DE69408708T2

DE69408708T2 - Radiator of a motor vehicle

Info

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

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftfahrzeugkühler und ein mögliches Herstellungsverfahren von bestimmten Elementen, die die Wärmeaustauschfläche bilden.The invention relates to a motor vehicle radiator and a possible manufacturing process of certain elements which form the heat exchange surface.

Das flüssige Kühlmittel der Kraftfahrzeugmotoren ist im allgemeinen eine Zusammensetzung aus Wasser und Glykol oder einem anderen Frostschutzmittel. Die Wärme, die es absorbiert, wird über eine Austauschfläche eines Kühlers abgeführt, welcher der das Kühlfluid bildenden Umgebungsluft ausgesetzt ist und in dem das Wasser zwischen einem Zuführungsbehälter und einem Sammelbehälter fließt. Diese Austauschfläche wird in den meisten Fällen im wesentlichen durch parallele Metallröhren aus Kupfer oder Aluminium gebildet, mit ovalem, kreisförmigem oder sehr flachem rechteckigem Querschnitt, die mit ihren Enden an diesen im allgemeinen aus einem polymeren Material bestehenden Wasserbehältern angeschlossen sind; die Kühlluft umströmt die Röhren dank der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs oder notfalls mittels eines Ventilators. Die Zwischenräume zwischen den Röhren werden durch gewellte Metallbleche eingenommen, um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern: sie sind mit den Röhren durch Lötungen an den Scheiteln der Wellungen verbunden. Dabei sind die technischen Schwierigkeiten groß, die bei der Kontrolle der Lötungen auf so dünnen Blechen (z.B. 110um) auftreten, und man stellt Kontaktmängel zwischen Blechen und Röhren fest, die zu einer schlechten Wärmeleitung und infolgedessen zu einem schlechten Wirkungsgrad des Kühlers führen.The liquid coolant of motor vehicle engines is generally a composition of water and glycol or another antifreeze. The heat it absorbs is dissipated by an exchange surface of a radiator exposed to the ambient air that forms the cooling fluid and in which the water flows between a supply tank and a collection tank. This exchange surface is in most cases essentially formed by parallel metal tubes made of copper or aluminium, with oval, circular or very flat rectangular cross-section, connected at their ends to these water tanks, generally made of a polymeric material; the cooling air flows around the tubes thanks to the speed of the vehicle or, if necessary, by means of a fan. The spaces between the tubes are occupied by corrugated metal sheets to increase the heat exchange surface: they are connected to the tubes by soldering at the tops of the corrugations. The technical difficulties involved in checking the soldering on such thin sheets (e.g. 110um) are great, and contact defects between sheets and tubes are found, which lead to poor heat conduction and, as a result, to poor efficiency of the cooler.

Das Fragment des bekannten Kühlers der Figur 1 wird durch Röhren 1 mit sehr flachem rechtwinkligem Querschnitt gebildet, von denen man Teile der beiden Hauptseiten oder -platten 2 für zwei von ihnen dargestellt hat. Das zu kühlende Wasser fließt in den Röhren 1 in Richtung des Pfeils L durch Kanäle 4. Die Räume zwischen den Röhren 1, wesentlich breiter als die Kanäle 4, werden von gewellten Blechen 5 eingenommen, die mit den ebenen Platten 2 an den Scheiteln der Wellungen mittels Lötstellen 6 verbunden sind. Die Rippen der Bleche 5 sind tiefgezogen und bilden Lamellen 7, deren Form den Jalousieöffnungen von Fensterläden gleicht, um die Turbulenz der Luft zu vergrößern, die parallel zu den Rippen durchströmt, d.h. entsprechend dem Pfeil G.The fragment of the known cooler in Figure 1 is formed by tubes 1 with a very flat rectangular cross-section, of which parts of the two main sides or plates 2 have been shown for two of them. The water to be cooled flows in the tubes 1 in the direction of the arrow L through channels 4. The spaces between the tubes 1, considerably wider than the channels 4, are occupied by corrugated sheets 5, which are connected to the flat plates 2 at the tops of the corrugations by means of soldering points 6. The ribs of the sheets 5 are deep-drawn and form lamellae. 7, whose shape resembles the louvre openings of shutters, in order to increase the turbulence of the air which passes parallel to the ribs, ie according to the arrow G.

Der Nachteil, die Lötungen 6 kontrollieren zu müssen sowie das immer größere Interesse, Kühler aus polymerem Material zu bauen, um ihre Korrosion sowohl durch das flüssige Kühlmittel als auch durch das im Winter auf die Straßen gestreute Salz zu begrenzen und um sie billiger und leichter zu machen, sind die Hauptbeweggründe der Erfindung. Man wird nämlich feststellen, daß bestimmte Ausführungen der Erfindung vorteilhafterweise durch mit den thermoplastischen polymeren Materialien verbundene Techniken hergestellt werden können, wobei es unzulässig ist, sie auf diese Materialien zu beschränken, denn ihr wesentlicher Vorteil besteht darin, mit Hilfe einer einfachen Struktur eine gute Kühlleistung zu erzielen. Dabei sind auch duroplastische Materialien geeignet.The disadvantage of having to check the soldering 6 and the increasing interest in constructing radiators from polymeric material in order to limit their corrosion by both the liquid coolant and by the salt spread on the roads in winter and to make them cheaper and lighter, are the main motivations for the invention. It will be noted that certain embodiments of the invention can be advantageously manufactured using techniques associated with thermoplastic polymeric materials, but it is not permissible to restrict them to these materials, since their main advantage is to obtain good cooling performance using a simple structure. Thermosetting materials are also suitable.

Eine andere Konzeption der Kühlerplatten ist in der europaischen Patentanmeldung 0 397 487 beschrieben. Die Platten sind aus Polymer und weisen hohle Kanäle mit sehr ungleichmäßigen Querschnitten auf, gebildet durch schräge und überkreuzte Kanalteilstücke, um die Turbulenz des flüssigen Kühlmittels zu vergrößern, jedoch sind die Platten außen im Prinzip glatt und man kümmert sich nicht um die Strömung des Kühlfluids. Es ist nicht anzunehmen, daß die Wärmeaustauschleistung ebensogut wie bei der Erfindung ist, und der Druckverlust des flüssigen Kühlmittels ist sehr viel höher.Another design of the cooling plates is described in European patent application 0 397 487. The plates are made of polymer and have hollow channels with very irregular cross-sections, formed by inclined and crossed channel sections to increase the turbulence of the liquid coolant, but the plates are essentially smooth on the outside and no concern is had with the flow of the cooling fluid. The heat exchange performance is not expected to be as good as in the invention and the pressure drop of the liquid coolant is much higher.

Zu nennen ist auch das deutsche Patent DE-A-2 611 399, das einen Wärmetauscher beschreibt, dessen Platten extrudiert sind; dieses Herstellungsverfahren kann für die Platten des erfindungsgemäßen Kühlers gewählt werden.Also worth mentioning is the German patent DE-A-2 611 399, which describes a heat exchanger whose plates are extruded; this manufacturing process can be chosen for the plates of the cooler according to the invention.

Der erfindungsgemäße Kühler, im wesentlichen durch hohle parallele Platten aus polymerem Material gebildet, in denen in glatten Kanälen das flüssige Kühlmittel fließt und zwischen denen ein gasförmiges Kühlfluid wie z.B. Luft durchströmt, ist außerdem dadurch gekennzeichnet, daß die Platten dem flüssigen Kühlmittel ausgesetzte Flächen haben, die geradlinige und zu der Strömungsrichtung des Gases senkrechte Wölbungen aufweisen.The cooler according to the invention, essentially formed by hollow parallel plates made of polymer material in which the liquid coolant flows in smooth channels and between which a gaseous cooling fluid such as air flows, is further characterized in that the plates have surfaces exposed to the liquid coolant which have rectilinear curvatures perpendicular to the flow direction of the gas.

Diese Wölbungen haben die technische Funktion, die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern und Turbulenzen des flüssigen Kühlmittels zu erzeugen, indem sie den Querschnitt der Intervalle oder der Kanäle, die es durchfließt, variieren.These curvatures have the technical function of increasing the heat exchange surface and reducing turbulence of the liquid coolant by varying the cross-section of the intervals or channels through which it flows.

Einige Beispiele und Maßangaben werden weiter unten vorgeschlagen, aber es ist nicht nötig, daß die durch die Wölbungen verursachten Querschnittveränderungen groß sind, denn auch ihre Anzahl kann eine große Rolle spielen.Some examples and dimensions are suggested below, but it is not necessary that the cross-sectional changes caused by the curvatures are large, because their number can also play an important role.

Es ist auch vorteilhaft, wenn die Wölbungen von benachbarten Platten, die von beiden Seiten desselben Luftströmungskanals gegeneinander gerichtet sind, unterschiedliche und zu den Platten senkrechte Projektionen haben.It is also advantageous if the curvatures of adjacent plates directed towards each other from both sides of the same air flow channel have different and perpendicular projections to the plates.

Das Wärmeaustausch-Flächenelement des Kühlers kann aus Spritzguß-Halbplatten hergestellt werden, indem man die Halbplatten miteinander verschweißt, um Strömungskanäle des flüssigen Kühlmittels zu bilden. Für den Fall, daß die linearen Wölbungen durchgehend und parallel zu den Strömungskanälen sind, können die Platten durch ein kontinuierliches Extrusionsverfahren in einem Stück hergestellt werden, wobei die Wölbungen sich in der Achse der Röhren erstrecken: man greift also auf ein Extrusionsverfahren zurück.The heat exchange surface element of the radiator can be made from injection-molded half-plates by welding the half-plates together to form flow channels for the liquid coolant. In the case where the linear curves are continuous and parallel to the flow channels, the plates can be made in one piece by a continuous extrusion process, the curves extending along the axis of the tubes: an extrusion process is therefore used.

Auf alle Fälle erhält man eine einfache und wirtschaftliche Herstellung des Kühlers, wenn er außer den Platten Kühlmittelbehälter umfaßt, von den jeder eine Fläche aufweist, die mit Ausschnitten ausgespart ist, in denen jeweils ein Ende von einer der Platten steckt. Diese Konstruktion ist nämlich ebenfalls mit Behältern aus polymerem Material kompatibel. Die Behälter können mit den Platten durch Klebungen oder Schweißungen verbunden sein. Sie können auch noch, ebenfalls sehr einfach, eine semizylindrische oder ähnliche Hülle umfassen, die mit der ausgesparten Fläche mit Hilfe der gleichen Mittel verbunden ist.In any case, the radiator can be manufactured simply and economically if, in addition to the plates, it includes coolant tanks, each of which has a surface with cutouts into which one end of each of the plates is inserted. This construction is in fact also compatible with tanks made of polymer material. The tanks can be connected to the plates by gluing or welding. They can also, very simply, include a semi-cylindrical or similar casing connected to the cutout surface by the same means.

Die Erfindung wird nun mehr im Detail beschrieben, mit Bezug auf die beigefügten, beispielhaften und nicht einschränkenden Figuren:The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying, exemplary and non-limiting figures:

- die Figur 1 ist eine Ansicht einer Wärmeaustauschfläche der vorhergehenden Technik,- Figure 1 is a view of a heat exchange surface of the previous technique,

- die Figur 2 ist eine Gesamtansicht der Erfindung,- Figure 2 is an overall view of the invention,

- die Figur 3 ist eine Detailansicht einer Ausführung der Erfindung als Schnitt durch die Platten, wobei die Wölbungen in Längsrichtung verlaufen und durchgehend sind,- Figure 3 is a detailed view of an embodiment of the invention as a section through the plates, with the curvatures running in the longitudinal direction and being continuous,

- die Figur 4 zeigt den Anschluß der Platten an den Wasserbehältern,- Figure 4 shows the connection of the plates to the water tanks,

- die Figuren 5a bis 5f zeigen sechs Formen von seitlichen Wölbungen.- Figures 5a to 5f show six forms of lateral curvatures.

Die Figur 2 ist eine Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Kühlers Er umfaßt zwei übereinander angeordnete Wasserbehälter, d.h. einen Zuführungs- und einen Sammelbehälter. Jeder der Wasserbehälter 11 und 12 wird durch eine ausgesparte Platte 13 und eine Hülle 14 gebildet. Die Hülle 14 kann semizylindrisch sein und ihre extremen Mantellinien sind durch eine Schweißung oder eine Klebung mit der ausgesparten Platte 13 verbunden und ihr entgegengesetzter Teil ist durchbohrt und mit einem Stutzen 15 versehen. Ein nicht dargestellter Schlauch ist an die Stutzen 15 angeschlossen, um das Wasser des Motorkühlkreislaufs vom Sammelbehälter 12 zum Zuführungsbehälter 11 zu transportieren. Die Platten 9 der Erfindung erstrecken sich zwischen den ausgesparten Platten 13, in denen ihre Enden stecken und dort verschweißt oder verklebt sind, wie dargestellt in Figur 4. Wie angedeutet durch den Pfeil G erreicht die Umgebungsluft den Kühler 10 durch seine Vorderseite, durchquert ihn, indem sie ihn zwischen den Röhren 9 durchströmt und dabei das Wasser kühlt, das in den Platten 9 vom Behälter 11 zum Behälter 12 fließt. Der Kühler 10 befindet sich vorn am Kraftfahrzeug, hinter der Kühlerverkleidung bzw. dem Ziergitter und vor dem Motor. Da diese Anordnung klassisch ist, hat man sich damit begnügt, das Fahrzeug in der Vorderansicht nur durch den Rahmen A zu symbolisieren. Die Wasserbehälter 11 und 12 und die Platten 9 sind alle aus polymerem Material.Figure 2 is an overall view of a radiator according to the invention. It comprises two water tanks arranged one above the other, i.e. a supply tank and a collection tank. Each of the water tanks 11 and 12 is formed by a recessed plate 13 and a casing 14. The casing 14 can be semi-cylindrical and its extreme surface lines are connected to the recessed plate 13 by welding or gluing and its opposite part is drilled and provided with a nozzle 15. A hose (not shown) is connected to the nozzles 15 in order to transport the water of the engine cooling circuit from the collection tank 12 to the supply tank 11. The plates 9 of the invention extend between the recessed plates 13 in which their ends are inserted and welded or glued, as shown in Figure 4. As indicated by the arrow G, the ambient air reaches the radiator 10 through its front face, passes through it, passing between the tubes 9 and cooling the water which flows in the plates 9 from the tank 11 to the tank 12. The radiator 10 is located at the front of the vehicle, behind the radiator cover or grille and in front of the engine. Since this arrangement is conventional, it has been sufficient to symbolize the vehicle in the front view only by the frame A. The water tanks 11 and 12 and the plates 9 are all made of polymer material.

In Figur 3 sieht man, daß die Platten 9 wie bei der bekannten Ausführung aus zwei zueinander parallelen Hauptflächen bzw. -seiten 16 gebildet werden können, die durch zwei sehr viel kleinere Seiten 17 miteinander verbunden sind. Eine Verbindungsfläche 18 schneidet die kleinen Seiten 17, wenn die Platten 15 durch Spritzgießen in zwei Teilen oder Halbplatten hergestellt werden, von denen jede durch eine Hauptseite 16 und eine Hälfte der kleinen Seiten 17 gebildet wird, die dann durch Schweißen oder Kleben an der Verbindungsfläche 18 zusammengesetzt werden. Bei gewissen Ausführungen, bei denen die Platte 9 einen gleichförmigen Querschnitt hat, ist es jedoch möglich und vorteilhafter, sie durch kontinuierliches Extrudieren herzustellen. Die Platte 9 wird dann wie vorhergehend als Halbplatte hergestellt oder, was wahrscheinlich vorgezogen wird, aus einem Stück mit einer ähnlichen Form, außer daß es keine Verbindungsfläche 18 mehr gibt. Das in der Platte 9 eingeschlossene Volumen, das den Kanal 21 bildet, in dem das Wasser fließt, kann in parallele Kanäle unterteilt werden, getrennt durch Längsrippen 25, deren Funktion es ist, das Wasser besser zu leiten. Diese Längerippen 25 werden bei der Extrusion erzeugt oder je nach Fall durch Kleben oder Schweißen an den Platten 9 angebracht. Vorzugsweise ist der Kanal 21 auch glatt, d.h. daß er von einem Ende der Platte 9 zum anderen einen gleichmäßigen Querschnitt hat, um wieder keine Druckverluste aufzuweisen.In Figure 3 it can be seen that the plates 9 can be formed, as in the known embodiment, from two parallel main surfaces or sides 16 which are connected to one another by two much smaller sides 17. A connecting surface 18 intersects the small sides 17 when the plates 15 are manufactured by injection moulding in two parts or half-plates, each of which is formed by a main surface 16 and one half of the small sides 17, which are then assembled by welding or gluing to the connecting surface 18. However, in certain embodiments in which the plate 9 has a uniform cross-section, it is possible and more advantageous to by continuous extrusion. The plate 9 is then manufactured as a half-plate as before or, as is probably preferred, in one piece with a similar shape except that there is no longer any connecting surface 18. The volume enclosed in the plate 9, which forms the channel 21 in which the water flows, can be divided into parallel channels separated by longitudinal ribs 25 whose function is to better guide the water. These longitudinal ribs 25 are produced during extrusion or are attached to the plates 9 by gluing or welding, as the case may be. Preferably, the channel 21 is also smooth, that is to say it has a uniform cross-section from one end of the plate 9 to the other, so as again to avoid pressure losses.

Die Hauptseiten bzw. -flächen 16 haben lineare Wölbungen 19, die man hier im Schnitt sieht und die senkrecht sind zu der Strömungsrichtung G der Luft. Ihr Querschnitt kann semizylindrisch sein und mit der Hauptfläche mit einen Durchmesser verbunden sein. Mit p ist ihre Abstandsteilung längs der Hauptflächen 16 definiert und mit h ihre Höhe, d.h. ihr Radius, und mit e die Breite des Luftdurchgangskanals 20 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hauptflächen 16. Die linearen Wölbungen 19 variieren den Querschnitt der Kanäle 20 und machen die Luftströmung turbulent. Die derart erzwungene Verwirbelung erhöht die Umspülung der Hauptflächen 16 durch die Luft und verbessert den Wärmeentzug. Bei dieser Ausführung sind die linearen Wölbungen 19 über die gesamte freie Länge der Platten 9 durchgehend, d.h. zwischen den ausgesparten Platten 13, erstrecken sich aber nicht über die Teile bzw. Abschnitten der Platten 9, die in den ausgesparten Platten 13 stecken. Wenn sie durch das Herstellungsverfahren, z.B. das Extrudieren, auch in diesen Abschnitten zunächst vorhanden sind, werden sie anschließend weggeschnitten.The main sides or surfaces 16 have linear curvatures 19, which can be seen here in section and which are perpendicular to the flow direction G of the air. Their cross-section can be semi-cylindrical and connected to the main surface by a diameter. Their spacing along the main surfaces 16 is defined by p, their height, i.e. their radius, by h, and the width of the air passage channel 20 between two consecutive main surfaces 16 by e. The linear curvatures 19 vary the cross-section of the channels 20 and make the air flow turbulent. The turbulence forced in this way increases the flow of air around the main surfaces 16 and improves heat extraction. In this design, the linear curvatures 19 are continuous over the entire free length of the plates 9, i.e. between the recessed plates 13, but do not extend over the parts or sections of the plates 9 that are in the recessed plates 13. If they are initially present in these sections as a result of the manufacturing process, e.g. extrusion, they are subsequently cut away.

Die Verbesserungskoeffizienten des Wärmeübergangs zwischen Luft und der Wand der Platten 9 waren generell zwischen 1,25 und 3 enthalten, bei Zunahmen des relativen Druckverlustes zwischen 3 und 8. Die Werte des Verhältnisses h/e waren zwischen 0,01 und 0,5 enthalten und das Verhältnis p/h zwischen 5 und 100.The coefficients of improvement of heat transfer between air and the wall of the plates 9 were generally between 1.25 and 3, with increases in relative pressure loss between 3 and 8. The values of the ratio h/e were between 0.01 and 0.5 and the ratio p/h between 5 and 100.

Die benachbarten Hauptflächen 16 sind um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt, d.h. daß die linearen Wölbungen 19 sich auf halber Distanz zu den linearen Wölbungen 19 der benachbarten Platte 16 erstrecken.The adjacent main surfaces 16 are offset from each other by half a pitch, ie the linear curvatures 19 extend halfway to the linear curvatures 19 of the adjacent plate 16.

Einige Querschnitte von linearen Wölbungen 19 sind in den Figuren 5 dargestellt: die Figur 5a zeigt wieder eine halbkreisförmige Wölbung 19a auf einer Seitenplatte 16, wie in Figur 3; in Figur 5b ist eine quadratische Wölbung 19b dargestellt; die Figur 5c zeigt eine Wölbung 19c mit dem Querschnitt eines Dreiecks, von dem eine Seite die Verbindung zu der Platte 16 darstellt, und die Figur 5d zeigt eine rechteckförmige Wölbung 19d. Umgekehrte Wölbungen, die auch gewählt werden können, zeigen die Figuren 5e mit dem Querschnitt 19e eines durch eine Ecke mit der Platte 16 verbundenen Dreiecks und die Figur 5f mit einen beinahe kreisförmigen Querschnitt 19f.Some cross-sections of linear curvatures 19 are shown in Figures 5: Figure 5a again shows a semicircular curvature 19a on a side plate 16, as in Figure 3; Figure 5b shows a square curvature 19b; Figure 5c shows a curvature 19c with the cross-section of a triangle, one side of which represents the connection to the plate 16, and Figure 5d shows a rectangular curvature 19d. Reverse curvatures, which can also be selected, are shown in Figures 5e with the cross-section 19e of a triangle connected to the plate 16 by a corner and Figure 5f with an almost circular cross-section 19f.

Claims

1. Radiator of a motor vehicle, essentially formed by parallel plates (9) of polymeric material in which a heat transfer fluid circulates in smooth channels (21) and between which a gaseous cooling fluid circulates, characterized in that the plates (9) have surfaces exposed to the cooling fluid (G) which have rectilinear curvatures (19) perpendicular to the flow direction of the gas.

2. Cooler according to claim 1, characterized in that the rectilinear curvatures (19) are continuous.

3. Cooler according to one of claims 1 or 2, characterized in that the rectilinear curvatures of two adjacent plates have different projections perpendicular to the plates.

4. Radiator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the convexities, calculated with respect to a width (e) separating successive plates (9), have a height (h) comprised between 0.01 and 0.5.

5. Cooler according to one of claims 1 to 4, characterized in that the curvatures in the flow direction of the cooling fluid have a pitch (p) of between 5 and 100 based on their height (h).

6. Cooler according to one of claims 1 to 5, characterized in that the plates are extruded.

7. Cooler according to one of claims 1 to 5, characterized in that the plates are injection-molded.

8. Cooler according to one of claims 1 to 7, characterized in that the plates are formed by two half plates soldered or glued together.

9. Cooler according to one of claims 1 to 8, characterized in that it further comprises two heat transfer fluid containers (11, 12), each of these containers having a recessed surface or front (13) with cutouts in which one end of one of the plates (9) is seated.

10. Cooler according to claim 9, characterized in that the containers comprise a shell (14) connected to the recessed front (13), the recessed fronts (13) and the shells (14) being made of polymeric material.