surface of the coolant cooler is increased by dividing the coolant flow into a number of parallel coolant pipes, on which cooling fins are arranged, in order to effectively dissipate the heat to the environment.
  • thermodynamic data such as thermal output at given operating temperatures of the coolant and the environment and maximum pressure loss at a given mass flow of the coolant in the operating state are specified.
  • the pressure loss is limited with regard to the performance and dimensioning of the coolant pump.
  • the individual components of the cooling circuit are designed for so-called critical operating states of the vehicle, in which, for example, when driving uphill under certain load conditions and prevailing outside temperatures, a predetermined amount of heat must be able to be released to the environment without exceeding the permissible limit temperatures.
  • heat exchangers for coolant circuits in motor vehicles are designed in such a way that the flow resistance is low at maximum heat transfer performance.
  • Maximum flow losses on the coolant side in the heat exchanger or heat transfer network are specified, which must not be exceeded,
  • the object of the invention to provide a heat exchanger which, with the same heat transfer properties, allows the power requirement for the pump of the cooling circuit to be reduced. It is furthermore preferably an aspect of the object of the invention to provide a cooling system in which overall a smaller pump output is possible to overcome the flow resistances in the coolant circuit.
  • the heat exchanger according to the invention is the subject of claim 1.
  • the cooling system according to the invention is the subject of claim 9.
  • Preferred developments are the subject of the dependent claims.
  • the heat exchanger according to the invention is particularly, but not only, intended for use in a cooling circuit of a motor vehicle.
  • At least one heat transfer network is provided between the coolant inlet and the coolant outlet of the heat exchanger.
  • At least one heat transfer network comprises at least one pipe device, wherein the pipe device or the pipe devices are provided to transport coolant through the heat exchanger from the coolant inlet to the coolant outlet while the waste heat is dissipated.
  • a characteristic hydraulic diameter of a pipe device is less than or equal to 2.0 mm in a heat exchanger according to the invention.
  • the hydraulic diameter d hy d r is defined as four times the cross-sectional area divided by the inner circumferential area, as is also used, for example, in the VDI Heat Atlas when designating multi-chamber pipes.
  • the hydraulic diameter d hy r denotes the hydraulic diameter of all parallel flowed through chambers.
  • the cross-sectional area denotes the inner cross-sectional area that is available for the flow of the coolant.
  • the inner circumference is the circumference around the flow channel device inside the pipe device.
  • the hydraulic diameter d hydr is equal to the diameter of the Pipe device d is.
  • the hydraulic diameter d hydr corresponds to an inner side length of the pipe device.
  • the heat exchanger according to the invention has many advantages.
  • Heat exchangers for coolant circuits of motor vehicles that have become known in the prior art have a hydraulic diameter d hy dr, which is, for example, 2.8 mm and larger. Such hydraulic diameters are chosen in order to minimize flow losses in the heat exchanger.
  • a heat exchanger according to the invention to reduce the coolant mass flow in the cooling circuit of a motor vehicle.
  • incompressible cooling media such as cooling water
  • a reduction in the coolant mass flow leads directly to a proportional reduction in the flow rate of the coolant in the cooling circuit. Since the flow loss in the cooling circuit is proportional to the square of the speed of the coolant, a reduction in the Coolant mass flow to about 70%, a halving of the flow losses in the overall circuit and a reduction in the hydraulic delivery capacity DP times the volume flow to approx. 35%.
  • the flow resistance in the heat exchanger is increased by the small hydraulic diameter of the pipe devices in the heat exchanger.
  • the flow rate of the coolant can be reduced while the heat output remains the same outside the cooler, so that the flow rate of the coolant in the periphery is significantly lower than with a conventional heat exchanger.
  • Peripherals are understood here to mean all components and component areas in the cooling circuit through which coolant flows, with the exception of the pipe devices.
  • the pump output required to overcome the flow loss in the heat exchanger can be considerably higher (e.g. factor 2 or 4) than with a conventional heat exchanger, the higher heat transfer capacity of the heat exchanger can reduce the amount of coolant circulating required for cooling.
  • the required pump output of the pump device is reduced, so that the present invention allows overall energy to be used to operate the pump (e.g. factor 1, 5 or 2).
  • the saving effect on primary energy is greater, since the conversion losses from mechanical energy into electrical energy are also lower.
  • Another advantage of the heat exchanger according to the invention is that when an electrical pump device is used, an electrical pump with a significantly lower electrical output can be used, so that costs for the pump, battery, alternator, etc. can be saved. Gas and particularly preferably air are used as coolants to absorb the amount of heat removed.
  • the invention or an advantageous development of the invention can also be used in a heating circuit or in any cooling circuit.
  • the invention can also be used in parallel circuits or in multi-circuit systems.
  • At least a multiplicity of essentially identical pipe devices are provided. It is also possible for a first type of tube device to be provided with a first plurality and for a second or even more type of tube devices with a second (third etc.) number in each case.
  • At least the cross section of at least one type of pipe device is taken from a group of cross-sectional shapes, which comprises round and circular, elliptical, oval, angular, rectangular, triangular, square and rounded modifications of the cross-sectional shapes mentioned.
  • the cross section of at least one pipe device is preferably substantially constant over at least one length section along the pipe device. It is preferred to use flat pipe devices in which the flow channel of the cooling medium has a relatively small width and a relatively high depth (in each case transverse to the flow direction of the cooling medium).
  • a pipe device contains, for example, pipe segments.
  • the pipe devices can also be provided with turbulence insert devices or fin devices in the pipe devices in order to increase the turbulence and the heat transfer. The characteristic hydraulic diameter is not changed by these fin devices and turbulence insert devices.
  • essentially all the pipe devices are arranged essentially parallel to one another, the cooling medium passing transversely through the pipe devices arranged essentially in parallel.
  • Rib devices are preferably provided on the pipe devices, which can have gill devices in order to increase the heat transfer on the outside of the pipe devices.
  • a characteristic cross-sectional ratio of the depth of a pipe device in the flow direction of the cooling medium to the height of a pipe device is between 1 and 100 and preferably between 7 and 50, particularly preferably between 15 and 50, particularly preferably between 20 and 30.
  • the pipe devices have a substantially greater extent in the flow direction of the cooling medium than in a direction perpendicular thereto and to the flow direction of the coolant.
  • the numerical values mentioned can relate to the external or internal dimensions of the pipe devices.
  • the coolant contains water as an essential constituent, wherein the coolant can also have additives such as antifreeze and other additives. It is equally possible that the coolant contains waterless or only a small amount of water.
  • the invention can also be used in radiators. It is also possible for the invention to be used for cooling or heating engine oil, gear oil or fuel, for example of a motor vehicle. is set. Depending on the application, the coolant may contain oil or other coolants known in the prior art.
  • Gas and particularly preferably air are preferably used as the cooling medium on the outside of the pipe devices.
  • the cooling system has at least one pump device, at least one heat source device (such as a motor device) and at least one heat exchanger device, the heat exchanger device comprising at least one heat transfer network device.
  • the pump device, the heat exchanger device and the heat source device are connected to form an essentially closed cooling circuit and are flowed through by at least one coolant.
  • the pressure loss of the heat transfer network device of the heat exchanger device in relation to the pressure loss in the entire coolant circuit, assessed before and after the pump device, is at least 12%, preferably more than 15%.
  • the cooling system according to the invention has many advantages.
  • the pressure loss of the heat transfer network device is preferably in the range between 15 and 90% of the pressure loss in the entire coolant circuit in the operating state and particularly preferably in the range between 20% and 70%. It is preferably at least 30%.
  • the heat transfer network device comprises pipe devices, at least one pipe device being taken from a group of pipe devices, the pipe devices with hydraulic diameters ⁇ 2 mm and in particular in the hydraulic diameter range between 1 and 1.8 mm, and dimple pipes , Pipe devices with turbulence insert devices and the like includes more.
  • Turbulence deposits can For example, be (metal) spirals or foils or threads that are introduced into the pipe devices.
  • the coolant flow in the heat exchanger device is deflected at least once.
  • the coolant flow in the heat exchanger device can also be deflected 2, 3, 4, 5, 6 or more times.
  • a heat exchanger device particularly preferably has a fin density in the range between 50 and 120 per decimeter length of the pipe device, the thickness of the individual fins being between 0.01 and 0.5 mm, preferably between 0.05 and 0.2 mm.
  • the total flow resistance in the cooling circuit is usually essentially determined by the flow resistances in the connecting hoses, the water boxes, the heat transfer network of the heat exchanger, the thermostats connected in series and the engine block.
  • FIG. 2 shows a first heat transfer network for the heat exchanger according to the invention
  • FIG. 3 shows a heat transfer network for a second heat exchanger according to the invention
  • FIG. 4 shows a heat transfer network for a third heat exchanger according to the invention
  • FIG. 5 shows a diagram for determining an optimal hydraulic diameter for a first tube wall thickness
  • FIG. 6 shows a further diagram for determining an optimal hydraulic diameter with a second tube wall thickness
  • FIG. 7 shows a diagram for determining an optimal fin density for a given tube wall thickness
  • the coolant system 1 shows an exemplary embodiment of a cooling system 1 according to the invention.
  • the coolant system 1 is intended for use in a motor vehicle and is used to cool the engine 5.
  • the heated coolant emerging from the engine is passed through the thermostat 7 and enters a water tank 4 of the heat exchanger 2.
  • the coolant can also be discharged via the bypass 8 are guided past the heat exchanger 2 and are passed back into the motor 5 via the pump 6.
  • the heat exchanger 2 has a heat transfer network 3.
  • a heat transfer network 3 according to the invention is shown in different embodiments in FIGS. 2, 3 and 4, in which the arrangement and the dimensions of the individual components differ.
  • the heat transfer network shown in FIG. 2 has tubes 11 in the form of flat tubes, which have a depth 12 in the direction of flow of the cooling medium, which is 32 mm in the selected exemplary embodiment.
  • the depth of the flat tubes 11 can also be 10, 12, 16, 20, 24, 32 or even 40 or 48 mm or values in between. However, other values are also possible if the requirements for the heat exchanger so require.
  • the flat tubes 11 according to FIG. 2 have a width 13 of 1.3 mm with a wall thickness 17 which is essentially constant over the circumference of the flat tube and is only 0.26 mm. This corresponds to clear internal dimensions of 31, 48 mm in depth and 0.78 mm in width.
  • D hy dr 1.54.
  • the hydraulic diameter D hy dr is essentially influenced by the inner width of the individual flat tubes, while a greater or lesser extent in depth affects the value of the hydraulic diameter only over a wide range to a small extent.
  • the coolant mass flow can then be reduced with the same heat output of the cooler. If the flow cross-section remains the same, this leads to a reduction in the flow rate of the coolant and thus to lower flow losses.
  • the distance 14 of the individual tubes 11 is 9.3 mm in the exemplary embodiment according to FIG. 2.
  • the rib height of the ribs 15 is 8 mm.
  • the fins are provided with gills 16, so that the boundary layers are always newly formed.
  • the wall thickness 17 of the tubes 11 is 0.26 mm. Smaller or larger wall thicknesses are also possible, such as. B. 0.35 mm. The tendency is to reduce the wall thickness in order to save weight and material and to improve the heat conductor resistance. However, the minimum wall thickness also depends on the pressure within the system.
  • the ribs 15 are on the tubes. 11 soldered, while in the exemplary embodiment according to FIG. 3 they are mechanically fastened or clamped. Rib elements 15 are plugged onto the circular tubes 21 in the exemplary embodiment according to FIG. 3. Anschlies- Send the tubes 21 are stretched so that there is a larger outer diameter. The fin elements 15 are held firmly on the tubes 21.
  • Heat transfer is usually better for soldered connections. Therefore, in the exemplary embodiment according to FIG. 3, when using circular tubes in the heat exchanger, a soldered connection between the fin and the tube can be provided.
  • the inside diameter 18 of the pipes 21 is equal to the hydraulic diameter Dhydr.
  • the pipe devices 23 have an inside diameter 18.
  • the wall thickness 25 is shown in FIG. 4.
  • So-called radius pipes 21 are used in the heat transmission network shown in FIG. 4.
  • the tubes 21 have a depth 12 (in the flow direction of the cooling air) and a maximum width 13.
  • the inner circumferential surface 24 and the flow cross section 23 can be determined with knowledge of the depth 12 and the maximum width 13 as well as the tube wall thickness 25 and the geometric contour.
  • the individual tubes 21 are arranged at a lateral distance 14. As in the exemplary embodiment according to FIG. 3, two rows of heat transfer tubes 21 are provided which have a tube row spacing 19.
  • the Heat transfer block consists of the heat transfer network and the floors.
  • the heat transfer network consists of the coolant tubes with the cooling fins.
  • the diagram was made with reference to a medium-sized car with e.g. B. created a " 1.7 liter diesel engine.
  • the measurement point 30 shown marks a current production model in which, in a certain operating state, a hydraulic delivery capacity of approximately 270 W is required in order to provide the necessary coolant mass throughput for the engine 5 and cooler 7.
  • the wall thickness of the tubes of the heat transfer network was 0.35 mm for FIG. 5 and 0.26 mm for FIG. 6.
  • the measuring points 33, 34 and 35 were derived for a cooling system in which the heat exchanger was provided with different heat transfer networks.
  • measuring point 30 indicates the current state of the art, in which the hydraulic diameter of the tubes used is large and here is approximately 2.5 mm, the hydraulic diameter for measuring point 33 has been reduced to 1.94 mm.
  • the hydraulic diameter at measuring point 34 is 1.56 mm and at measuring point 35 1.3 mm.
  • the periphery is adapted by reducing the flow resistances, for example in the engine, the thermostat, the hoses, the water boxes or the like, the lines drawn in FIGS. 5 and 6 result in accordance with the percentages of the peripheral pressure loss 37, where 100% corresponds to the series condition.
  • measurement point 39 results, at which the necessary hydraulic power in the cooler circuit is only between 60 and 70 watts.
  • Measuring point 40 indicates a pressure loss of approximately 200 mbar in the heat transfer block. It follows from the diagram that the hydraulic power required to overcome the flow resistance in the heat transfer block is just under 30 watts.
  • the power loss in the periphery is approximately 270 watts total loss minus 25 watts block loss and thus approximately 250 watts.
  • An electrically operated pump can also be used here to transport the coolant in the cooling circuit.
  • the dimensioning of the pump 6 in a cooling circuit 1 depends on the critical operating conditions.
  • the pump must be designed in such a way that it can ensure reliable cooling of the motor even in critical operating situations.
  • a pump that would be one or two classes larger than would be a pump that can be used in a cooling system according to the invention would have to be used with the hydraulic outputs required today.
  • High pump outputs of up to 400 or even 600 watts require a larger alternator in the motor vehicle and possibly a change in the on-board voltage used from 12 to 24 volts or 42 volts.
  • the cross-sections of the wiring and connector plugs and the strength of the fuses have to be adapted to the high electrical currents.
  • the use of an electric pump in the cooling circuit further enables the designer of a motor vehicle to arrange the pump independently of the engine. This leads to design freedom and reduces the volume and weight of the engine block itself. This is important, among other things, with regard to the size, shape and location of crumple zones in automobiles.
  • the power that an electric pump can provide is independent of the engine speed, so that reliable cooling can be ensured even at low engine speeds.
  • an electric coolant pump is installed in future motor vehicles for such cases, this can be dimensioned smaller when using a heat transfer network according to the invention and the mechanical pump can be omitted.
  • the heat transfer network according to the invention can also be used in secondary circuits, such as in heating or oil circuits.
  • a smaller dimensioning of the main coolant pump or an additional pump located in the corresponding secondary circuit is also advantageous here.
  • the required hydraulic power is around 95 watts and has been reduced to a third of the hydraulic power in base point 30.
  • the drawn curve 48 shows the optimal conditions for different peripheral pressure losses, which were varied between 40% and 120%.
  • the diagram according to FIG. 6 also shows that for hydraulic diameters ⁇ approximately 2 mm, the hydraulic power required in the cooling circuit decreases sharply until it reaches an optimum, while the overall losses again occur for even smaller hydraulic diameters increase.
  • the result is an optimal hydraulic diameter ⁇ 2 mm, and in particular an optimal hydraulic diameter range between approximately 0.5 and 2 mm.
  • the range between about 1 and 1.7 mm is particularly suitable.
  • FIG. 5 shows a boundary line 71, which in the application example shows a temperature difference of the coolant of 10 K above the engine an explicate.
  • Operating states with higher pressure losses in block than indicated by line 71 indicate temperature differences of the coolant above the engine greater than 10 K.
  • State points on the left (in the orientation of FIG. 5) of line 71 indicate operating states with temperature differences less than 10 K).
  • a boundary line 71 is drawn in FIG. 6, which, as in FIG. 5, indicates a temperature difference of the coolant above the engine of greater than or equal to 10 K.
  • a boundary line 72 is shown in FIG. 6, which indicates a temperature difference or a temperature gradient of the coolant over the engine of 8 K.
  • the operating status line 41 was determined for pipe distances from one pipe to the next of 9.3 mm, the operating status line 42 for pipe distances of 7.3 mm and the operating status line 43 for pipe distances of 5.8 mm. If the fin density is increased to more than 65 fins per dm pipe length, then with a fin spacing of 9.3 mm there is initially a reduction in the required pump output at about 70 to 75 fins per dm, while it rises again to higher fin densities.
  • the required hydraulic output then rises again because, among other things, the free flow cross-section of the cooling air is restricted due to the high fin density, and therefore the heat output transferred is reduced. As a result, the coolant flow in the heating network must be increased so that the flow losses in the cooling circuit increase.
  • the optimal result would be an outer fin density of about 73 fins per dm with a pipe spacing of 9.3 mm.
  • the cooling air flowing through the radiator is not only used to cool the coolant cooler, but can also be used to cool other circuits, such as the air conditioning circuit.
  • FIG. 8 An overview of the change in the cooling air throughput is shown in FIG. 8.
  • the cooling air throughput was plotted against the outer fin density for the pipe distances shown in FIG. 7.
  • Condition point 54 corresponds to condition point 44 in FIG. 7 and was determined for a pipe spacing of 9.3 mm and a number of fins of 65 per dm pipe length.
  • the cooling air throughput drops sharply at all pipe gaps. It follows that a rib density of 65 per In the example shown here, dm is optimal when using a pipe spacing of 9.3 mm, since on the one hand the cooling air throughput increases by a little more than 1.5%, the hydraulic power in the corresponding condition point 45 being approximately 105 watts.
  • the pump output can be reduced by 20, 50, 75 or even more percent, depending on the design of the heat transfer network and the other components of a cooling circuit.
  • Lines 61 to 65 each indicate the relative pressure loss in the periphery of the cooling circuit, that is to say the pressure loss outside the heat transfer network.
  • Line 64 marks the periphery of a current system, while line 61 represents a peripheral pressure loss of 40% compared to a current system.
  • Line 62 represents 60%, line 63 80% and line 65 a loss of 120% in the periphery compared to today's system.
  • Today's heat transfer networks usually have pipe devices with a hydraulic diameter greater than or equal to 2.8 mm.
  • the pressure loss when using today's peripheral components is at least 12% and thus significantly higher.
  • Systems according to the invention have relatively large pressure losses in the heat transmission network. This enables smaller coolant mass flows at higher coolant speeds in the heat transfer network and at the same time higher heat transfer on the inside in the heat transfer network. Outside the heat exchanger, the flow rate can be reduced, so that the total hydraulic power required is reduced.
  • d h ydr 1.52
  • a loss share of 30% if the losses in the periphery are reduced to 80% of the current level. This is possible, for example, with changes to the pipes, water boxes, etc.
  • the pressure loss in the cooling circuit of today's series is, for example, 4% in the hoses, 15% in the water tanks, 9% in the cooler network, 21% in the series-connected thermostat and 51% in the engine block.
  • the coolant mass flow can be reduced, as a result of which the flow rate is reduced. This reduces the absolute loss in the periphery, while the pressure loss in the cooler network increases from, for example, 9% to 20% or even 30%.

Landscapes

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  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

The invention relates to a heat exchanger (2), especially for use in a cooling circuit (1) of a vehicle, comprising at least one heat transfer network (3), whereby the heat transfer network (3) comprises at least one tubular device, and a cooling circuit (1) associated therewith. According to the invention, the tubular device has a characteristic hydraulic diameter which is smaller than or equal to 2.0 mm.

Description

Wärmetauscher und Kühlsystem Heat exchanger and cooling system
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und ein Kühlsystem, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Obwohl die Erfindung im Folgenden mit Hinblick auf den Einsatz an einem Kraftfahrzeug beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Wärmetauscher und das erfindungsgemäße Kühlsystem auch für andere Kühlprozesse eingesetzt werden kann.The invention relates to a heat exchanger and a cooling system, in particular for use in a motor vehicle. Although the invention is described below with regard to use on a motor vehicle, it should be pointed out that the heat exchanger and the cooling system according to the invention can also be used for other cooling processes.
Im Stand der Technik werden Kühisysteme in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um z.B. die Abwärme des Verbrennungsmotors an die Umgebung abzugeben. Als Kühlmittel wird im allgemeinen Wasser eingesetzt, das Zusätze wie zum Beispiel Frostschutzmittel enthält. Im Kühlmittelkühler wird die in .den Kühlkreislauf vom Motor abgegebene Wärme an die Umgebung abgeführt, indem ein Luftstrom an den Oberflächen des Kühlmittelkühlers vorbei- geleitet wird.In the prior art, cooling systems are used in motor vehicles, e.g. to give off the waste heat of the internal combustion engine to the environment. Water is generally used as the coolant, which contains additives such as antifreeze. In the coolant cooler, the heat given off by the engine in the cooling circuit is dissipated to the environment by passing an air stream past the surfaces of the coolant cooler.
Im Sinne dieser Anmeldung wird mit Kühlmittel immer das Medium im Inneren des Kühlkreislaufes bezeichnet. Mit Kühlmedium wird hingegen das (äußere) Medium bezeichnet, an welches die Kühlleistung des Kühlkreislaufes abgegeben wird. Bei z.B. einem Kühlkreislauf eines Verbrennungs- motors wird die Abwärme des Motors von dem im Kühlkreislauf enthaltenen Kühlmittel aufgenommen. Im Kühlmittelkühler wird die Abwärme des Kühl- mittels dann an das den Kühlmittelkühler durchströmende Kühlmedium abgeführt. Bei einem konventionellen Kühlkreislauf ist das die Kühlluft.For the purposes of this application, the medium in the interior of the cooling circuit is always referred to as coolant. By contrast, cooling medium is the (external) medium to which the cooling capacity of the cooling circuit is given. For example, in a cooling circuit of an internal combustion engine, the waste heat of the engine is absorbed by the coolant contained in the cooling circuit. In the coolant cooler, the waste heat from the cooling then removed to the coolant flowing through the coolant cooler. In a conventional cooling circuit, this is the cooling air.
Zur Erhöhung des Wärmestroms wird die wärmeabgebende Oberfläche des Kühlmittelkühlers vergrößert, indem der Kühlmittelstrom auf eine Anzahl paralleler Kühlmittelrohre aufgeteilt wird, an denen Kühlrippen angeordnet sind, um die Wärme effektiv an die Umgebung abzugeben.To increase the heat flow, the heat-emitting surface of the coolant cooler is increased by dividing the coolant flow into a number of parallel coolant pipes, on which cooling fins are arranged, in order to effectively dissipate the heat to the environment.
In der Praxis werden von einem Kraftfahrzeughersteller bzw. von dem Hersteller des Kühlsystems technische Bedingungen vorgegeben, die der Wärmetauscher des Kühlsystems einhalten muss. Vorgegeben werden die thermodynamischen Daten wie Wärmeleistung bei gegebenen Betriebstemperaturen des Kühlmittels und der Umgebung sowie maximaler Druckverlust bei vorgegebenem Massenstrom des Kühlmittels im Betriebszustand.In practice, a motor vehicle manufacturer or the manufacturer of the cooling system specifies technical conditions that the heat exchanger of the cooling system must comply with. The thermodynamic data such as thermal output at given operating temperatures of the coolant and the environment and maximum pressure loss at a given mass flow of the coolant in the operating state are specified.
Der Druckverlust wird begrenzt im Hinblick auf die aufzuwendende Leistung und Dimensionierung der Kühlmittelpumpe.The pressure loss is limited with regard to the performance and dimensioning of the coolant pump.
Typischerweise werden die- einzelnen Komponenten des Kühlkreislaufes auf sogenannte kritische Betriebszustände des Fahrzeugs ausgelegt, bei denen zum Beispiel bei Bergauffahrt unter bestimmten Lastbedingungen und vorherrschender Außentemperaturen eine vorgegebene Wärmemenge an die Umgebung abgebbar sein muss, ohne die zulässigen Grenztemperaturen zu überschreiten.Typically, the individual components of the cooling circuit are designed for so-called critical operating states of the vehicle, in which, for example, when driving uphill under certain load conditions and prevailing outside temperatures, a predetermined amount of heat must be able to be released to the environment without exceeding the permissible limit temperatures.
Um die vorgenannten Kriterien zu erzielen, werden Wärmetauscher für Kühlmittelkreisläufe in Kraftfahrzeugen derart ausgelegt, dass bei maximaler Wärmeübertragungsleistung der Strömungswiderstand gering ist. Es werden maximale Strömungsverluste auf der Kühlmittelseite im Wärmetauscher bzw. Wärmeübertragungsnetz vorgegeben, die nicht überschritten werden dürfen,In order to achieve the aforementioned criteria, heat exchangers for coolant circuits in motor vehicles are designed in such a way that the flow resistance is low at maximum heat transfer performance. Maximum flow losses on the coolant side in the heat exchanger or heat transfer network are specified, which must not be exceeded,
Obwohl der maximale Druckverlust im Kühlmittelkühler gering vorgegeben ist, ist der Druckverlust im gesamten Kühlkreislauf insgesamt hoch. Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, der es bei gleichen Wärmeübertragungseigenschaften erlaubt, den Leistungsbedarf für die Pumpe des Kühlkreislaufes zu senken. Vorzugsweise ist es weiterhin ein Aspekt der Aufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem zur Verfügung zu stellen, bei dem insgesamt eine kleinere Pumpenleistung zur Überwindung der Strömungswiderstände im Kühlmittelkreislauf möglich ist.Although the maximum pressure loss in the coolant cooler is low, the pressure loss in the entire cooling circuit is high overall. It is the object of the invention to provide a heat exchanger which, with the same heat transfer properties, allows the power requirement for the pump of the cooling circuit to be reduced. It is furthermore preferably an aspect of the object of the invention to provide a cooling system in which overall a smaller pump output is possible to overcome the flow resistances in the coolant circuit.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist Gegenstand des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist Gegenstand des Anspruchs 9. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The heat exchanger according to the invention is the subject of claim 1. The cooling system according to the invention is the subject of claim 9. Preferred developments are the subject of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist insbesondere, aber nicht nur, zur Verwendung in einem Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Zwischen Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass des Wärmetauschers ist wenigstens ein Wärmeübertragungsnetz vorgesehen. Wenigstens ein Wärmeübertragungsnetz umfasst wenigstens eine Rohreinrichtung, wobei die Rohreinrichtung bzw. die Rohreinrichtungen dazu vorgesehen sind, Kühlmittel durch den Wärmetauscher vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass zu transportieren, während die Abwärme abgeführt wird. Ein charakteristischer hydraulischer Durchmesser einer Rohreinrichtung ist bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher kleiner oder gleich als 2,0 mm.The heat exchanger according to the invention is particularly, but not only, intended for use in a cooling circuit of a motor vehicle. At least one heat transfer network is provided between the coolant inlet and the coolant outlet of the heat exchanger. At least one heat transfer network comprises at least one pipe device, wherein the pipe device or the pipe devices are provided to transport coolant through the heat exchanger from the coolant inlet to the coolant outlet while the waste heat is dissipated. A characteristic hydraulic diameter of a pipe device is less than or equal to 2.0 mm in a heat exchanger according to the invention.
Dabei ist der hydraulische Durchmesser dhydr im Sinne dieser Anmeldung definiert als das Vierfache der Querschnittsfläche dividiert durch die Innen- umfangsfläche, wie zum Beispiel auch im VDI-Wärmeatlas verwendet, wenn Mehrkammerrohre bezeichnet werden. Der hydraulische Durchmesser dhy r bezeichnet im VDI-Wärmeatlas den hydraulischen Durchmesser aller parallel durchströmten Kammern. Mit der Querschnittsfläche wird hier im Folgenden die innere Que schnittsfläche, die der Strömung des Kühlmittels zur Verfügung steht, bezeichnet. Der Innenumfang ist der Umfang um die Strömungskanaleinrichtung im Inneren der Rohreinrichtung.For the purposes of this application, the hydraulic diameter d hy d r is defined as four times the cross-sectional area divided by the inner circumferential area, as is also used, for example, in the VDI Heat Atlas when designating multi-chamber pipes. In the VDI Heat Atlas, the hydraulic diameter d hy r denotes the hydraulic diameter of all parallel flowed through chambers. In the following, the cross-sectional area denotes the inner cross-sectional area that is available for the flow of the coolant. The inner circumference is the circumference around the flow channel device inside the pipe device.
Dies bedeutet, dass bei einer kreisförmigen und ideal gestalteten Rohreinrichtung der hydraulische Durchmesser dhydr gleich dem Durchmesser der Rohreinrichtung d ist. Bei einer Rohreinrichtung mit quadratischer Innenfläche entspricht der hydraulische Durchmesser dhydr einer inneren Seitenl nge der Rohreinrichtung.This means that with a circular and ideally designed pipe device, the hydraulic diameter d hydr is equal to the diameter of the Pipe device d is. In the case of a pipe device with a square inner surface, the hydraulic diameter d hydr corresponds to an inner side length of the pipe device.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher hat viele Vorteile.The heat exchanger according to the invention has many advantages.
Im Stand der Technik bekannt gewordene Wärmetauscher für Kühlmittelkreisläufe von Kfz weisen einen hydraulischen Durchmesser dhydr auf, der zum Beispiel bei 2,8 mm und größer liegt. Derartige hydraulische Durchmesser werden gewählt, um die Strömungsverluste im Wärmetauscher zu minimieren.Heat exchangers for coolant circuits of motor vehicles that have become known in the prior art have a hydraulic diameter d hy dr, which is, for example, 2.8 mm and larger. Such hydraulic diameters are chosen in order to minimize flow losses in the heat exchanger.
Kleinere hydraulische Durchmesser, wie entsprechend dieser Erfindung, weisen hingegen bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums größere Druckverluste auf, so dass erfindungsgemäße Wärmetauscher bei konstantem Massenstrom zu höheren -Druckverlusten führen. Deshalb wurde es von der Fachwelt nicht in Betracht gezogen, Wärme- tauscher für den Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeuges zu erforschen, bei denen kleinere hydraulische Durchmesser vorliegen, da diese außerhalb der von den Kraftfahrzeugherstellern vorgegebenen Normen liegen können.On the other hand, smaller hydraulic diameters, as in accordance with this invention, have greater pressure losses at a constant flow rate of the cooling medium, so that heat exchangers according to the invention lead to higher pressure losses with a constant mass flow. Therefore, experts did not consider researching heat exchangers for the coolant circuit of a motor vehicle, in which there are smaller hydraulic diameters, since these may be outside the standards specified by the motor vehicle manufacturers.
Überraschenderweise hat sich allerdings gezeigt, dass der Einsatz kleinerer hydraulischer Durchmesser nicht nur zu höheren Strömungswiderständen und somit Druckverlusten führt, sondern gleichzeitig die Wärmeübertragung auf der Innenseite des Kühlmediums derart verbessert wird, dass insgesamt ein kleinerer Kühlmittelmassenstrom erforderlich ist, um eine gleiche Wärmemenge an die Umgebung abzutransportieren.Surprisingly, however, it has been shown that the use of smaller hydraulic diameters not only leads to higher flow resistances and thus pressure losses, but at the same time improves the heat transfer on the inside of the cooling medium in such a way that a smaller coolant mass flow is required overall in order to obtain an equal amount of heat to the surroundings evacuate.
Deshalb ist es mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher möglich, den Kühlmittelmassenstrom im Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs zu reduzieren. Bei inkompressiblen Kühlmedien, wie zum Beispiel Kühlwasser, führt eine Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms direkt zu einer proportionalen Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Kühlkreislauf. Da die Strömungsverluste im Kühlkreislauf proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des Kühlmittels ist, bedeutet eine Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms auf etwa 70 % eine Halbierung der Strömungsverluste im Gesamtkreislauf und eine Absenkung der hydraulischen Förderleistung DP mal Volumenstrom auf ca. 35 %.It is therefore possible with a heat exchanger according to the invention to reduce the coolant mass flow in the cooling circuit of a motor vehicle. In the case of incompressible cooling media, such as cooling water, a reduction in the coolant mass flow leads directly to a proportional reduction in the flow rate of the coolant in the cooling circuit. Since the flow loss in the cooling circuit is proportional to the square of the speed of the coolant, a reduction in the Coolant mass flow to about 70%, a halving of the flow losses in the overall circuit and a reduction in the hydraulic delivery capacity DP times the volume flow to approx. 35%.
Bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers wird durch den kleinen hydraulischen Durchmesser der Rohreinrichtungen im Wärmetauscher der Strömungswiderstand im Wärmetauscher erhöht. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels kann bei gleichbleibender Wärmeleistung außerhalb des Kühlers reduziert werden, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums in der Peripherie deutlich geringer ist als bei einem konventionellen Wärmetauscher.When using a heat exchanger according to the invention, the flow resistance in the heat exchanger is increased by the small hydraulic diameter of the pipe devices in the heat exchanger. The flow rate of the coolant can be reduced while the heat output remains the same outside the cooler, so that the flow rate of the coolant in the periphery is significantly lower than with a conventional heat exchanger.
Unter Peripherie werden hierbei alle vom Kühlmittel durchströmten Bauteile und Bauteilbereiche im Kühlkreislauf verstanden mit Ausnahme der Rohreinrichtungen.Peripherals are understood here to mean all components and component areas in the cooling circuit through which coolant flows, with the exception of the pipe devices.
Obwohl die notwendige Pumpenleistung zur Überwindung des Strömungs- Verlustes im Wärmetauscher beträchtlich höher sein kann (z.B. Faktor 2 oder 4) als bei einem konventionellen Wärmetauscher, kann insgesamt durch die höhere Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers die zur Kühlung erforderliche Kühlmittelumlaufmenge reduziert werden. Durch die Verminderung der Druckverluste in der Peripherie wird die erforderliche Pumpenleistung der Pumpeneinrichtung reduziert, so dass es die vorliegende- Erfindung erlaubt, insgesamt Energie zum Betrieb der Pumpe einzusparen (z.B. Faktor 1 ,5 oder 2).Although the pump output required to overcome the flow loss in the heat exchanger can be considerably higher (e.g. factor 2 or 4) than with a conventional heat exchanger, the higher heat transfer capacity of the heat exchanger can reduce the amount of coolant circulating required for cooling. By reducing the pressure losses in the periphery, the required pump output of the pump device is reduced, so that the present invention allows overall energy to be used to operate the pump (e.g. factor 1, 5 or 2).
Wird die Erfindung in einem Kreislauf mit elektrischer Pumpe verwendet, so ist der Einsparungseffekt an Primärenergie größer, da auch die Umwand- lungsverluste von mechanischer Energie in elektrische Energie geringer sind.If the invention is used in a circuit with an electrical pump, the saving effect on primary energy is greater, since the conversion losses from mechanical energy into electrical energy are also lower.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist, dass bei Einsatz einer elektrischen Pumpeneinrichtung eine elektrische Pumpe mit deutlich kleinerer elektrischer Leistung Verwendung finden kann, so dass Kosten für Pumpe, Batterie, Lichtmaschine etc. eingespart werden können. Als Kühlmittel zur Aufnahme der abgeführten Wärmemenge wird Gas und besonders bevorzugt Luft verwendet.Another advantage of the heat exchanger according to the invention is that when an electrical pump device is used, an electrical pump with a significantly lower electrical output can be used, so that costs for the pump, battery, alternator, etc. can be saved. Gas and particularly preferably air are used as coolants to absorb the amount of heat removed.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung oder eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung auch in einem Heizkreislauf oder in einem beliebigen Kühlkreislauf Anwendung finden kann. Ebenso kann die Erfindung bei parallelen Kreisläufen oder auch in Mehrkreissystemen angewendet werden.It should be pointed out that the invention or an advantageous development of the invention can also be used in a heating circuit or in any cooling circuit. The invention can also be used in parallel circuits or in multi-circuit systems.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine Vielzahl im wesentlichen gleichartiger Rohreinrichtungen vorgesehen. Es ist auch möglich, dass von einem ersten Typ von Rohreinrichtung eine erste Vielzahl vorgesehen ist und von einem zweiten oder noch mehr Typen von Rohreinrichtungen jeweils eine zweite (dritte etc.) Vielzahl vorgesehen ist.In a preferred development of the invention, at least a multiplicity of essentially identical pipe devices are provided. It is also possible for a first type of tube device to be provided with a first plurality and for a second or even more type of tube devices with a second (third etc.) number in each case.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens der Querschnitt wenigstens eines Typs einer Rohreinrichtung einer Gruppe von Querschnittsformen entnommen, welche runde und kreisrunde, elliptische, ovale, eckige, rechteckige, dreieckige, quadratische und abgerundete Abwandlungen der genannten Querschnittsformen umfasst.In a further development of the invention, at least the cross section of at least one type of pipe device is taken from a group of cross-sectional shapes, which comprises round and circular, elliptical, oval, angular, rectangular, triangular, square and rounded modifications of the cross-sectional shapes mentioned.
Vorzugsweise ist der Querschnitt wenigstens einer Rohreinrichtung über wenigstens einen Längenabschnitt entlang der Rohreinrichtung im wesentlichen konstant. Bevorzugt ist der Einsatz von flachen Rohreinrichtungen, bei denen der Strömungskanal des Kühlmediums eine relativ geringe Breite und eine relativ hohe Tiefe (jeweils quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums) aufweist.The cross section of at least one pipe device is preferably substantially constant over at least one length section along the pipe device. It is preferred to use flat pipe devices in which the flow channel of the cooling medium has a relatively small width and a relatively high depth (in each case transverse to the flow direction of the cooling medium).
Zur Verbesserung der Druckfestigkeit können Stege im Strömungskanal vorgesehen sein, die z.B. einen flachen Strömungskanal in rechteckige oder quadratische oder runde oder kreisrunde Segmente aufteilen. Dann enthält eine Rohreinrichtung z.B. Rohrsegmente. Im Folgenden wird immer auf die Abmessungen der Rohreinrichtung Bezug genommen, auch wenn die Rohreinrichtung Segmente enthalten sollte. In einer bevorzugten Weiterbildung können die Rohreinrichtungen auch mit Turbulenzeinlageneinrichtungen oder Rippeneinrichtungen in den Rohreinrichtungen versehen sein, um die Turbulenz und den Wärmeübergang zu erhöhen. Der charakteristische hydraulische Durchmesser wird durch diese Rippeneinrichtungen und Turbulenzeinlageneinrichtungen nicht geändert.To improve the pressure resistance, webs can be provided in the flow channel, which, for example, divide a flat flow channel into rectangular or square or round or circular segments. Then a pipe device contains, for example, pipe segments. In the following, reference is always made to the dimensions of the pipe device, even if the pipe device should contain segments. In a preferred development, the pipe devices can also be provided with turbulence insert devices or fin devices in the pipe devices in order to increase the turbulence and the heat transfer. The characteristic hydraulic diameter is not changed by these fin devices and turbulence insert devices.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind im wesentlichen alle Rohreinrichtungen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wobei das Kühlmedium quer durch die im wesentlichen parallel angeordneten Rohreinrichtungen hindurchtritt. An den Rohreinrichtungen sind vorzugs- weise Rippeneinrichtungen vorgesehen, die Kiemeneinrichtungen aufweisen können, um den Wärmeübergang an der Außenseite der Rohreinrichtungen zu erhöhen.In a preferred development of the invention, essentially all the pipe devices are arranged essentially parallel to one another, the cooling medium passing transversely through the pipe devices arranged essentially in parallel. Rib devices are preferably provided on the pipe devices, which can have gill devices in order to increase the heat transfer on the outside of the pipe devices.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein charakteristisches Querschnittsverhältnis von Tiefe einer Rohreinrichtuηg in Strömungsrichtung des Kühlmediums zu Höhe einer Rohreinrichtung zwischen 1 und 100 und vorzugsweise zwischen 7 und 50, besonders bevorzugt zwischen 15 und 50, besonders bevorzugt zwischen 20 und 30.In a preferred development of the invention, a characteristic cross-sectional ratio of the depth of a pipe device in the flow direction of the cooling medium to the height of a pipe device is between 1 and 100 and preferably between 7 and 50, particularly preferably between 15 and 50, particularly preferably between 20 and 30.
Das bedeutet, dass die Rohreinrichtungen in Strömungsrichtung des Kühlmediums eine wesentlich größere Ausdehnung aufweisen, als in einer Richtung senkrecht dazu und zu der Strömungsrichtung des Kühlmittels. Die genannten Zahlenwerte können auf die Außen- oder auch Innenabmessungen der Rohreinrichtungen bezogen sein.This means that the pipe devices have a substantially greater extent in the flow direction of the cooling medium than in a direction perpendicular thereto and to the flow direction of the coolant. The numerical values mentioned can relate to the external or internal dimensions of the pipe devices.
In einer bevorzugten Weiterbildung einer oder mehrerer der zuvor beschriebenen Weiterbildungen enthält das Kühlmittel als wesentlichen Bestandteil Wasser, wobei das Kühlmittel auch Zusätze wie Gefrierschutzmittel und andere Zusätze mehr aufweisen kann. Genauso gut ist es möglich, dass das Kühlmittel wasserlos oder nur einen geringen Anteil an Wasser enthält. Die Erfindung kann auch bei Heizkörpern Verwendung finden. Ebenso ist es möglich, dass die Erfindung zum Kühlen oder Heizen von Motoröl, Getriebeöl oder des Kraftstoffs zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges einge- setzt wird. Je nach Anwendungsfall kann das Kühlmittel als Bestandteil Öl oder sonstige im Stand der Technik bekannte Kühlmittel aufweisen.In a preferred development of one or more of the developments described above, the coolant contains water as an essential constituent, wherein the coolant can also have additives such as antifreeze and other additives. It is equally possible that the coolant contains waterless or only a small amount of water. The invention can also be used in radiators. It is also possible for the invention to be used for cooling or heating engine oil, gear oil or fuel, for example of a motor vehicle. is set. Depending on the application, the coolant may contain oil or other coolants known in the prior art.
Vorzugsweise wird als Kühlmedium auf der Außenseite der Rohreinrichtungen Gas und besonders bevorzugt Luft eingesetzt.Gas and particularly preferably air are preferably used as the cooling medium on the outside of the pipe devices.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem weist wenigstens eine Pumpeneinrichtung, wenigstens eine Wärmequelleneinrichtung (wie z.B. eine Motorein- richtung)und wenigstens eine Wärmetauschereinrichtung auf, wobei die Wärmetauschereinrichtung wenigstens eine Wärmeübertragungsnetzeinrichtung umfasst. Die Pumpeneinrichtung, die Wärmetauschereinrichtung und die Wärmequelleneinrichtung sind zu einem im wesentlichen geschlossenen Kühlkreislauf verschaltet und werden von wenigstens einem Kühlmittel durchströmt.The cooling system according to the invention has at least one pump device, at least one heat source device (such as a motor device) and at least one heat exchanger device, the heat exchanger device comprising at least one heat transfer network device. The pump device, the heat exchanger device and the heat source device are connected to form an essentially closed cooling circuit and are flowed through by at least one coolant.
Der Druckverlust der Wärmeübertragungsnetzeinrichtung der Wärmetauschereinrichtung bezogen auf den Druckverlust im gesamten Kühlmittel- kreislauf, bewertet vor und hinter der Pumpeneinrichtung, beträgt wenigstens 12 %, vorzugsweise mehr als 15 %.The pressure loss of the heat transfer network device of the heat exchanger device in relation to the pressure loss in the entire coolant circuit, assessed before and after the pump device, is at least 12%, preferably more than 15%.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem hat viele Vorteile.The cooling system according to the invention has many advantages.
Vorzugsweise ist der Druckverlust der Wärmeübertragungsnetzeinrichtung im Bereich zwischen 15 und 90 % des Druckverlustes im gesamten Kühl- mittelkreislauf im Betriebszustand und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 20 % und 70 %. Bevorzugt liegt er bei wenigstens 30 %.The pressure loss of the heat transfer network device is preferably in the range between 15 and 90% of the pressure loss in the entire coolant circuit in the operating state and particularly preferably in the range between 20% and 70%. It is preferably at least 30%.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlsystems umfasst die Wärmeübertragungsnetzeinrichtung Rohreinrichtungen, wobei wenigstens eine Rohreinrichtung einer Gruppe von Rohreinrichtungen ent- nommen ist, die Rohreinrichtungen mit hydraulischen Durchmessern < 2 mm und insbesondere im hydraulischen Durchmesserbereich zwischen 1 und 1 ,8 mm, sowie Dimple-Rohre, Rohreinrichtungen mit Turbulenzeinlagen- Einrichtungen und dergleichen mehr umfasst. Turbulenzeinlagen können z.B.(Metall-)Spiralen oder Folien oder Fäden sein, die in die Rohreinrichtungen eingebracht werden.In a preferred development of the cooling system according to the invention, the heat transfer network device comprises pipe devices, at least one pipe device being taken from a group of pipe devices, the pipe devices with hydraulic diameters <2 mm and in particular in the hydraulic diameter range between 1 and 1.8 mm, and dimple pipes , Pipe devices with turbulence insert devices and the like includes more. Turbulence deposits can For example, be (metal) spirals or foils or threads that are introduced into the pipe devices.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Kühlmittelstrom in der Wärmetauschereinrichtung wenigstens einmal umgelenkt. Der Kühl- mittelstrom in der Wärmetauschereinrichtung kann auch 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr Male umgelenkt werden.In a preferred development of the invention, the coolant flow in the heat exchanger device is deflected at least once. The coolant flow in the heat exchanger device can also be deflected 2, 3, 4, 5, 6 or more times.
Besonders bevorzugt weist eine Wärmetauschereinrichtung eine Rippendichte im Bereich zwischen 50 und 120 pro Dezimeter Länge der Rohreinrichtung auf, wobei die Dicke der einzelnen Rippen zwischen 0,01 und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2 mm, beträgt. Je größer die Rippendichte, desto mehr Wärme kann grundsätzlich übertragen werden, allerdings reduziert eine große Rippendichte, insbesondere in Verbindung mit einer großen Dicke der Rippen, die zur Verfügung stehende Querschnittsfläche für das Kühlmedium, wie zum Beispiel den Kühlluftstrom. Es ergibt sich ein Optimum aus Anzahl, Dicke und Länge der Kühlrippen bei vorgegebenem Material für die Kühlrippen.A heat exchanger device particularly preferably has a fin density in the range between 50 and 120 per decimeter length of the pipe device, the thickness of the individual fins being between 0.01 and 0.5 mm, preferably between 0.05 and 0.2 mm. The greater the fin density, the more heat can be transferred in principle, however, a large fin density, in particular in connection with a large thickness of the fins, reduces the cross-sectional area available for the cooling medium, such as the cooling air flow. The optimum results from the number, thickness and length of the cooling fins for a given material for the cooling fins.
Üblicherweise wird der Gesamtströmungswiderstand im Kühlkreislauf im wesentlichen durch die Strömungswiderstände in den Verbindungsschläuchen, den Wasserkästen, dem Wärmeübertragungsnetz des Wärme- tauschers, den in Serie geschalteten Thermostaten und den Motorblock bestimmt.The total flow resistance in the cooling circuit is usually essentially determined by the flow resistances in the connecting hoses, the water boxes, the heat transfer network of the heat exchanger, the thermostats connected in series and the engine block.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Sinne dieser Anmeldung der Druckverlustanteil des Wärmeübertragungsnetzes an dem gesamten Kühlkreislauf sich durch diese Definition bestimmt. Wenn in einem anderen System weitere Komponenten hinzukommen oder fehlen, müssen die hier genannten Zahlenwerte gegebenenfalls entsprechend umgerechnet bzw. angepasst werden.It should be pointed out that in the sense of this application, the pressure loss portion of the heat transfer network in the entire cooling circuit is determined by this definition. If other components are added or missing in another system, the numerical values mentioned here may need to be converted or adjusted accordingly.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeich- nungen dargestellt. Darin zeigen: Fig. 1 einen schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Kühlkreislauf;Further advantages and possible uses of the present invention will now be illustrated on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings. In it show: 1 shows a schematically illustrated cooling circuit according to the invention;
Fig. 2 ein erstes Wärmeübertragungsnetz für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher;2 shows a first heat transfer network for the heat exchanger according to the invention;
Fig. 3 ein Wärmeübertragungsnetz für einen zweiten erfindungsgemäßen Wärmetauscher;3 shows a heat transfer network for a second heat exchanger according to the invention;
Fig. 4 ein Wärmeübertragungsnetz für einen dritten erfindungsgemäßen Wärmetauscher;4 shows a heat transfer network for a third heat exchanger according to the invention;
Fig. 5 ein Diagramm zur Bestimmung eines optimalen hydraulischen Durchmessers bei einer ersten Rohrwandstärke;5 shows a diagram for determining an optimal hydraulic diameter for a first tube wall thickness;
Fig. 6 ein weiteres Diagramm zur Bestimmung eines optimalen hydraulischen Durchmessers bei einer zweiten Rohrwandstärke;6 shows a further diagram for determining an optimal hydraulic diameter with a second tube wall thickness;
Fig. 7 ein Diagramm zur Bestimmung einer optimalen Rippendichte bei gegebener Rohrwandstärke;7 shows a diagram for determining an optimal fin density for a given tube wall thickness;
Fig. 8 den Kühlluftdurchsatz über der Rippendichte für unterschiedliche Rohrteilungen; und8 shows the cooling air throughput over the fin density for different pipe divisions; and
Fig. 9 den Anteil des Druckverlustes im Kühler am Gesamtdruckverlust im Kühlkreislauf über dem hydraulischen Durchmesser.9 shows the proportion of the pressure loss in the cooler to the total pressure loss in the cooling circuit above the hydraulic diameter.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlsystems 1 dargestellt. Das Kühlmittelsystem 1 ist für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen und dient zur Kühlung des Motors 5. Das aus dem Motor austretende erwärmte Kühlmittel wird durch den Thermostaten 7 geleitet und tritt in einen Wasserkasten 4 des Wärmetauschers 2 ein.1 shows an exemplary embodiment of a cooling system 1 according to the invention. The coolant system 1 is intended for use in a motor vehicle and is used to cool the engine 5. The heated coolant emerging from the engine is passed through the thermostat 7 and enters a water tank 4 of the heat exchanger 2.
Wenn z.B. kurz nach dem Start des Fahrzeugs die Betriebstemperatur des Motors noch nicht erreicht ist, kann das Kühlmittel auch über den By-pass 8 am Wärmetauscher 2 vorbeigeführt werden und wird wieder über die Pumpe 6 in den Motor 5 geleitet.If, for example, the operating temperature of the engine is not reached shortly after the vehicle has started, the coolant can also be discharged via the bypass 8 are guided past the heat exchanger 2 and are passed back into the motor 5 via the pump 6.
Der Wärmetauscher 2 weist ein Wärmeübertragungsnetz 3 auf. Ein solches erfindungsgemäßes Wärmeübertragungsnetz 3 ist in verschiedenen Aus- führungsformen in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt, bei denen sich die Anordnung und die Abmessungen der einzelnen Komponenten unterscheiden.The heat exchanger 2 has a heat transfer network 3. Such a heat transfer network 3 according to the invention is shown in different embodiments in FIGS. 2, 3 and 4, in which the arrangement and the dimensions of the individual components differ.
Das in Fig. 2 dargestellte Wärmeübertragungsnetz weist Rohre 11 in Form vom Flachrohren auf, die eine Tiefe 12 in Strömungsrichtung des Kühlmediums aufweisen, die im gewählten Ausführungsbeispiel 32 mm beträgt. Je nach geforderter Dimension des Wärmeübertragungsnetzes kann die Tiefe der Flachrohre 11 auch 10, 12, 16, 20, 24, 32 oder auch 40 oder 48 mm oder Werte dazwischen betragen. Aber auch andere Werte sind möglich, wenn es die Anforderungen an den Wärmetauscher erfordern.The heat transfer network shown in FIG. 2 has tubes 11 in the form of flat tubes, which have a depth 12 in the direction of flow of the cooling medium, which is 32 mm in the selected exemplary embodiment. Depending on the required dimension of the heat transfer network, the depth of the flat tubes 11 can also be 10, 12, 16, 20, 24, 32 or even 40 or 48 mm or values in between. However, other values are also possible if the requirements for the heat exchanger so require.
Die Flachrohre 11 nach Fig. 2 weisen eine Breite 13 von 1 ,3 mm auf mit einer Wandstärke 17, die - über dem Umfang des Flachrohres im wesentlichen konstant - nur 0,26 mm beträgt. Das entspricht lichten Innenabmessungen von 31 ,48 mm in der Tiefe und 0,78 mm in der Breite.The flat tubes 11 according to FIG. 2 have a width 13 of 1.3 mm with a wall thickness 17 which is essentially constant over the circumference of the flat tube and is only 0.26 mm. This corresponds to clear internal dimensions of 31, 48 mm in depth and 0.78 mm in width.
Mit der freien Querschnittsfläche 23 und dem Innenumfang 24 ergibt sich (unter Annahme eines rechteckigen Innenquerschnitts) in erster Näherung mit den genannten Abmessungen ein hydraulischer Durchmesser Dhyd. = 4 x Innenfläche / Innenumfarig = 1 ,52 mm. Bei Verwendung eines Rohres mit 16 mm Tiefe anstatt von 32 mm Tiefe ergibt sich unter den genannten Voraussetzungen ein hydraulischer Durchmesser von Dhydr = 1 ,48 mm.With the free cross-sectional area 23 and the inner circumference 24, a hydraulic diameter D h y d is obtained (assuming a rectangular inner cross section) with the above-mentioned dimensions . = 4 x inner surface / inner panel = 1.52 mm. When using a tube with a depth of 16 mm instead of a depth of 32 mm, the hydraulic diameter of D hy dr = 1.48 mm results under the conditions mentioned.
Wenn hingegen die Ausdehnung in die Tiefe auf 64 mm verdoppelt wird, ergibt sich ein hydraulischer Durchmesser von Dhy r = 1,54. Dies bedeutet, dass der hydraulische Durchmesser Dhydr im wesentlichen von der Innenbreite der einzelnen Flachrohre beeinflusst wird, während eine größere oder kleinere Ausdehnung in der Tiefe den Wert des hydraulischen Durchmessers über weite Bereiche nur in geringem Maße beeinflusst. Durch eine Erhöhung der Ausdehnung der Flachrohre in der Tiefe wird durch die größere Wärmeübertragungsfläche einerseits eine Erhöhung der übertragenen Wärmeleistung erzielt, während andererseits die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels abnimmt, da die Querschnittsfläche zunimmt. Bei konstant bleibender Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels würde ein größerer Massenstrom des Kühlmittels transportiert werden.If, on the other hand, the depth is doubled to 64 mm, the hydraulic diameter is Dh y r = 1.54. This means that the hydraulic diameter D hy dr is essentially influenced by the inner width of the individual flat tubes, while a greater or lesser extent in depth affects the value of the hydraulic diameter only over a wide range to a small extent. By increasing the expansion of the flat tubes in depth, the larger heat transfer area on the one hand increases the transferred heat output, while on the other hand the flow rate of the coolant decreases because the cross-sectional area increases. If the flow rate of the coolant remained constant, a larger mass flow of the coolant would be transported.
Um bei gleichbleibendem Kühlmitteldurchsatz die Kühlleistung zu erhöhen, ist es besser, wenn der hydraulische Durchmesser dadurch reduziert wird, dass die lichte Strömungsbreite in den Rohren 11 reduziert wird. Dies führt zu einer höheren Wärmeübertragung auf der Innenseite der Rohre, die die gesamte Wärmeübertragungsleistung unter Umständen beträchtlich erhöht.In order to increase the cooling capacity while the coolant throughput remains the same, it is better if the hydraulic diameter is reduced by reducing the clear flow width in the tubes 11. This leads to a higher heat transfer on the inside of the tubes, which under certain circumstances increases the overall heat transfer performance considerably.
Bei gleicher Wärmeleistung des Kühlers kann dann der Kühlmittelmassenstrom reduziert werden. Bei gleichbleibendem Strömungsquerschnitt führt das zu einer Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels und somit zu geringeren Strömungsverlusten.The coolant mass flow can then be reduced with the same heat output of the cooler. If the flow cross-section remains the same, this leads to a reduction in the flow rate of the coolant and thus to lower flow losses.
Der Abstand 14 der einzelnen Rohre 11 beträgt 9,3 mm im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Die Rippenhöhe der Rippen 15 beträgt 8 mm. Zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung sind die Rippen mit Kiemen 16 versehen, so dass die Grenzschichten immer wieder neu ausgebildet werden.The distance 14 of the individual tubes 11 is 9.3 mm in the exemplary embodiment according to FIG. 2. The rib height of the ribs 15 is 8 mm. To increase the heat transfer capacity, the fins are provided with gills 16, so that the boundary layers are always newly formed.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 beträgt die Wandstärke 17 der Rohre 11 0,26 mm. Ebenso sind auch kleinere oder größere Wandstärken möglich, wie z. B. 0,35 mm. Die Tendenz geht dahin, die Wandstärke zu reduzieren, um Gewicht und Material einzusparen und den Wärmeleiterwiderstand zu verbessern. Allerdings hängt die minimale Wandstärke auch von dem Druck innerhalb des Systems ab.2, the wall thickness 17 of the tubes 11 is 0.26 mm. Smaller or larger wall thicknesses are also possible, such as. B. 0.35 mm. The tendency is to reduce the wall thickness in order to save weight and material and to improve the heat conductor resistance. However, the minimum wall thickness also depends on the pressure within the system.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Rippen 15 .auf die Rohre. 11 aufgelötet, während sie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 mechanisch befestigt bzw. geklemmt sind. Rippenelemente 15 werden auf die im Aus- führungsbeispiel nach Fig. 3 kreisförmigen Rohre 21 aufgesteckt. Anschlies- send werden die Rohre 21 gedehnt, so dass sich ein größerer Außendurchmesser ergibt. Die Rippenelemente 15 werden fest auf den Rohren 21 gehalten.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the ribs 15 are on the tubes. 11 soldered, while in the exemplary embodiment according to FIG. 3 they are mechanically fastened or clamped. Rib elements 15 are plugged onto the circular tubes 21 in the exemplary embodiment according to FIG. 3. Anschlies- Send the tubes 21 are stretched so that there is a larger outer diameter. The fin elements 15 are held firmly on the tubes 21.
Üblicherweise ist die Wärmeübertragung bei gelöteten Verbindungen besser. Deshalb kann auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bei Verwendung von kreisförmigen Rohren im Wärmetauscher eine Lötverbindung zwischen Rippe und Rohr vorgesehen sein.Heat transfer is usually better for soldered connections. Therefore, in the exemplary embodiment according to FIG. 3, when using circular tubes in the heat exchanger, a soldered connection between the fin and the tube can be provided.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Innendurchmesser 18 der Rohre 21 gleich dem hydraulischen Durchmesser Dhydr- Die Rohreinrich- tungen 23 weisen einen Innendurchmesser 18 auf. Die Wandstärke 25 ist in Fig. 4 eingezeichnet.In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the inside diameter 18 of the pipes 21 is equal to the hydraulic diameter Dhydr. The pipe devices 23 have an inside diameter 18. The wall thickness 25 is shown in FIG. 4.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Wärmeübertragungsnetz werden sog. Radienrohre 21 verwendet. Die Rohre 21 weisen eine Tiefe 12 (in Strömungsrichtung der Kühlluft) auf und eine maximale Breite 13. Der hydraulische Durchmesser berechnet sich wieder aus der inneren Strömungsfläche 23 und dem Innenumfang 24 aus Dhydr = vier x Strömungsquerschnitt 23 / Innenumfangsfläche 24. Die Innenumfangsfläche 24 und der Strömungsquerschnitt 23 können mit Kenntnis der Tiefe 12 und der maximalen Breite 13 sowie der Rohrwandstärke 25 und der geometrischen Kontur bestimmt werden. .So-called radius pipes 21 are used in the heat transmission network shown in FIG. 4. The tubes 21 have a depth 12 (in the flow direction of the cooling air) and a maximum width 13. The hydraulic diameter is again calculated from the inner flow surface 23 and the inner circumference 24 from D hy dr = four x flow cross section 23 / inner circumferential surface 24. The inner circumferential surface 24 and the flow cross section 23 can be determined with knowledge of the depth 12 and the maximum width 13 as well as the tube wall thickness 25 and the geometric contour. ,
Die einzelnen Rohre 21 sind in einem seitlichen Abstand 14 angeordnet. Wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind zwei Reihen von Wärmeübertragungsrohren 21 vorgesehen, die einen Rohrreihenabstand 19 aufweisen.The individual tubes 21 are arranged at a lateral distance 14. As in the exemplary embodiment according to FIG. 3, two rows of heat transfer tubes 21 are provided which have a tube row spacing 19.
Es können auch weniger, das heißt eine Rohrreihe oder auch mehr, zum Beispiel 3, 4 oder 5 Rohrreihen, vorhanden sein. Die einzelnen Rohrreihen können in Luftströmungsrichtung fluchtend oder jeweils versetzt angeordnet werden.There may also be fewer, that is to say one row of pipes or even more, for example 3, 4 or 5 rows of pipes. The individual rows of pipes can be aligned in the air flow direction or offset.
In Fig. 5 ist in einem Diagramm die hydraulische Leistung des Kühlerkreises über dem Druckverlust des Wärmeübertragungsblocks dargestellt. Der Wärmeübertragungsblock besteht aus dem Wärmeübertragungsnetz und den Böden. Das Wärmeübertragungsnetz besteht aus den Kühlmittelrohren mit den Kühlrippen.5 shows the hydraulic power of the cooler circuit over the pressure loss of the heat transfer block in a diagram. The Heat transfer block consists of the heat transfer network and the floors. The heat transfer network consists of the coolant tubes with the cooling fins.
Das Diagramm wurde mit Bezug auf ein KFZ mittlerer Größe mit z. B. einem " 1 ,7-l-Dieselmotor erstellt.The diagram was made with reference to a medium-sized car with e.g. B. created a " 1.7 liter diesel engine.
Der eingezeichnete Messpunkt 30 kennzeichnet ein heutiges Serienmodell, bei dem in einem bestimmten Betriebszustand eine hydraulische Förderleistung von etwa 270 W erforderlich ist, um den nötigen Kühlmittelmassendurchsatz für Motor 5 und Kühler 7 zur Verfügung zu stellen.The measurement point 30 shown marks a current production model in which, in a certain operating state, a hydraulic delivery capacity of approximately 270 W is required in order to provide the necessary coolant mass throughput for the engine 5 and cooler 7.
Alle eingezeichneten Messpunkte sind für eine konstante Kühlleistung bestimmt worden. Die Wandstärke der Rohre des Wärmeübertragungsnetzes betrug für Fig. 5 0,35 mm und für Fig. 6 0,26 mm. Die Messpunkte 33, 34 und 35 wurden für ein Kühlsystem abgeleitet, bei dem der Wärmetauscher mit unterschiedlichen Wärmeübertragungsnetzen versehen wurde.All measuring points shown have been determined for a constant cooling capacity. The wall thickness of the tubes of the heat transfer network was 0.35 mm for FIG. 5 and 0.26 mm for FIG. 6. The measuring points 33, 34 and 35 were derived for a cooling system in which the heat exchanger was provided with different heat transfer networks.
Während der Messpunkt 30 den heutigen Stand der Technik angibt, bei dem der hydraulische Durchmesser der eingesetzten Rohre groß ist und hier bei etwa 2,5 mm liegt, wurde der hydraulische Durchmesser für den Messpunkt 33 auf 1 ,94 mm reduziert. Beim Messpunkt 34 beträgt der hydraulische Durchmesser 1 ,56 mm und beim Messpunkt 35 1 ,3 mm.While measuring point 30 indicates the current state of the art, in which the hydraulic diameter of the tubes used is large and here is approximately 2.5 mm, the hydraulic diameter for measuring point 33 has been reduced to 1.94 mm. The hydraulic diameter at measuring point 34 is 1.56 mm and at measuring point 35 1.3 mm.
Von dem Messpunkt 30 aus gesehen, erhöht sich der Druckverlust des Wärmetauscherblocks mi't 'sinkendem hydraulischem Durchmesser beträchtlich. Während der Druckveriust bei dem hydraulischen Durchmesser 2,5 mm etwa 120 mbar beträgt, beträgt er beim hydraulischen Durchmesser von 1 ,56 mm mit etwa 200 mbar schon fast das Doppelte.Seen from the measuring point 30, the pressure loss of the heat exchanger block with a decreasing hydraulic diameter increases considerably. While the pressure loss for the hydraulic diameter of 2.5 mm is approximately 120 mbar, it is almost twice for the hydraulic diameter of 1.56 mm with approximately 200 mbar.
Andererseits wird dadurch, dass die Wärmeübertragungsleistung in den Rohren deutlich erhöht werden kann und somit der gesamte Kühlmittelmassenstrom reduziert werden kann, die Strömungsgeschwindigkeit in den übrigen Komponenten des Kühlkreislaufes reduziert, so dass statt etwa 270 W im Basispunkt nur etwa 120 W hydraulische Leistung erforderlich sind. Dies wird durch Einsatz eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ermöglicht, ohne dass weitere Komponenten im Kühlkreislauf geändert werden müssen. Das Ergebnis ist überraschend, da durch eine Erhöhung des Druckverlustes im Wärmeübertragungsblock die Pumpenleistung und damit der Einsatz an Primärenergie deutlich auf etwa die Hälfte reduziert werden kann.On the other hand, the fact that the heat transfer capacity in the pipes can be increased significantly and thus the total coolant mass flow can be reduced, the flow rate in the other components of the cooling circuit is reduced, so that instead of about 270 W at the base point, only about 120 W hydraulic power are required. This is made possible by using a heat exchanger according to the invention without having to change other components in the cooling circuit. The result is surprising, since an increase in pressure loss in the heat transfer block can significantly reduce the pump output and thus the use of primary energy to about half.
Wird zusätzlich zur Änderung des Wärmeübertragungsnetzes die Peripherie angepasst, indem dort die Strömungswiderstände zum Beispiel im Motor, dem Thermostat, den Schläuchen, den Wasserkästen oder dergleichen ver- ringert werden, so ergeben sich die in Figuren 5 und 6 eingezeichneten Linien entsprechend den Prozentzahlen des Peripheriedruckverlustes 37, wobei 100 % dem Serienzustand entspricht.If, in addition to changing the heat transfer network, the periphery is adapted by reducing the flow resistances, for example in the engine, the thermostat, the hoses, the water boxes or the like, the lines drawn in FIGS. 5 and 6 result in accordance with the percentages of the peripheral pressure loss 37, where 100% corresponds to the series condition.
Bei einem hydraulischen Durchmesser von 1 ,56 mm und einem Druckverlust in der Peripherie von 80 % im Vergleich zur heutigen Serie ergibt sich der Messpunkt 38, bei dem die notwendige hydraulische Leistung im Kühlerkreis nun bei etwa 100 Watt liegt.With a hydraulic diameter of 1, 56 mm and a pressure loss in the periphery of 80% compared to today's series, this results in measuring point 38, at which the necessary hydraulic power in the cooler circuit is now around 100 watts.
Bei weiterer Reduzierung des Druckverlustes in den weiteren Komponenten der Peripherie auf einen Wert von 40 % ergibt sich der Messpunkt 39, bei dem die notwendige hydraulische Leistung im Kühlerkreis nur zwischen 60 und 70 Watt beträgt.If the pressure loss in the other peripheral components is further reduced to a value of 40%, measurement point 39 results, at which the necessary hydraulic power in the cooler circuit is only between 60 and 70 watts.
Interessant ist auch der eingetragene Zustandspunkt 40, der bei einem Druckverlust in der Peripherie von 0 % berechnet wurde. Der Messpunkt 40 gibt einen Druckverlust von ca. 200 mbar im Wärmeübertragungsblock an. Aus dem Diagramm folgt, dass die notwendige hydraulische Leistung zur Überwindung des Strömungswiderstandes im Wärmeübertragungsblock knapp 30 Watt beträgt.Also interesting is the entered state point 40, which was calculated with a pressure loss in the periphery of 0%. Measuring point 40 indicates a pressure loss of approximately 200 mbar in the heat transfer block. It follows from the diagram that the hydraulic power required to overcome the flow resistance in the heat transfer block is just under 30 watts.
Aus der Differenz der hydraulischen Leistungen im Betriebspunkt 34 und imFrom the difference in hydraulic power at operating point 34 and
Betriebspunkt 40 ergibt sich die notwendige hydraulische Leistung, um dieOperating point 40 results in the necessary hydraulic power in order to
Strömungswiderstände in der. Peripherie zu überwinden. Mit etwa 120 Watt als Gesamtleistung und etwa 30 Watt als Strömungsverlustleistung im Wärmeübertragungsblock bestimmt sich die Strömungsverlustleistung für einen Kühlkreislauf nach Punkt 34 in der Peripherie zu ca. 90 Watt.Flow resistances in the. To overcome periphery. With about 120 watts as total power and about 30 watts as flow loss in Heat transfer block determines the flow loss for a cooling circuit according to point 34 in the periphery to about 90 watts.
In einem konventionellen Kühlsystem beträgt die Verlustleistung in der Peripherie ca. 270 Watt Gesamtverlust minus 25 Watt Blockverlust und damit etwa 250 Watt.In a conventional cooling system, the power loss in the periphery is approximately 270 watts total loss minus 25 watts block loss and thus approximately 250 watts.
Während man durch Verringerung des hydraulischen Durchmessers von etwa 2,5 auf etwa 1 ,5 mm die Strömungsverlustleistung im Wärmeübertragungsblock deutlich erhöht hat, sinkt die Gesamtverlustleistung im Wärmeübertragungsnetz erheblich, da durch die erforderlichen geringeren Kühlmittelmassenströme im erfindungsgemäßen Kühlsystem der Strömungsverlust im Gesamtsystem reduziert werden kann.While the flow power loss in the heat transfer block has been significantly increased by reducing the hydraulic diameter from about 2.5 to about 1.5 mm, the total power loss in the heat transfer network drops considerably since the flow loss in the overall system can be reduced by the required lower coolant mass flows in the cooling system according to the invention.
Hier bietet sich auch der Einsatz einer elektrisch betriebenen Pumpe an, um das Kühlmittel im Kühlkreislauf zu transportieren.An electrically operated pump can also be used here to transport the coolant in the cooling circuit.
Die Dimensionierung der Pumpe 6 in einem Kühlkreislauf 1 hängt von den kritischen Betriebszuständen ab. Die Pumpe muss so ausgelegt sein, dass sie auch in kritischen Betriebssituationen eine zuverlässige Kühlung des Motors sicherstellen kann.The dimensioning of the pump 6 in a cooling circuit 1 depends on the critical operating conditions. The pump must be designed in such a way that it can ensure reliable cooling of the motor even in critical operating situations.
Wird eine elektrische Pumpe vorgesehen, so würde bei den heute erforderlichen hydraulischen Leistungen eine Pumpe eingesetzt werden müssen, die ein bis zwei Klassen größer ist als es eine Pumpe sein müsste, die in einem erfindungsgemäßen Kühlsystem Einsatz finden kann.If an electric pump is provided, a pump that would be one or two classes larger than would be a pump that can be used in a cooling system according to the invention would have to be used with the hydraulic outputs required today.
Hohe Pumpenleistungen von bis zu 400 oder sogar 600 Watt erfordern eine größere Lichtmaschine im Kraftfahrzeug und unter Umständen einen Übergang der verwendeten Bordspannung von 12 auf 24 Volt oder auch 42 Volt. Zudem müssen die Querschnitte von Verkabelung und Verbindungssteckerπ und die Stärke der Sicherungen an die hohen elektrischen Ströme ange- passt werden. Die Verwendung einer elektrischen Pumpe im Kühlkreislauf ermöglicht es weiterhin dem Konstrukteur eines Kraftfahrzeugs, die Pumpe unabhängig vom Motor anzuordnen. Dies führt zu konstruktiven Freiheiten und reduziert das Volumen und Gewicht des Motorblocks an sich. Das ist unter anderem im Hinblick auf die Größe, Form und Lage von Knautschzonen beim Automobil von Bedeutung.High pump outputs of up to 400 or even 600 watts require a larger alternator in the motor vehicle and possibly a change in the on-board voltage used from 12 to 24 volts or 42 volts. In addition, the cross-sections of the wiring and connector plugs and the strength of the fuses have to be adapted to the high electrical currents. The use of an electric pump in the cooling circuit further enables the designer of a motor vehicle to arrange the pump independently of the engine. This leads to design freedom and reduces the volume and weight of the engine block itself. This is important, among other things, with regard to the size, shape and location of crumple zones in automobiles.
Die Leistung, die eine elektrische Pumpe zur Verfügung stellen kann, ist unabhängig von der Motordrehzahl, so dass auch bei geringen Motordrehzahlen eine zuverlässige Kühlung sichergestellt werden kann.The power that an electric pump can provide is independent of the engine speed, so that reliable cooling can be ensured even at low engine speeds.
Wird für solche Fälle in künftigen Kraftfahrzeugen eine elektrische Kühlmittelpumpe eingebaut, kann diese bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsnetzes kleiner dimensioniert werden und die mechanische Pumpe entfallen.If an electric coolant pump is installed in future motor vehicles for such cases, this can be dimensioned smaller when using a heat transfer network according to the invention and the mechanical pump can be omitted.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungsnetz kann auch in Nebenkreis- laufen, wie zum Beispiel in Heiz- oder Ölkreisläufen, eingesetzt werden. Vorteilhaft ist auch hierbei eine kleinere Dimensionierung der Hauptkühlmittelpumpe bzw. einer im entsprechenden Nebenkreis befindlichen Zusatzpumpe.The heat transfer network according to the invention can also be used in secondary circuits, such as in heating or oil circuits. A smaller dimensioning of the main coolant pump or an additional pump located in the corresponding secondary circuit is also advantageous here.
Während in Fig. 5 die benötigte hydraulische Pumpenleistung des Kühl- kreislaufes über dem Druckverlust des Wärmeübertragungsblockes für eine Rohrwandstärke von 0,35 mm dargestellt wurde, ist in Fig. 6 ein ähnliches Diagramm dargestellt, wobei die Rohrwandstärke für alle eingezeichneten Betriebspunkte 0,26 mm beträgt.While the required hydraulic pump capacity of the cooling circuit against the pressure loss of the heat transfer block for a tube wall thickness of 0.35 mm was shown in FIG. 5, a similar diagram is shown in FIG. 6, the tube wall thickness for all operating points shown being 0.26 mm is.
Deutlich erkennbar ist, dass sich ein ähnlicher Verlauf von benötigter Pumpenleistung im Gesamtkreislauf gegenüber dem Druckverlust des Blockes bzw. dem verwendeten hydraulischen Durchmesser der Rohre im Wärmeübertragungsnetz ergibt. Bei Einsatz konventioneller Rohre mit einem hydraulischen Durchmesser von 2,8 mm, wie er dem eingezeichneten Basispunkt 30 in diesem Diagramm entspricht, wird eine hohe hydraulische Leistung benötigt.It is clearly recognizable that there is a similar course of the pump output required in the overall circuit compared to the pressure loss of the block or the hydraulic diameter of the pipes used in the heat transfer network. When using conventional pipes with a hydraulic diameter of 2.8 mm, as corresponds to the base point 30 shown in this diagram, a high hydraulic power is required.
Bei Reduzierung des hydraulischen Durchmessers von 2,8 mm im Basispunkt 30 auf 2,27 mm im Messpunkt 33 sinkt die erforderliche hydraulische Pumpenleistung von ca. 300 auf etwa 130 Watt. Wird der hydraulische Durchmesser weiterhin auf 1 ,52 mm gesenkt, so ergibt sich der Betriebszustand, wie er im Messpunkt 34 dargestellt ist.If the hydraulic diameter is reduced from 2.8 mm in base point 30 to 2.27 mm in measuring point 33, the required hydraulic pump output drops from approx. 300 to approx. 130 watts. If the hydraulic diameter is further reduced to 1.52 mm, the operating state results, as shown in measuring point 34.
Die erforderliche hydraulische Leistung liegt bei etwa 95 Watt und wurde auf ein Drittel der hydraulischen Leistung im Basispunkt 30 reduziert. Die eingezeichnete Kurve 48 zeigt die optimalen Bedingungen für unterschiedliche periphere Druckverluste, die zwischen 40 % und 120 % variiert wurden.The required hydraulic power is around 95 watts and has been reduced to a third of the hydraulic power in base point 30. The drawn curve 48 shows the optimal conditions for different peripheral pressure losses, which were varied between 40% and 120%.
Genau wie im Diagramm gemäß Fig. 5 zeigt sich auch im Diagramm nach Fig. 6, dass für hydraulische Durchmesser < etwa 2 mm die benötigte hydraulische Leistung im Kühlkreislauf stark abnimmt, bis sie ein Optimum erreicht, während zu noch kleineren hydraulischen Durchmessern die Gesamtverluste wieder ansteigen.Just as in the diagram according to FIG. 5, the diagram according to FIG. 6 also shows that for hydraulic diameters <approximately 2 mm, the hydraulic power required in the cooling circuit decreases sharply until it reaches an optimum, while the overall losses again occur for even smaller hydraulic diameters increase.
Die Ursache dafür ist ein überproportional ansteigender Strömungsverlust im Wärmetauscher, der durch einen geringeren Strömungsverlust in der Peri- pherie, der durch einen geringeren Massenstrom und damit eine kleinere Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufen wird, nicht mehr kompensiert werden kann.The reason for this is a disproportionately increasing flow loss in the heat exchanger, which can no longer be compensated for by a lower flow loss in the periphery, which is caused by a lower mass flow and thus a lower flow velocity.
Als Ergebnis ergibt sich ein optimaler hydraulischer Durchmesser < 2 mm, und insbesondere ein optimaler hydraulischer Durchmesserbereich zwischen etwa 0,5 und 2 mm. Der Bereich zwischen etwa 1 und 1 ,7 mm ist besonders geeignet.The result is an optimal hydraulic diameter <2 mm, and in particular an optimal hydraulic diameter range between approximately 0.5 and 2 mm. The range between about 1 and 1.7 mm is particularly suitable.
In Fig. 5 ist eine Grenzlinie 71 eingezeichnet, die in dem Anwendungsbeispiel eine Temperaturdifferenz des Kühlmittels von 10 K über dem Motor anzeichnet. Betriebszustände mit höheren Druckverlusten in Block als durch die Linie 71 angezeigt, kennzeichnen Temperaturdifferenzen des Kühlmittels über dem Motor größer 10 K. Zustandspunkte links (in der Orientierung der Fig. 5) der Linie 71 kennzeichnen Betriebszustände mit Temperaturdiffe- renzen kleiner 10 K).5 shows a boundary line 71, which in the application example shows a temperature difference of the coolant of 10 K above the engine anzeichnet. Operating states with higher pressure losses in block than indicated by line 71 indicate temperature differences of the coolant above the engine greater than 10 K. State points on the left (in the orientation of FIG. 5) of line 71 indicate operating states with temperature differences less than 10 K).
Ebenso ist in Fig. 6 eine Grenzlinie 71 eingezeichnet, die, wie in Fig. 5, eine Temperaturdifferenz des Kühlmittels über dem Motor von größer gleich 10 K anzeigt. Zusätzlich ist in Fig. 6 noch eine Grenzlinie 72 dargestellt, die eine Temperaturdifferenz bzw. einen Temperaturgradienten des Kühlmittels über dem Motor von 8 K angibt.Likewise, a boundary line 71 is drawn in FIG. 6, which, as in FIG. 5, indicates a temperature difference of the coolant above the engine of greater than or equal to 10 K. In addition, a boundary line 72 is shown in FIG. 6, which indicates a temperature difference or a temperature gradient of the coolant over the engine of 8 K.
Betriebszustände mit Druckverlusten größer als denen durch die Grenzlinien 71 und 72 angegebenen, führen zu Temperaturdifferenzen über dem Motor oberhalb der jeweils angegebenen Temperaturdifferenzen (8 K bzw. 10 K oder dergleichen.).Operating conditions with pressure losses greater than those indicated by the boundary lines 71 and 72 lead to temperature differences over the engine above the respectively specified temperature differences (8 K or 10 K or the like.).
Heutzutage werden die zulässigen Temperaturdifferenzen von den Herstellern der Motoren oder der Kraftfahrzeuge vorgegeben, so dass im allge-, meinen Betriebszustände mit Druckverlusten kleiner als die jeweilige Temperaturgrenzlinie von den Herstellern erlaubt sind. Deshalb ergeben sich (Je nach gewählter Temperaturdifferenzgrenze entsprechend Linie 71 oder 72 in Fig. 6) mögliche Betriebszustände mit Druckverlusten unterhalb der durch die entsprechenden Grenzlinie angezeigten.Nowadays, the permissible temperature differences are specified by the manufacturers of the engines or the motor vehicles, so that in general, my operating conditions with pressure losses smaller than the respective temperature limit line are permitted by the manufacturers. Therefore, possible operating states with pressure losses arise (J e 6 on the chosen temperature difference limit corresponding to line 71 or 72 in Fig.) Under the direction indicated by the respective boundary line.
Dieser beträgt bei Grenzlinie 71 gemäß Fig. 6 etwa 340 mbar über dem Block. Bei einer maximalen Temperaturdifferenz des Kühlmittels über dem Motor von 8 K gemäß Linie 72 ist er im hier dargestellten Beispiel etwa 210 mbar. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass bei anderen Temperatur- differenzen oder anderen Ausführungsbeispielen andere Werte auftreten können.At border line 71 according to FIG. 6, this is approximately 340 mbar above the block. With a maximum temperature difference of the coolant above the engine of 8 K according to line 72, it is about 210 mbar in the example shown here. However, it should be noted that at other temperature differences or other exemplary embodiments, other values can occur.
Unter gleichen Voraussetzungen (Kühlleistung, Rohrwandstärke = 0,26 mm) wurde das in Fig. 7 dargestellte Diagramm erstellt. Darin ist die hydraulische Leistung im Kühlkreislauf über der Rippendichte auf der Außenseite der Rohre für drei unterschiedliche Rohrabstände bzw. Rohrteilungen im Wärmeübertragungsnetz dargestellt.The diagram shown in FIG. 7 was created under the same conditions (cooling capacity, tube wall thickness = 0.26 mm). It shows the hydraulic power in the cooling circuit above the fin density on the outside of the pipes for three different pipe spacings or pipe divisions in the heat transfer network.
Die Betriebszustandslinie 41 wurde für Rohrabstände von einem zum nächsten Rohr von 9,3 mm bestimmt, die Betriebszustandslinie 42 für Rohr- abstände von 7,3 mm und die Betriebszustandslinie 43 für Rohrabstände von 5,8 mm. Wird die Rippendichte auf über 65 Rippen je dm Rohrlänge erhöht, so ergibt sich bei einem Rippenabstand von 9,3 mm zunächst eine Absenkung der erforderlichen Pumpenleistung bei etwa 70 bis 75 Rippen je dm, während sie zu höheren Rippendichten wieder ansteigt.The operating status line 41 was determined for pipe distances from one pipe to the next of 9.3 mm, the operating status line 42 for pipe distances of 7.3 mm and the operating status line 43 for pipe distances of 5.8 mm. If the fin density is increased to more than 65 fins per dm pipe length, then with a fin spacing of 9.3 mm there is initially a reduction in the required pump output at about 70 to 75 fins per dm, while it rises again to higher fin densities.
Die erforderliche hydraulische Leistung steigt dann wieder an, weil unter anderem durch die hohe Rippendichte bedingt der freie Strömungsquerschnitt der Kühlluft eingeengt wird und deshalb die übertragene Wärmeleistung geringer wird. Dadurch muss der Kühlmittelstrom im Wärmenetz erhöht werden, so dass die Strömungsverluste im Kühlkreislauf ansteigen.The required hydraulic output then rises again because, among other things, the free flow cross-section of the cooling air is restricted due to the high fin density, and therefore the heat output transferred is reduced. As a result, the coolant flow in the heating network must be increased so that the flow losses in the cooling circuit increase.
Wird umgekehrt die Rippendichte verringert, so reduziert sich die nach außen übertragene Wärmeleistung und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels muss wiederum erhöht werden.Conversely, if the fin density is reduced, the heat output transmitted to the outside is reduced and the flow rate of the coolant must be increased again.
Es ergibt sich für Rohrabstände von 7,3 und 9,3 mm ein optimaler Bereich zwischen etwa 70 und 75 Rippen pro dm Rohrlänge.For pipe distances of 7.3 and 9.3 mm there is an optimal range between about 70 and 75 fins per dm pipe length.
Bei einem' Rohrabstand von 5,8 mm ist der zur Verfügung stehende freieIn a 'pipe spacing of 5.8 mm, the available free
■ Querschnitt für die Kühlluft auch bei kleinen Rippendichten im Vergleich zu den anderen Rohrabständen geringer, nämlich 5,8 mm minus 1 ,3 mm gleich 4,5 mm. Der freie Abstand ist bei 7,3 mm Rohrabstand demgegenüber 6,0 mm.■ Cross-section for the cooling air, even with small fin densities, is smaller in comparison to the other pipe spacings, namely 5.8 mm minus 1.3 mm the same 4.5 mm. The free distance is 7.3 mm with a pipe distance of 6.0 mm.
Um die Wärmeübertragungsleistung konstant zu halten, muss die Strömungsgeschwindigkeit in den Kühlmittelrohren erhöht werden, damit der Wärmeübergangs-Koeffizient höher wird. Das führt zu einer notwendigen hydraulischen Leistung, die oberhalb der Leistung der anderen Rohrabstände liegt.In order to keep the heat transfer performance constant, the flow rate in the coolant pipes must be increased so that the heat transfer coefficient becomes higher. This leads to a necessary hydraulic performance that is above the performance of the other pipe distances.
Für den in Fig. 7 dargestellten Betriebszustand würde sich bei einem Rohrabstand von 9,3 mm als optimales Ergebnis eine äußere Rippendichte von etwa 73 Rippen pro dm ergeben.For the operating state shown in FIG. 7, the optimal result would be an outer fin density of about 73 fins per dm with a pipe spacing of 9.3 mm.
Allerdings sind auch die weiteren Parameter bei der Auslegung eines Kühlsystems zu beachten. Dazu zählt unter anderem auch der Kühlluftdurchsatz.However, the other parameters must also be considered when designing a cooling system. This also includes the cooling air throughput.
In einem KFZ wird die durch den Kühler strömende Kühlluft nicht nur zur Kühlung des Kühlmittelkühlers verwendet, sondern kann auch zur Kühlung weiterer Kreisläufe eingesetzt werden, wie zum Beispiel dem Klimaanlagenkreislauf.In a motor vehicle, the cooling air flowing through the radiator is not only used to cool the coolant cooler, but can also be used to cool other circuits, such as the air conditioning circuit.
Deshalb ist es wichtig, dass sich durch Änderungen am Wärmetauscher der Kühlluftdurchsatz nicht zu stark verändert, insbesondere verringert. Eine Erhöhung kann (muss aber nicht) positiv sein.It is therefore important that changes to the heat exchanger do not change the cooling air throughput too much, in particular reduce it. An increase can (but does not have to) be positive.
Eine Übersicht über die Veränderung des Kühlluftdurchsatzes zeigt Fig. 8. In diesem Diagramm wurde für die in Fig. 7 dargestellten Rohrabstände jeweils der Kühlluftdurchsatz über der äußeren Rippendichte aufgetragen.An overview of the change in the cooling air throughput is shown in FIG. 8. In this diagram, the cooling air throughput was plotted against the outer fin density for the pipe distances shown in FIG. 7.
Der Zustandspunkt 54 entspricht dem Zustandspunkt 44 in Fig. 7 und wurde für einen Rohrabstand von 9,3 mm und eine Rippenzahl von 65 pro dm Rohrlänge ermittelt.Condition point 54 corresponds to condition point 44 in FIG. 7 and was determined for a pipe spacing of 9.3 mm and a number of fins of 65 per dm pipe length.
Zu höheren Rippendichten fällt der Kühlluftdurchsatz bei allen Rohrabständen stark ab. Daraus ergibt sich, dass eine Rippendichte von 65 pro dm im hier dargestellten Beispiel bei Verwendung eines Rohrabstandes von 9,3 mm optimal ist, da einerseits der Kühlluftdurchsatz sich um etwas mehr als 1 ,5 % erhöht, wobei die hydraulische Leistung im entsprechenden Zustandspunkt 45 bei ca. 105 Watt liegt.At higher fin densities, the cooling air throughput drops sharply at all pipe gaps. It follows that a rib density of 65 per In the example shown here, dm is optimal when using a pipe spacing of 9.3 mm, since on the one hand the cooling air throughput increases by a little more than 1.5%, the hydraulic power in the corresponding condition point 45 being approximately 105 watts.
Zusammengefasst ergibt sich ein optimaler Auslegungspunkt, wenn ein im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduzierter hydraulischer Durchmesser im Bereich zwischen etwa dhy r = 1 mm und 2 mm gewählt wird, bevorzugt 1 ,1 bis 1 ,8 mm, besonders bevorzugt 1,1 mm bis 1 ,7 mm.In summary, there is an optimal design point if a hydraulic diameter that is significantly reduced compared to the prior art is selected in the range between approximately d hy r = 1 mm and 2 mm, preferably 1.1 to 1.8 mm, particularly preferably 1.1 mm to 1.7 mm.
Werden ausgehend von einer solchen Reduzierung des hydraulischen Durchmessers die Rippendichte, die Wandstärke und der Rohrabstand geeignet gewählt, so ergibt sich (unter Umständen auch iterativ) ein optimaler Auslegungspunkt für ein erfindungsgemäßes Kühlsystem, das wesentlich weniger hydraulische Pumpenleistung benötigt als herkömmlich im Stand der Technik bekannte.If the fin density, the wall thickness and the pipe spacing are selected appropriately on the basis of such a reduction in the hydraulic diameter, an optimal design point results (possibly also iteratively) for a cooling system according to the invention, which requires significantly less hydraulic pump power than conventionally known in the prior art ,
Die Reduzierung der Pumpenleistung kann 20, 50, 75 oder noch mehr Prozent betragen, je nach Auslegung des Wärmeübertragungsnetzes und der weiteren Komponenten eines Kühlkreislaufes.The pump output can be reduced by 20, 50, 75 or even more percent, depending on the design of the heat transfer network and the other components of a cooling circuit.
Die Wahl eines hydraulischen Durchmessers wird nach unten dadurch begrenzt, dass einerseits die Strömungsveriuste beim Übertragungsnetz zu groß werden und andererseits dadurch, dass der Kühlmittelmassenstrom zu stark absinkt. Bei geringen Kühlmittelmassenströmen nimmt die Temperaturdifferenz zwischen Austritts- und Eintrittstemperatur am zu kühlenden Motor zu, da die insgesamt übertragene Wärmeleistung konstant bleibt.The choice of a hydraulic diameter is limited by the fact that on the one hand the flow losses in the transmission network become too large and on the other hand that the coolant mass flow drops too much. With low coolant mass flows, the temperature difference between the outlet and inlet temperatures at the engine to be cooled increases because the overall heat output transmitted remains constant.
Hier setzen bisher die Motorhersteller vorgegebene Grenzen im Bereich von etwa 8 bis ca. 10 K, so dass der minimale Kühlmittelmassenstrom, wie in Fig. 6 dargestellt, festliegt. Diese Grenze kann aber unter Umständen ohne Gefahr für die Motoren erhöht werden, so dass auch kleinere hydraulische Durchmesser möglich erscheinen. ln Fig. 9 wird der Anteil des Druckverlustes im Wärmeübertragungsnetz, bezogen auf den Gesamtdruckverlust des Kühlkreislaufes (ist gleich der Förderhöhe der Kühlmittelpumpe) im Betriebszustand über dem hydraulischen Durchmesser der Wärmeübertragungsrohre dargestellt.So far, the engine manufacturers have set predetermined limits in the range from about 8 to about 10 K, so that the minimum coolant mass flow, as shown in FIG. 6, is fixed. Under certain circumstances, however, this limit can be increased without any risk to the motors, so that smaller hydraulic diameters also appear possible. 9 shows the proportion of the pressure loss in the heat transfer network, based on the total pressure loss of the cooling circuit (is equal to the head of the coolant pump) in the operating state over the hydraulic diameter of the heat transfer pipes.
Die Linien 61 bis 65 kennzeichnen dabei jeweils den relativen Druckverlust in der Peripherie des Kühlkreislaufes, das heißt, den Druckverlust außerhalb des Wärmeübertragungsnetzes.Lines 61 to 65 each indicate the relative pressure loss in the periphery of the cooling circuit, that is to say the pressure loss outside the heat transfer network.
Die Linie 64 kennzeichnet die Peripherie eines heutiges Systems, währen die Linie 61 einen peripheren Druckverlust von 40 % gegenüber einem heutigen System darstellt. Die Linie 62 repräsentiert 60 %, die Linie 63 80 % und die Linie 65 einen Verlust von 120 % in der Peripherie gegenüber einem heutigen System.Line 64 marks the periphery of a current system, while line 61 represents a peripheral pressure loss of 40% compared to a current system. Line 62 represents 60%, line 63 80% and line 65 a loss of 120% in the periphery compared to today's system.
Heutige Wärmeübertragungsnetze weisen üblicherweise Rohreinrichtungen mit einem hydraulischen Durchmesser größer/gleich 2,8 mm auf. Bei einem heutigen Kühlsystem liegt der Druckverlust des Wärmeübertragungsnetzes gemessen am gesamten Druckverlust im Kühlkreislauf bei 10 % (dhydr = 2,8). Beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsnetzes liegt bei einem hydraulischen Durchmesser von 2 mm der Druckverlust bei Einsatz heutiger peripherer Komponenten bei wenigstens 12 % und damit deutlich höher.Today's heat transfer networks usually have pipe devices with a hydraulic diameter greater than or equal to 2.8 mm. In today's cooling system, the pressure loss of the heat transfer network measured at the total pressure loss in the cooling circuit is 10% (d hy dr = 2.8). When using a heat transfer network according to the invention, with a hydraulic diameter of 2 mm, the pressure loss when using today's peripheral components is at least 12% and thus significantly higher.
Vorteilhaft ist auch ein Anteil des Wärmeübertragungsnetzes an Druckabfall des gesamten Kühlkreislaufes von 20 %, besonders vorteilhaft beträgt der Anteil 25 %, 30 %, 40 % oder mehr.Also advantageous is a share of the heat transmission network in the pressure drop of the entire cooling circuit of 20%, the share being particularly advantageous is 25%, 30%, 40% or more.
Erfindungsgemäße Systeme weisen relativ große Druckverluste im Wärme- Übertragungsnetz auf. Dadurch werden kleinere Kühlmittelmassenströme bei höherer Kühlmittelgeschwindigkeit im Wärmeübertragungsnetz und gleichzeitig höheren Wärmeübertragung auf der Innenseite im Warmeubertragungsnetz ermöglicht. Außerhalb des Wärmetauschers kann die Strömungsgeschwindigkeit reduziert werden, so dass insgesamt die erforderliche hydraulische Leistung verringert wird. Für das sich aus Figuren 6 bis 8 ergebende optimale Versuchsfahrzeug ergibt sich ein optimaler Auslegungspunkt von einem hydraulischen Durchmesser dhydr = 1 ,52 und ein Verlustanteil von 30 %, wenn die Verluste in der Peripherie auf 80 % des heutigen Standes gesenkt werden. Das ist mit z.B. Veränderungen an den Leitungen, Wasserkästen etc. möglich.Systems according to the invention have relatively large pressure losses in the heat transmission network. This enables smaller coolant mass flows at higher coolant speeds in the heat transfer network and at the same time higher heat transfer on the inside in the heat transfer network. Outside the heat exchanger, the flow rate can be reduced, so that the total hydraulic power required is reduced. For the optimal test vehicle resulting from FIGS. 6 to 8, there is an optimal design point of a hydraulic diameter d h ydr = 1.52 and a loss share of 30% if the losses in the periphery are reduced to 80% of the current level. This is possible, for example, with changes to the pipes, water boxes, etc.
Der Druckverlust in dem Kühlkreislauf einer heutigen Serie beträgt beispielsweise 4 % in den Schläuchen, 15 % in den Wasserkästen, 9 % im Kühlernetz, 21 % in dem in Serie geschalteten Thermostat und 51 % im Motorblock.The pressure loss in the cooling circuit of today's series is, for example, 4% in the hoses, 15% in the water tanks, 9% in the cooler network, 21% in the series-connected thermostat and 51% in the engine block.
Bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ohne Veränderung in der Peripherie würden bei gleichen Strömungsgeschwindigkeiten die Verluste im Motorblock, dem in Serie geschalteten Thermostat, den Wasserkästen und den in Serie geschalteten Schläuchen gleich bleiben.When using a heat exchanger according to the invention without changing the periphery, the losses in the engine block, the series-connected thermostat, the water tanks and the series-connected hoses would remain the same at the same flow speeds.
Durch die Verbesserung der Wärmeübertragung bedingt kann der Kühl- mittelmassenstrom reduziert werden, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit verringert wird. Dadurch wird der absolute Verlust in der Peripherie verringert, während der Druckverlust im Kühlernetz von beispielsweise 9 % auf 20 % oder sogar 30 % zunimmt.Due to the improvement in heat transfer, the coolant mass flow can be reduced, as a result of which the flow rate is reduced. This reduces the absolute loss in the periphery, while the pressure loss in the cooler network increases from, for example, 9% to 20% or even 30%.
Dabei kann nicht nur der relative Druckverlust im Kühlernetz zunehmen, sondern auch der absolute Druckverlust. Diese Druckverlustzunahme wird in einem optimalen System überkompensiert durch die geringeren Druckverluste in den weiteren Komponenten. Not only can the relative pressure drop in the cooler network increase, but also the absolute pressure drop. This increase in pressure loss is more than compensated for in an optimal system by the lower pressure losses in the other components.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Wärmetauscher (2), insbesondere zur Verwendung in einem Kühlkreis- lauf (1) eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Wärmeübertragungsnetz (3), wobei das Warmeubertragungsnetz wenigstens eine Rohreinrichtung (11) umfasst, und wobei die Rohreinrichtung einen charakteristischen hydraulischen Durchmesser aufweist, der kleiner oder gleich 2,0 mm ist.1. heat exchanger (2), in particular for use in a cooling circuit (1) of a motor vehicle, with at least one heat transfer network (3), the heat transfer network comprising at least one pipe device (11), and wherein the pipe device has a characteristic hydraulic diameter, which is less than or equal to 2.0 mm.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Vielzahl im Wesentlichen gleichartiger Rohreinrichtungen (11 ) vorgesehen ist.2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that at least a plurality of substantially similar pipe devices (11) is provided.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Querschnitt (23) wenigstens einer Rohreinrichtung einer Gruppe von Querschnittsformen entnommen ist, welche runde und kreisrunde, elliptische, ovale, eckige, dreieckige, rechteckige, quadratische und abgerundete Abwandlungen der genannten Querschnittsformen umfasst.3. Heat exchanger according to claim 1 and / or claim 2, characterized in that at least the cross section (23) at least one pipe device is taken from a group of cross-sectional shapes, which are round and circular, elliptical, oval, angular, triangular, rectangular, square and rounded Modifications of the cross-sectional shapes mentioned includes.
4. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlmittels strömt. 4. Heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cooling medium flows substantially perpendicular to the direction of flow of the coolant.
5. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein charakteristisches Querschnitts- Verhältnis von Tiefe einer Rohreinrichtung (12) zu Breite einer5. Heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that a characteristic cross-sectional ratio of the depth of a pipe device (12) to the width of a
Rohreinrichtung (13) zwischen 1 und 100, vorzugsweise zwischen 7 und 50, beträgt.Pipe device (13) is between 1 and 100, preferably between 7 and 50.
6. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel als einen wesentlichen Bestandteil Wasser enthält.6. Heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that the coolant contains water as an essential component.
7. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium ein Gas und vorzugsweise Luft ist.7. Heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cooling medium is a gas and preferably air.
8. Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rohreinrichtung (11) einen charakteristischen hydraulischen Durchmesser aufweist, der kleiner oder gleich 1 ,8 mm oder kleiner oder gleich 1 ,7 mm oder kleiner oder gleich 1 ,6 mm oder kleiner ist.8. Heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least one pipe device (11) has a characteristic hydraulic diameter which is less than or equal to 1.8 mm or less than or equal to 1.7 mm or less than or equal to 1.6 mm or less.
9. Kühlsystem (1) mit wenigstens einer Pumpeneinrichtung (6); wenigstens einer Wärmetauschereinrichtung (2), welche wenigstens eine Wärmeübertragungsnetzeinrichtung (3) umfasst; wenigstens einer Wärmequelleneinrichtung (5), wobei die Pumpeneinrichtung (6), die Wärmetauschereinrichtung (2) und die Wärmequelleneinrichtung (5) in einem im Wesentlichen geschlossenen Kühlkreislauf (1 ) angeordnet sind, welcher von einem Kühlmittel durchströmt wird;9. cooling system (1) with at least one pump device (6); at least one heat exchanger device (2) which comprises at least one heat transfer network device (3); at least one heat source device (5), wherein the pump device (6), the heat exchanger device (2) and the heat source device (5) are arranged in a substantially closed cooling circuit (1) through which a coolant flows;
wobei ein Druckverlust in der Wärmeübertragungsnetzeinrichtung (3) der Wärmetauschereinrichtung einen Anteil von wenigstens 12 % des Druckverlustes im Kühlmittelkreislauf beträgt.wherein a pressure loss in the heat transfer network device (3) of the heat exchanger device is at least 12% of the pressure loss in the coolant circuit.
10. Kühlsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust der Wärmeübertragungsnetzeinrichtung (3) größer ist als 20 % des Druckverlustes im Kühlkreislauf (1 ).10. Cooling system according to claim 9, characterized in that the pressure loss of the heat transfer network device (3) is greater than 20% of the pressure loss in the cooling circuit (1).
11. Kühlsystem nach , Anspruch 9 und/oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsnetzeinrichtung (3) Rohreinrichtungen (11 ) umfasst, wobei wenigstens eine Rohreinrichtung (11 ) einer Gruppe von Rohreinrichtungen entnommen ist, die Rohre mit hydraulischen Durchmessern < 2 mm, Dimple-Rohre,11. Cooling system according to, claim 9 and / or claim 10, characterized in that the heat transfer network device (3) comprises pipe devices (11), at least one pipe device (11) being taken from a group of pipe devices, the pipes with hydraulic diameters <2 mm , Dimple pipes,
Rohreinrichtungen mit Turbulenzeinlageneinrichtungen und dergleichen mehr umfasst.Pipe devices with turbulence insert devices and the like includes more.
12. Kühlsystem nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelstrom wenigstens einmal umgelenkt wird.12. Cooling system according to at least one of claims 9 to 11, characterized in that the coolant flow is deflected at least once.
13. Kühlsystem nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch betriebene Pumpeneinrichtung zur Förderung des Kühlmittels vorgesehen ist. 13. Cooling system according to at least one of claims 9 to 12, characterized in that an electrically operated pump device is provided for conveying the coolant.
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