(57)【要約】【課題】冷却剤流量の広い駆動領域にわたって一定の冷却出力を保証する多数のフラットパイプが駆動中時間当たり７００から１８００リットルの冷却剤によって貫流され、かつ冷却剤集合ケースへ連通している。フラットパイプの間に空気案内装置、特に空気案内薄板が配置されており、その回りを冷却すべき過給空気が流れる。【解決手段】内燃機関の間接的な過給空気冷却のための低温冷却剤クーラーにおいて、多数のフラットパイプが駆動中に時間当たり７００から１８００リットルの冷却剤によって貫流され、かつ冷却剤集合ケース（４、８；３４、４２）内へ連通している。フラットパイプの間に、特に空気案内薄板の形状の、空気案内装置が配置されている。空気案内装置の回りを冷却すべき過給空気が流れる。  ａ）フラットパイプが、２０ミリメートルと等しいかそれより小さい奥行き（２３；５１）を有している。  ｂ）フラットパイプを貫流する冷却剤が、集合ケース（４、８；３４、４２）内で最大で２回方向変換される。  ｃ）フラットパイプの内側に、乱流を発生させる装置が形成されている。【選択図】図１
2008520883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のフラットパイプを有し、前記フラットパイプが駆動中に時間当たり７００から１８００リットルの冷却剤によって貫流され、かつ冷却剤集合ケース（４、８；３４、４２）内へ連通しており、フラットパイプの間に、特に空気案内薄板の形状の、空気案内装置が配置されており、前記空気案内装置の回りを冷却すべき過給空気が流れる、内燃機関の間接的な過給空気冷却のための低温冷却剤クーラーにおいて、
ａ）フラットパイプが、２０ミリメートルと等しいかそれより小さい奥行き（２３；５１）を有しており；
ｂ）フラットパイプを貫流する冷却剤が、集合ケース（４、８；３４、４２）内で最大で２回方向変換され、かつ
ｃ）フラットパイプの内側に、乱流を発生させる装置が形成されている、
ことを特徴とする内燃機関の間接的な過給空気冷却のための低温冷却剤クーラー。
【請求項２】
乱流を発生させる装置を有するフラットパイプが、時間当たり７００から１８００リットルの冷却剤流量において、フラットパイプ内の最大と最小の圧力損失の間の比が３より小さいように、設計されていることを特徴とする請求項１に記載の低温冷却剤クーラー。
【請求項３】
時間当たり７００から１８００リットルまたは０．２から０．５ｋｇ／ｓの冷却剤流量において、フラットパイプ内の最大と最小のヌッセルト数の間の比が、３より小さいことを特徴とする請求項２に記載の低温冷却剤クーラー。
【請求項４】
フラットパイプが、そのフラット側の少なくとも１つに、内側へ向いた刻印を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の低温冷却剤クーラー。
【請求項５】
フラットパイプ内に、乱流挿入片が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の低温冷却剤クーラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数のフラットパイプを有し、そのフラットパイプが駆動中時間当たり７００から１８００リットルの冷却剤によって貫流され、かつ冷却剤集合ケースへ連通しており、フラットパイプの間に空気案内装置、特に空気案内薄板が配置されており、その回りを冷却すべき過給空気が流れる、内燃機関の間接的な過給空気冷却のための低温冷却剤クーラーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のための過給空気クーラーにおいて、冷却すべき過給空気は摂氏２２０まで、あるいはそれより高い温度を有することがあり得る。高い温度に基づいて、クーラーの流入側に損傷が発生するおそれがある。従って従来技術（たとえば、特許文献１を参照）において過給空気クーラーが提案されており、その過給空気クーラーは、異なる冷却剤温度を有する少なくとも２つの冷却循環を特徴としており、それら冷却剤循環がそれぞれ空気の流れ方向に相前後して接続されている熱伝達体ブロックを通して案内されている。既知の冷却剤クーラーは、前クーラー、高温過給空気クーラーおよび低温過給空気クーラーを有している。低温過給空気クーラーは、別体の低温循環を介して冷却剤を供給され、従って低温冷却剤クーラーとも称される。冷却剤は、低温冷却剤クーラーへ流入する際に、たとえば摂氏４５から６０度の温度を有している。低温循環は、たとえば、低温冷却剤ポンプとも称される、電気的な冷却剤ポンプによって駆動される。低温冷却剤クーラーの冷却剤流量は、比較的小さく、時間当たり約７００から１８００リットルである。既知の低温冷却剤クーラーは、内側を滑らかに形成されたフラットパイプを有している。内部の熱伝達のための十分な流れ速度を得るために、内側を滑らかに形成されているフラットパイプにおいては、３回あるいはそれより多い方向変換が必要である。
【特許文献１】ドイツ公開公報ＤＥ１９９６２３９１Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、冷却剤流量の広い駆動領域にわたって一定の冷却出力を保証する、多数のフラットパイプを有し、そのフラットパイプが駆動中時間当たり７００から１８００リットルの冷却剤によって貫流され、かつ冷却剤集合ケースへ連通しており、フラットパイプの間に空気案内装置、特に空気案内薄板が配置されており、その回りを冷却すべき過給空気が流れる、内燃機関の間接的な過給空気冷却のための低温冷却剤クーラーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、多数のフラットパイプを有し、そのフラットパイプが駆動中時間当たり７００から１８００リットルの冷却剤によって貫流され、かつ冷却剤集合ケースへ連通しており、その場合にフラットパイプの間に空気案内装置、特に空気案内薄板が配置されており、その回りを冷却すべき過給空気が流れる、内燃機関の間接的な過給空気冷却のための低温冷却剤クーラーにおいて、以下の特徴によって解決される：フラットパイプは、２０ミリメートルより小さいか、あるいはそれと等しい奥行きを有しており；フラットパイプを貫流する冷却剤は、集合ケース内で最大で２回方向変換され；かつフラットパイプは内側に乱流を発生させる装置を有している。フラットパイプの間に配置された空気案内装置の回りを、駆動中に空気が流れ、その空気がフラットパイプの内部の冷却剤から熱を引き出す。空気案内装置の空気貫流方向におけるフラットパイプの広がりは、フラットパイプの奥行きと称される。既知の低温冷却剤クーラーには、内側が滑らかに形成された、フラットパイプが設けられている。内側の熱伝達のために十分な流れ速度を得るために、集合ケース内で３回またはそれより多い方向変換が必要である。本発明の枠内において、既知の低温冷却剤クーラーにおいて検出される冷却剤側の圧力損失が、冷却剤粘性の明らかな影響とそれに伴って最終的に周囲温度に起因することが、発見された。フラットなポンプ特性曲線と共に、そこから、冷却剤流量と出力が外部温度に著しく依存することが明らかにされる。多数回の方向変換にもかかわらず、内側が滑らかなパイプを有する既知の低温冷却剤クーラー内の流れは、層状であり、あるいは層状から乱流への移行領域にある。従って既知の低温冷却剤クーラーの出力は、冷却剤流量に著しく依存している。これが、特に温度が極めて低い場合に、低圧温冷却剤ポンプの圧力構築が、低温冷却剤クーラー内の高い抵抗によって十分でないことをもたらすことがあり得る。低温冷却剤クーラーの本発明に基づく設計によって、冷却剤流量の広い駆動領域にわたって、ほぼ一定の冷却出力を維持することができる。それによって周囲温度と許容誤差が過給空気冷却へ及ぼす影響が著しく弱められる。
【発明の効果】
【０００５】
低温冷却剤クーラーの好ましい実施形態は、乱流を発生させる装置を有するフラットパイプが、時間当たり７００から１８００リットルの冷却剤流量においてフラットパイプ内の最大と最小の圧力損失の間の比が、３より小さいように設計されていることを特徴としている。それによって、外部温度が低い場合に、間接的な過給空気冷却のより迅速な応答が達成される。
【０００６】
低温冷却剤クーラーの他の好ましい実施形態は、時間当たり７００から１８００リットルの冷却剤流量においてフラットパイプ内の最大と最小のヌッセルト数の間の比が、３より小さいことを特徴としている。ヌッセルト数は、熱伝達数と特徴的な長さおよび使用される材料の熱伝導率の積から得られる。使用される材料は、好ましくはアルミニウム薄板である。
【０００７】
低温冷却剤クーラーの他の好ましい実施例は、フラットパイプがそのフラット側の少なくとも１つに内側へ向かう刻印を有していることを特徴としている。刻印は、好ましくはドイツ公開公報ＤＥ１０１２７０８４Ａ１に開示されている実施例に従って形成されている。
【０００８】
低温冷却剤クーラーの他の好ましい実施例は、フラットパイプ内に乱流挿入片が配置されていることを特徴としている。乱流挿入片は、好ましくは上述したフラットパイプと同様の刻印を有している。
【０００９】
本発明の他の利点、特徴および詳細が、図面を参照しながら種々の実施例の詳細を記述する、以下の説明から明らかにされる。その場合に請求項と説明において述べられた特徴は、それぞれそれ自体単独で、あるいは任意の組合わせにおいて発明の本質をなすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１には、本発明に基づく低温冷却剤クーラー１が図式的に斜視図で示されている。低温冷却剤クーラー１は、上方の集合ケース４を有しており、その集合ケースに冷却剤のための流入短管５が設けられている。矢印６によって、上方の集合ケース４内へ流入する冷却剤が示唆されている。本発明に基づく低温冷却剤クーラー１を通る冷却剤流量は、０．２ｋｇ／ｓより多く、０．５ｋｇ／ｓより少ない。
【００１１】
低温冷却剤クーラー１は、さらに、下方の集合ケース８を有しており、それに冷却剤のための流出短管９が設けられている。下方の集合ケース８から流出する冷却剤は、矢印１０で示唆されている。冷却剤は、好ましくは特殊な添加物を有する水である。
【００１２】
上方の集合ケース４と下方の集合ケース８の間に、熱交換器ブロック１２が設けられており、それが多数の（図示されていない）フラットパイプを有しており、それらフラットパイプが、冷却剤集合ケースとも称される、集合ケース４と８の間に延びている。フラットパイプの間に、たとえば波形フィンの形状の、空気案内薄板が配置されており、その回りを冷却すべき空気流が流れる。
【００１３】
上方の集合ケース４内に、第１の分離壁１７が配置されており、その分離壁によって、流入短管５を通って低温冷却剤クーラー１内へ流入する冷却剤が矢印１８に沿って最初に方向変換される。下方の集合ケース８内に第２の分離壁２０が配置されており、その分離壁によって冷却剤は、流出短管９を通って低温冷却剤クーラー１から流出する前に、低温冷却剤クーラー１内で矢印２１に沿って２回目に方向変換される。
【００１４】
低温冷却剤クーラー１は、好ましくはアルミニウム薄板から形成されており、≦２０ミリメートルの奥行き２３を有している。場合によっては、本発明に基づく低温冷却剤クーラーが、図１に例示するように、高さより大きい幅を有していると、効果的である。
【００１５】
図２には、低温冷却剤クーラー３１が、図式的に斜視図で示されている。低温冷却剤クーラー３１は、左の集合ケース３４を有しており、それに流入短管３５が形成されている。流入短管３５を通して、矢印３６で示唆するように、冷却剤が左の集合ケース３４内へ流入する。冷却剤の質量流量は、０．２ｋｇ／ｓより大きく、０．５ｋｇ／ｓより小さい。さらに、左の集合ケース３４に流出短管３８が設けられている。流出短管３８を通って冷却剤が低温冷却剤クーラー３１から流出する。
【００１６】
さらに、低温冷却剤クーラー３１は、右の集合ケース４２を有している。左の集合ケース３４と右の集合ケース４２の間に、熱交換器ブロック４４が形成されている。熱交換器ブロック４４は、多数の（図示されていない）フラットパイプを有しており、それらフラットパイプは左の集合ケース３４と右の集合ケース４２の間に水平方向に延びている。フラットパイプの間には、たとえば波形フィンの形状の、空気案内薄板が配置されており、それらの回りを冷却すべき過給空気が流れる。
【００１７】
左の集合ケース３４内に、第１の分離壁４８が設けられており、その分離壁によって、流入短管３５を通って低温冷却剤クーラー３１内へ流入する冷却剤が、流出短管３８を通して流出する前に、矢印４９に沿って１回だけ方向変換される。図２に示す低温冷却剤クーラー３１は、最大２０ミリメートルの奥行き５１を有している。
【００１８】
図１と２に示す低温冷却剤クーラーは、それぞれ最大２０ミリメートルの組立て奥行きを有している。低温冷却剤クーラーのフラットパイプは、ドイツ公開公報ＤＥ１０１２７０８４Ａ１の図２から８に開示されているような、乱流を発生させる表面または、タービュレータとも称される、乱流を発生させる挿入片と最大で２回の方向変換を有している。それによって、最小／最大質量流（０．２ｋｇ／ｓ＜質量流＜０．５ｋｇ／ｓ）においてパイプ内の圧力損失が３より小さいことが得られる。同時に、最大と最小の冷却剤流量の間でヌッセルト数が最大でファクター３だけ変化する。
【００１９】
図２に例示するように、場合によっては、本発明に基づく低温冷却剤クーラーが、その高さより小さい幅を有していると、効果的である。その場合に高さとは、パイプ長手方向の寸法である。
【００２０】
図３には、冷却剤冷却される過給空気クーラー後の過給空気温度がｋｇ／ｓの冷却剤流量にわたって摂氏で記載されている。種々の特性曲線を用いて、本発明に基づく設計が過給空気冷却へ及ぼす作用が示されている。２つの特性曲線５３を用いて、乱流を増大させるパイプ内側を持たないクーラーの過給空気冷却を、層状のパイプ流ないし層状と乱流の間の転換領域内のパイプ流で示している。符号５４は、冷却剤冷却される過給空気クーラー内で望ましくない沸騰により回避されるべき領域が示されている。符号５６は、過給空気クーラーとも称される、本発明に基づく低温冷却剤クーラーの特性曲線を示している。本発明に基づく低温冷却剤クーラーは、乱流を増大させるパイプ内側を有している。それによって広い冷却剤流量範囲にわたって改良された、ほぼ一定の過給空気冷却が保証される。符号５８と５９は、許容誤差に基づくばらつき帯域を有する駆動点を示している。
【００２１】
図４には、冷却剤圧力がｋｇ／ｓの冷却剤流量にわたってバールで記載されている。符号６２は、ポンプ特性曲線を示している。符号６４から６７は、本発明に基づく熱伝達体（６４、６５）と既知の熱伝達体（６６、６７）の種々の設備特性曲線を示している。設備特性曲線６４は、摂氏３５度の周囲温度に相当する。付属の設備特性曲線６５は、摂氏−５度の周囲温度に相当する。設備特性曲線６６も、摂氏３５度の周囲温度に相当する。付属の特性曲線６７は、摂氏−５度の周囲温度に相当する。図４から、望ましい冷却剤流量のために必要な圧力の、本発明による効果的な低下が明らかである。
【００２２】
符号７０は、従来技術に基づいて設計した場合の種々の周囲温度における冷却剤流量の差を示している。従来技術に基づいて設計した場合に冷却剤流量に及ぼす温度の影響は極めて大きいので、差７０も同様に大きい。符号７１によって、乱流を増大させる内側を有する本発明に基づく設計において、種々の温度における質量流量の差が示されている。７０と７１の比較が明らかにするように、温度の影響を本発明に基づく設計によって著しく減少させることができる。
【００２３】
図５には、フラットパイプ内の最小のヌッセルト数に規格化されたヌッセルト数ないし、最小の圧力損失に規格化された圧力損失が、冷却剤流量にわたって記載されている。記載されたすべての変量が冷却剤流量の増大に伴って常に上昇し、かつ０．２ｋｇ／ｓにおいて最小になるので、全カーブは０．２ｋｇ／ｓにおいて値１で始まる。
【００２４】
符号７４は、３回の方向変換を有する滑らかなパイプにおける規格化された圧力損失を示している。符号７５は、３回の方向変換を有する滑らかなパイプにおける規格化された圧力損失を示している。符号７６は、１回の方向変換を有する本発明に基づく設計における規格化された圧力損失を示している。符号７７は、１回の方向変換を有する新しい設計における規格化されたヌッセルト数を示している。図５において明らかなように、本発明に基づく措置によって、熱伝達体機能に及ぼす冷却剤量の影響と冷却剤側の圧力損失を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施例に基づく低温冷却剤クーラーを図式的に示す斜視図である。
【図２】他の実施例に基づく、図１と同様の表示である。
【図３】過給空気クーラー後の過給空気温度を冷却剤流量にわたって記載する、デカルト座標グラフである。
【図４】冷却剤圧力を冷却剤流量にわたって記載する、デカルト座標グラフである。
【図５】クーラー網内の最小のヌッセルト数に規格化されたヌッセルト数、あるいは最小の圧力損失に規格化された圧力損失を冷却剤流量にわたって記載する、カルダン座標グラフである。
【図１】
2008520883.tif 000003
【図２】
2008520883.tif 000004
【図３】
2008520883.tif 000005
【図４】
2008520883.tif 000006
【図５】
2008520883.tif 000007
【国際調査報告】
2008520883.tif 000008
2008520883.tif 000009
2008520883.tif 000010
2008520883.tif 000011
2008520883.tif 000012
2008520883.tif 000013