-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher und eine
Wärmetauscher-Einheit für den Schmierölkreislauf
von Verbrennungsmotoren.
-
Stand der Technik
-
Bei
Verbrennungsmotoren kann zur Ölkühlung ein Wärmetauscher
verwendet werden, um das Schmieröl des Verbrennungsmotors
zu kühlen. Der Wärmetauscher umfasst üblicherweise
ein Wärmetauscherelement und Zu- und Abläufe für
das Schmieröl sowie Zu- und Abläufe für
eine Kühlflüssigkeit. Der Wärmetauscher
ist meistens durch den Schmierölkreislauf mit einem Flüssigkeitsfilter
verbunden. Der Flüssigkeitsfilter kann dabei entfernt von dem
Wärmetauscher angeordnet oder direkt in einer Wärmetauscher-Einheit
integriert sein. Der gesamte Wärmetauscher wird an einen
Motorblock angeflanscht, wobei das ungereinigte, erhitzte Rohöl
vom Motorblock über einen Zulauf zunächst in den
Wärmetauscher eingeleitet und dort gekühlt wird
und diesen anschließend über einen Ablauf wieder
verlässt. Anschließend kann das Öl der
Rohseite des Filterelementes zugeführt und im Filterelement
gereinigt werden. Über die Reinseite des Filterelementes
wird das gereinigte und gekühlte Öl wieder in
den Ölkreislauf im Motorblock eingeleitet. Der Wärmetauscher kann
auch auf der Reinseite des Filters angeordnet sein.
-
Um
zu verhindern, dass insbesondere nach einem Kaltstart bei großen
Kältegraden das in den Wärmetauscher einfließende Öl
auf Grund seiner bei niedrigen Temperaturen stark erhöhten
Viskosität verblockt und eine stationäre Durchströmung
des Wärmetauschers erschwert, kann z. B. vom Zulauf zum
Wärmetauscher ein Bypass abzweigen, der zum Ablauf des
Wärmetauschers oder bei vorhandenem Filter direkt zur Rohseite
des Filters führt. Der Bypass kann unabhängig
vom Betriebszustand offen und durch eine Verjüngung gedrosselt
sein. Bei anderen Wärmetauschern ist in ihm ein Überdruckventil
angeordnet, welches regulär in Schließposition
steht und damit den Bypass versperrt. Überschreitet der
Druck z. B. bei geringen Temperaturen aufgrund eines blockierten
Wärmetauschers einen zulässigen Grenzwert, öffnet
das Sperrventil und das Öl kann unmittelbar abströmen.
Auf diese Weise blockiert ein zugesetzter Wärmetauscher
nicht den gesamten Flüssigkeitskreislauf. Dadurch wird
insbesondere ein besseres Kaltstartverhalten erreicht.
-
Aus
der
DE 102 45 005
A1 ist eine Flüssigkeitsfilter-Wärmetauscher-Einheit
bekannt, bei der ein Bimetallelement abhängig von der Temperatur der
Flüssigkeit den Zustrom zum Wärmetauscher bzw.
durch den Bypass regelt, indem es sich bei Überschreiten
bzw. Unterschreiten einer spezifischen Schalttemperatur selbsttätig
zwischen zwei Schaltpositionen verstellt, wobei es den Bypass unterhalb
der Schalttemperatur öffnet und oberhalb der Schalttemperatur
verschließt.
-
Ein
Nachteil dieser Lösung ist, dass damit nur ein relativ
geringer Durchfluss bei gleichzeitig großem Strömungswiderstand
ermöglicht wird. Auch ist diese Lösung nicht dazu
geeignet, den Bypass im Falle eines Überdrucks bei hohen
Betriebstemperaturen zu öffnen.
-
Aus
der
DE 102 05 518
A1 ist ein thermostatgesteuertes Ventil mit einem integrierten
Bimetallelement bekannt, bei welchem das Bimetallelement ab einer
bestimmten Grenztemperatur den Ventilkegel öffnet.
-
Ein
Nachteil dieser Lösung ist, dass im Vergleich zu einem
reinen Druckregelventil das Bimetallelement als zusätzliches
Bauteil nötig ist. Ferner ermöglicht es nur einen
geringen Schaltweg.
-
Aus
der
US 6,746,170 ist
ein Ölmodul für einen Verbrennungsmotor bekannt,
bei welchem ein Bypass durch ein Thermostatventil gesteuert wird, welches
eine Feder aus einem Formgedächtniswerkstoff und eine entgegenwirkende
konventionelle Feder aufweist. Dabei dient die konventionelle Feder
als Rückstellfeder für die Formgedächtnisfeder.
Hierbei wirkt die Feder aus Formgedächtniswerkstoff in
die gleiche Richtung wie der Flüssigkeitsdruck der Rohseite,
die konventionelle Feder wirkt dem Flüssigkeitsdruck entgegen
und bringt die Kraft zum Öffnen des Ventils auf.
-
Von
diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem
zugrunde, einen Wärmetauscher zu schaffen, der das Kaltstartverhalten
eines Verbrennungsmotors verbessert.
-
Insbesondere
ergibt sich das Problem, einen Wärmetauscher mit konstruktiv
einfachen Maßnahmen und ohne steuernden Eingriff von außen
in der Weise auszubilden, dass bei niedrigen Temperaturen und geringem
Flüssigkeitsdruck ein Bypass geöffnet wird und
bei offenem Bypass ein höherer Volumenstrom durch den Bypass
ermöglicht und der Strömungswiderstand gesenkt
wird.
-
Dieses
Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 und 7 gelöst. Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für
Kraftfahrzeuge, zur Kühlung einer Flüssigkeit.
Er umfasst einen Zulauf und einen Ablauf für die zu kühlende
Flüssigkeit sowie einen Bypass, der unter Umgehung des
Wärmetauschers den Zulauf mit dem Ablaufkanal verbindet,
und ein Ventil zur Steuerung des Flüssigkeitsstromes in
den Wärmetauscher und/oder in den Bypass.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Ventil
zur Steuerung des Flüssigkeitsstromes in den Wärmetauscher
und/oder in den Bypass eine Feder aus einem Formgedächtniswerkstoff.
Diese kann dem Flüssigkeitsdruck im Zulaufkanal entgegenwirken.
-
Der
Vorteil der Integration einer Feder aus Formgedächtniswerkstoff
in das Ventil ist, dass damit der Öffnungsdruck des Ventils
abhängig von der Temperatur wird, wodurch auf einfache
Weise eine temperatur- und druckabhängige Regelung des Durchflusses
realisiert werden kann.
-
In
einer Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher
einen Flansch, der zur Befestigung der Einheit am Motorblock dient
und Zu- und Ablaufkanäle aufweist, welche mit korrespondierenden
Kanälen des Motorblocks in Verbindung bringbar sind.
-
Der
Wärmetauscher kann optional einen integrierten Flüssigkeitsfilter
aufweisen, welcher zur Reinigung der Flüssigkeit dient.
-
In
einer Ausführungsform befindet sich ein Ventil in oder
vor oder nach dem Bypass, welcher unter Umgehung des Wärmetauschers
den Zulauf des Wärmetauschers mit dem Ablauf des Wärmetauschers
verbinden kann.
-
Der
Bypass kann auch unmittelbar vom Zulauf des Wärmetauschers
zur Roh- oder Reinseite eines in den Wärmetauscher integrierten
Filterelementes des Flüssigkeitsfilters führen.
-
In
einer Ausführungsform ist der Bypass in einer Baugruppe
mit dem Wärmetauscher angeordnet. Dies ermöglicht
vorteilhaft einen hohen Integrationsgrad.
-
In
einer Ausführungsform ist der Bypass separat von der Baugruppe
des Wärmetauschers, zum Beispiel im Motorblock, insbesondere
im Kurbelgehäuse, in der Ölwanne oder in der Zylinderkopfhaube,
oder zum Beispiel separat im Motorraum angeordnet.
-
Das
Ventil kann vorteilhaft einen Ventilsitz, einem Ventilkegel und
mindestens eine Feder umfassen, welche das Verschließen
des Ventils bewirkt, wobei mindestens eine Feder in einem Formgedächtnis-Werkstoff
(z. B. Nickel-Titan, Kupfer-Zink, Kupfer-Zink-Aluminium, Kupfer-Aluminium-Nickel,
Eisen-Nickel-Aluminium) ausgeführt ist.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Feder aus Formgedächtnis-Werkstoff
die einzige Feder im Ventil. Damit kann das Bauvolumen, die Komplexität
und der Preis des Ventils gering gehalten werden.
-
Der
Formgedächtnis-Werkstoff ist vorteilhaft so ausgelegt,
dass sich die mechanischen Eigenschaften der Feder innerhalb des
Temperaturbereichs ändern, in welchem das Umschalten zwischen der
Durchströmung des Bypass und des Wärmetauschers
erfolgen soll.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Ventil von
einem konventionellen Federventil abgeleitet sein, wobei die konventionelle
Feder durch eine Formgedächtnisfeder ersetzt wird.
-
Bei
ansteigender Flüssigkeitstemperatur kann beim Überschreiten
einer Grenztemperatur zum Beispiel eine Gefügeänderung
im Federwerkstoff stattfinden, welche ohne entgegenwirkende Kraft
zu einer reversiblen Dehnung des Materials führt. Die Feder
weist so eine Kaltform und eine Warmform auf. Bei unterbundener
Dehnung ändert sich die Federkonstante und/oder die Spannung
der Feder und damit der Schließdruck des Ventils.
-
In
einer Ausführungsform ist die Feder aus Formgedächtniswerkstoff
unbelastet in ihrer Warmform länger als in ihrer Kaltform.
In einer anderen Ausführungsform ist die Feder aus Formgedächtniswerkstoff
unbelastet in ihrer Warmform kürzer als in ihrer Kaltform.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Ventil mit
der Feder in Kaltform bei geringen Öltemperaturen unterhalb
der Grenztemperatur eine geringe Schließkraft auf, bei
höheren Temperaturen oberhalb der Grenztemperatur mit der
Feder in Warmform eine höhere Schließkraft.
-
Das
Ventil ist so angeordnet, dass es bei geringen Temperaturen wie
beispielsweise beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors schon bei
geringem Flüssigkeitsdruck öffnet bzw. leicht
geöffnet ist und damit der Flüssigkeitsstrom unter
Umgehung des Wärmetauschers durch den Bypass auf die Rohseite des
Filterelementes geleitet wird.
-
Auf
diese Weise blockiert ein zugesetzter Wärmetauscher nicht
den gesamten Flüssigkeitskreislauf. Dadurch wird insbesondere
ein besseres Kaltstartverhalten erreicht.
-
Wird
im Normalbetrieb die optimale Flüssigkeitstemperatur erreicht,
ist das Ventil ganz oder teilweise geschlossen, wodurch der gesamte
Volumenstrom oder ein großer Teil des Volumenstroms durch den
Wärmetauscher geleitet wird. Dies geschieht beim Ölkreislauf
von Verbrennungsmotoren vorteilhaft ab einer Grenz-Öltemperatur
in einem Bereich zwischen ca. 60–100°C, besonders
vorteilhaft zwischen 80 und 90°C. Im Falle eines Druckanstiegs
im Flüssigkeitskreislauf z. B. durch einen zugesetzten Wärmetauscher
oder Druckspitzen von der Ölpumpe öffnet sich
das Ventil. Auf diese Weise erfüllt das Ventil eine Temperatur-
und Druckregelfunktion, für welche kein Eingriff von außen
notwendig ist.
-
Die
Anordnung des Ventils erfolgt vorteilhaft so, dass die Feder aus
Formgedächtniswerkstoff dem Flüssigkeitsdruck
auf der Seite des Zulaufs entgegenwirkt. Sie kann dabei entweder
stromauf oder stromab vom Ventilsitz angeordnet sein. Sie kann sowohl
als Druckfeder als auch als Zugfeder eingesetzt werden.
-
In
einer Ausführungsform wird eine Feder mit äußerem
Zweiwegeverhalten verwendet. Hierbei kann eine konventionelle Feder
als Rückstellfeder verwendet werden. Diese kann nach dem
Abkühlen durch Aufbringen einer äußeren
Kraft die Feder aus Formgedächtniswerkstoff wieder in ihre
Kaltform überführen.
-
Vorteilhaft
wird das Ventil hierbei so ausgeführt, dass allein der
Flüssigkeitsdruck die Rückstellkraft für
die Wiederherstellung der Kaltform aufbringt, und so auf eine Rückstellfeder
verzichtet werden kann.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform wird für die
Formgedächtnisfeder eine Feder mit intrinsischem Zweiwegeffekt
verwendet, wodurch beim Abkühlen keine äußere
Rückstellkraft erforderlich ist, sondern der Werkstoff
ohne äußere Einflüsse seine Kaltform
einnimmt.
-
In
einer Ausführungsform befindet sich die Formgedächtnisfeder
in ihrer Kaltform nicht unter Spannung, wodurch bereits bei sehr
geringem Flüssigkeitsdruck ein Durchfluss möglich
ist.
-
In
einer anderen Ausführungsform ist die Formgedächtnisfeder
in ihrer Kaltform im Ventil vorgespannt, wodurch auch im kalten
Zustand ein Öffnungsdruck überwunden werden muss.
-
In
einer Ausführungsform liegt der Öffnungsdruck
des Ventils bei einer Öltemperatur unter der Grenz-Öltemperatur
bei ca. 0–0.4 bar (vorteilhaft 0.2 oder 0.3 bar) und bei
einer Öltemperatur oberhalb der Grenztemperatur bei ca.
0.4–1.0 bar (vorteilhaft 0.6–0.8 bar). In einer
alternativen Ausführungsform liegt der Öffnungsdruck
des Ventils oberhalb der Grenztemperatur bei 2 +/– 0,5
bar.
-
Eine
Ausführungsform sieht die Verwendung von mindestens 2 Federn
vor. Diese können jeweils entweder als Druck- oder Zugfeder
ausgeführt sein. Die Federn können in Reihe und/oder
parallel und/oder entgegengesetzt angeordnet sein. Auf diese Weise
können die Federeigenschaften verschiedener Federn mit
oder ohne Formgedächtnis-Werkstoff kombiniert werden, um
die gewünschte Ventilcharakteristik zu erzielen.
-
Mindestens
eine Formgedächtnis-Feder kann dabei entweder stromauf
oder stromab vom Ventilsitz angeordnet sein.
-
Eine
Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das gesamte Ventil
als eine bauliche Einheit zu gestalten. Dies hat den Vorteil, dass
das Ventil außer halb des eingebauten Zustands geprüft
werden kann und in einfacher Weise als Modul in das System einsetzbar
ist.
-
In
einer weiteren Ausführungsform wird in einem bestehenden
Druckregelventil die konventionelle Feder durch eine Formgedächtnisfeder
ersetzt. Auf diese Weise können bestehende Wärmetauscher ohne
konstruktive Änderungen zu erfindungsgemäßen
Wärmetauschern umgerüstet werden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmetauscher
Teil einer Wärmetauscher-Einheit, welche weiter ein Filtergehäuse
und einen Filtereinsatz umfasst.
-
In
einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Wärmetauscher-Einheit,
insbesondere für Kraftfahrzeuge, zur Kühlung und
Filtration einer Flüssigkeit, umfassend
ein Wärmetauscherelement
mit einer Einlassöffnung und einen Auslassöffnung
für die zu kühlende Flüssigkeit, sowie
einen
Bypass, der den Wärmetauscher umgeht, und
ein Ventil
zur Steuerung des Flüssigkeitsstromes durch den Wärmetauscher
bzw. durch den Bypass, wobei das Ventil mindestens eine Feder aus
einem Formgedächtniswerkstoff beinhaltet, welche dem Flüssigkeitsdruck
im Zulauf entgegenwirkt,
ein Filtergehäuse, welches
einen Filtereinsatz mit einem Filterelement aufnimmt, wobei der
Filtereinsatz an einer unteren Endscheibe eine Rück laufsperrmembran
aufweist, welche die Rohseite in einen Zulaufraum und einen Ringraum
trennt, wobei der Ringraum das Filterelement umgibt, wobei der Rücklauf vom
Ringraum in den Zulaufraum verhindert wird, wobei der Zulaufkanal
mit der Einlassöffnung des Wärmetauscherelements
verbunden ist, wobei der Bypass den Zulaufkanal mit dem Zulaufraum
verbindet.
-
In
einer Ausführungsform umfasst der Filtereinsatz ein Mittelrohr,
welches die Reinseite des Filterelements mit dem Austrittskanal
verbindet.
-
In
einer Ausführungsform ist in dem Mittelrohr ein Überdruckventil
angeordnet. Vorteilhaft ist das Überdruckventil im Bereich
der oberen Endscheibe angeordnet. Ist das Filterelement zugesetzt, kann
im Falle eines Überdruckes auf der Rohseite das zu filternde
Medium von der Rohseite in das Mittelrohr überströmen.
-
In
einer Ausführungsform ragt das Mittelrohr in einem axialen
Fortsatz über die untere Endscheibe hinaus, welcher den
Zulaufraum durchdringt und an seinem Ende dichtend mit dem Austrittskanal
verbunden ist.
-
In
einer Ausführungsform umfasst der axiale Fortsatz an seinem
Ende zwei radiale Dichtungen, zwischen welchen eine radiale Austrittsöffnung
vorgesehen ist, durch welche das gereinigte Fluid in den Austrittskanal
strömen kann, wobei die erste Dichtung den Zulaufraum vom
Austrittskanal trennt, wobei der axiale Fortsatz im an die radiale
Austrittsöffnung an schließenden Bereich als Verschlussstopfen ausgebildet
ist, welcher einen Ölablaufkanal verschließt.
-
In
einer Ausführungsform verläuft der Bypass parallel
zur Hauptachse des Filtereinsatzes. Dabei ist die Öffnung
des Bypasses vorteilhaft in Richtung des Filtergehäusedeckels
gerichtet.
-
Dies
hat den Vorteil, dass der Bypass gemeinsam mit dem Rest des Innenraums,
welcher den Filtereinsatz aufnimmt, entformt werden kann, wobei die Öffnung
des Bypasses gut zugänglich ist. Das Ventil ist somit durch
die großzügig bemessene Öffnung in das
Filtergehäuse einbringbar, in welche auch der Filtereinsatz
eingebaut wird.
-
In
einer Ausführungsform ist das Ventil als Einheit in den
Bypass einschiebbar.
-
In
einer Ausführungsform ist das Filterelement auf das Mittelrohr
aufschiebbar, wobei die Endscheiben dichtend auf dem Mittelrohr
aufsitzen.
-
In
einer Ausführungsform ist das Mittelrohr in den Deckel
des Filtergehäuses eingeschnappt oder auf andere Weise
so mit dem Deckel verbunden, dass das Mittelrohr mit aufgeschobenem
Filterelement drehbar und mit Spiel an dem Deckel befestigt ist.
-
Die
Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Regelung des Durchflusses
eines Bypasskanals zur Umgehung eines Wärmetauschers für
den Schmierölkreislauf von Verbrennungsmotoren mit den
Verfahrensschritten Eintreten des Schmieröls in einen Sammelraum,
von welchem ein Zulauf zum einem Wärmetauscher und ein
Bypass zur Umgehung des Wärmetauschers abzweigen,
Beaufschlagung
eines Ventils, welches eine Feder aus Formgedächtnislegierung
aufweist und in oder vor dem Bypass angeordnet ist mit dem Flüssigkeitsdruck
und der Temperatur der in den Sammelraum einfließenden
Flüssigkeit, wobei die Feder aus Formgedächtniswerkstoff
die Schließkraft des Ventils entgegen dem Flüssigkeitsdruck
aufbringt,
Änderung der Federkonstante und der Schließkraft der
Ventilfeder aus Formgedächtniswerkstoff durch eine Gefügeänderung,
die eintritt, wenn die Temperatur des Gefüges eine Grenztemperatur über-
oder unterschreitet,
Öffnen oder Schließen
des Ventils abhängig vom Flüssigkeitsdruck und
dem Schließdruck des Ventils,
wobei die Schließkraft
des Ventils allein durch die Formgedächtnisfeder und deren
Gefügezustand bestimmt wird.
-
Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Umrüstung eines
Wärmetauschers, einer Wärmetauscher-Einheit oder
eines Ölkühlers, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Ventil mit einer Feder aus Formgedächtnis-Werkstoff
in den Wärmetauscher oder die Wärmetauscher-Einheit
inte griert wird, wobei ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher
oder eine erfindungsgemäße Wärmetauscher-Einheit
gebildet wird
-
Die
Erfindung betrifft ferner einen Ölkühler oder
eine Ölbehandlungseinheit, insbesondere zur Kühlung
und Filtration des Schmieröls einer Brennkraftmaschine,
umfassend einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher
oder eine erfindungsgemäße Wärmetauscher-Einheit.
-
Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt
einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Wärmetauscher-Einheit,
die zur Reinigung und Kühlung von Öl an einen
Motorblock eines Verbrennungsmotors angeflanscht werden kann.
-
2 zeigt
einen Schnitt des Ventils mit Feder aus Formgedächtnismaterial
zur Verwendung im Bypass eines erfindungsgemäßen
Wärmetauschers bzw. einer erfindungsgemäßen
Wärmetauscher-Einheit.
-
3 zeigt
schematisch und beispielhaft den Dehnungsverlauf eines trainierten
Materials sowie die Länge einer daraus bestehenden Feder
mit Zweiwege-Formgedächtnisverhalten. Das gezeigte Verhalten
kann für ein in Zugrichtung der Feder schließendes
Ventil verwendet werden.
-
4 zeigt
schematisch und beispielhaft den Dehnungsverlauf eines anderen trainierten
Materials sowie die Länge einer daraus bestehenden Feder
mit Zweiwege-Formgedächtnisverhalten. Das gezeigte Verhalten
kann für ein in Druckrichtung der Feder schließendes
Ventil verwendet werden.
-
5 zeigt
schematisch zwei Ventilvarianten mit Federn aus Formgedächtnis-Werkstoff.
Auf der linken Seite ist ein in Druckrichtung der Feder schließendes
Ventil, auf der rechten Seite ein in Zugrichtung der Feder schließendes
Ventil dargestellt.
-
6 zeigt
einen Schnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Wärmtauscher-Einheit.
-
7 zeigt
einen anderen Schnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Wärmtauscher-Einheit.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
Die
in 1 dargestellte Wärmetauscher-Einheit 1 dient
zum Kühlen und Reinigen von Schmieröl in einem
Verbrennungsmotor und umfasst einen Flüssigkeitsfilter 2 und
einen Wärmetauscher 3, wobei Flüssigkeitsfilter 2 und
Wärmetauscher 3 zwar als eigenständige
Bauteile ausgeführt sind, jedoch fest miteinander verbunden
sind. Der Filter kann ebenso außerhalb der Wärmetauscher-Einheit angeordnet
und mit dieser über den Flüssigkeitskreislauf
verbunden sein. In der in 1 dargestellten
Ausführungsform weist der Flüssigkeitsfilter 2 in einem
Filtergehäuse 4 ein als Hohlzylinder ausgeführtes
Filterelement 5 auf, dessen radiale Außenseite
die von der zu reinigenden Rohflüssigkeit radial anzuströmende
Rohseite 6 und dessen zylindrischer Innenraum die Reinseite 7 bildet, über
die die gereinigte Flüssigkeit axial abgeführt
wird. Das Filterelement 5 ist in einen Aufnahmeraum im
Filtergehäuse 4 eingesetzt, wobei der zylindrische
Innenraum des Filterelementes auf einen Gehäusestutzen 8 aufgesetzt
ist, der Teil eines Ableitungsrohrs zur Ableitung der gereinigten
Flüssigkeit in Pfeilrichtung 9 ist.
-
Die
Zufuhr der zu reinigenden, verschmutzten Flüssigkeit erfolgt
in Pfeilrichtung 10 in einen im Filtergehäuse 4 ausgebildeten
Zulaufkanal 11, in welchem ein Rücklaufsperrventil 12 zur
Vermeidung eines unerwünschten Rückfließens
der zu reinigenden Flüssigkeit entgegen Pfeilrichtung 10 angeordnet
ist. Der Zulaufkanal 11 kommuniziert mit einer Einlassöffnung 13 im
Gehäuse des seitlich am Filtergehäuse 4 angeordneten
Wärmetauschers 3. Im regulären Betrieb – oberhalb
einer Schalt- bzw. Grenztemperatur der Flüssigkeit – strömt
die zu reinigende Flüssigkeit durch den Zulaufkanal 11 und über
die Einlassöffnung 13 in den Wärmetauscher 3,
wird in diesem gekühlt und fließt anschließend über
eine Auslassöffnung 14 im Gehäuse des
Wärmetauschers 3 und einen Verbindungskanal 15 im
Filtergehäuse in den äußeren, das Filterelement 5 umgreifenden
Ringraum und trifft radial auf die Rohseite 6 des Filterelementes.
Nach dem radialen Durchströmen des Filterelementes wird über
die Reinseite 7 und den Gehäusestutzen 8 die
gereinigte und gekühlte Flüssigkeit in Pfeilrichtung 9 abgeleitet.
-
Gemäß 1 und 2 ist
der Zulaufkanal 11 über einen Bypass 16 in
der Wandung des Filtergehäuses – welcher der Einlassöffnung 13 zum
Wärmetauscher 3 gegenüberliegt – unmittelbar
mit dem das Filterelement 5 umgreifenden Ringraum sowie der
Rohseite 6 des Filterelementes verbunden. Die Bypassöffnung
ist von einem im Bereich des Zulaufkanals 11 angeordneten
Ventil 17 zu verschließen bzw. zu öffnen,
wobei das Ventil 17 eine Feder aus Formgedächtniswerkstoff 18 umfasst,
welche bei Überschreiten und Unterschreiten einer spezifischen Schalttemperatur
ihre mechanischen Eigenschaften ändert.
-
In 2 ist
das Ventil (entsprechend dem Ventil 17 im Filtergehäuse 4 gemäß 1)
in seiner Öffnungsposition dargestellt. Die Feder aus Formgedächtniswerkstoff 18 ist
zwischen Ventilkegel 22 und Ventilhaube 24 eingespannt,
wobei die Ventilhaube 24 mit Durchbrüchen 25 versehen
ist, durch welche das Öl abströmen kann. Der in
den Zulaufkanal 11 einströmende Flüssigkeitsstrom
wird unmittelbar in Pfeilrichtung 23 über den
Bypass 16 unter Umgehung des Wärmetauschers 3 zur
Rohseite 6 des Filterelementes 5 geführt.
Unterhalb seiner spezifischen Schalttemperatur, die im Falle einer Ölfilterung bzw. Ölkühlung
beispielsweise bei 80°C liegt, weist die Feder aus Formgedächtniswerkstoff 18 ihre
Kaltform auf. Die Feder 18 ist so ausgelegt, dass sie in diesem
Zustand so stark gespannt ist, dass ein geringer Druck des Venitlkegels 22 auf
dem Ventilsitz 21 erzeugt wird. Das Ventil weist in diesem
Zustand einen geringen Öffnungsdruck auf. Dabei reicht
der normale Flüssigkeitsdruck beim Betrieb des Verbrennungsmotors
in kaltem Zustand aus, um das Ventil zu öffnen. So lässt
sich verhindern, dass die bei niedrigen Temperaturen erhöhte
Viskosität der zu reinigenden Flüssigkeit zu einem
Blockieren und Verstopfen des Wärmetauschers 3 führt.
Bei Überschreiten der Schalttemperatur ändert
sich das Gefüge der Feder aus Formgedächtniswerkstoff 18,
wodurch sich ihre Länge in unbelastetem Zustand vergrößern
würde. Durch die Einspannung der Feder 18 im Ventil 17 und die
dadurch vorgegebene Länge bildet sich jedoch eine höhere
Vorspannung der Feder aus, wodurch die Federkraft und damit der Öffnungsdruck
des Ventils ansteigen. Bei Überdruck im Zulaufkanal 11 wird jedoch
die Schließkraft des Ventils überwunden. So ist
der Bypass 16 bei Flüssigkeitstemperaturen oberhalb
der Schalttemperatur und bei normalen Druckverhältnissen
abgesperrt, so dass der gesamte Flüssigkeitsstrom über
die Einlassöffnung 13 durch den Wärmetauscher 3 geführt
wird. Bei Flüssigkeitstemperaturen unter der Schalttemperatur
und normalen Druckverhältnissen ist der Bypass hingegen
geöffnet, ebenso bei Flüssigkeitstemperaturen
oberhalb der Schalttemperatur und gleichzeitigen Druckspitzen von
der Ölpumpe im Zulaufkanal 11.
-
6 und 7 zeigen
verschiedene Schnitte einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Wärmetauscher-Einheit 101. Die Wärmetauscher-Einheit 101 umfasst
einen Anschlussflansch 142, in welchem ein Zulaufkanal 111 angeordnet
ist, durch welchen das zu reinigende und zu kühlende Fluid
in die Wärmetauscher-Einheit einfließt. Vom Zulaufkanal
zweigt die Einlassöffnung 113 zum Wärmetauscherelement 103 ab.
Aus diesem strömt das Fluid durch die Auslassöffnung 115 in
den Zulaufraum 106a. Der Einlassöffnung 113 nachgeordnet schließt
sich ein Bypass 116 an den Zulaufkanal 111 an,
welcher in einer vorteilhaften Ausführungsform wie in 6 gezeigt
als gerade Fortsetzung des Zulaufkanals 111 ausgebildet
ist. Der Bypass 116 verbindet unter Umgehung des Wärmetauscherelements
den Zulaufkanal 111 mit dem Zulaufraum 106a. In
dem Bypass 116 ist ein Ventil 117 mit einer einzelnen
Feder 118 angeordnet, wobei die Feder 118 aus
einem Formgedächtniswerkstoff mit intrinsischem Zweiwegeeffekt
besteht. Beim Durchschreiten des Grenztemperaturbereichs um ca.
80 +/– 10°C ändert sich die Gefügestruktur
der Feder 118 und damit die Federkonstante und der Öffnungsdruck
des Ventils 117. Das Ventil 117 ist so ausgelegt,
dass bei Fluidtemperaturen unterhalb des Grenztemperaturbereichs
der Öffnungsdruck des Ventils im Bereich weniger Zehntel
bar, insbesondere 0–0,5 bar liegt. Auf diese Weise wird
in diesem Zustand der Bypass 116 im Betrieb dauerhaft durchströmt.
Gleichzeitig wird das Wärmetauscherelement durchströmt.
Auf diese Weise ist im kalten Zustand der Strömungswiderstand
der Anordnung minimiert. In warmem Zustand, oberhalb des Grenztemperaturbereichs,
weist die Feder 118 eine höhere Federkonstante
auf, wobei das Ventil so ausgelegt ist, dass der Öffnungsdruck im
Bereich von 1–3 bar, vorteilhaft im Bereich von 2 +/– 0,5
bar liegt. Das Ventil 117 wirkt damit in warmem Zustand
wie eine konventionelles Kühlerumgehungsventil.
-
Der
Bypass 116 verläuft parallel zur Hauptachse des
Filtereinsatzes 102. Dabei ist die Öffnung des
Bypasses vorteilhaft in Richtung des Deckels 141 des Filtergehäuses 104 gerichtet.
Dies hat den Vorteil, dass der Bypass gemeinsam mit dem Rest des
Innenraums, welcher den Filtereinsatz aufnimmt, entformt werden
kann, wobei die Öffnung des Bypasses gut zugänglich
ist. Das Ventil 117 ist somit durch die großzügig
bemessene Öff nung in das Filtergehäuse einbringbar,
in welche auch der Filtereinsatz eingebaut wird. Dabei ist das Ventil 117 als
Einheit ausgebildet und fertig montiert in den Bypass einschiebbar.
-
Die
Feder 118 ist auf der Anströmseite des Ventils 117 angeordnet
und wirkt dem dort herrschenden Flüssigkeitsdruck entgegen.
Der Ventilkegel 145 liegt auf der der Feder 118 gegenüberliegenden
Seite auf dem Ventilsitz 146 auf und weist einen Fortsatz auf,
der durch die Feder 118 hindurchragt. Der Fortsatz ist
auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite der Feder mit der Feder
verbunden, wobei sich die Feder auf ihrem anderen Ende am Ventilsitz 146 abstützt. Somit
zieht die Feder 118 den Ventilkegel 145 entgegen
der Strömungsrichtung auf den Ventilsitz 146. Das
Ventil 117 wird in dem Bypass 116 montiert, indem
es in den Bypass eingeschoben wird. Durch ein Übermaß des
Ventilsitzes 146 wird das Ventil 117 fest im Bypass 116 verspannt.
-
Im
Filtergehäuse 104 ist ein Filtereinsatz 102 angeordnet,
welcher ein Mittelrohr 133 und ein Filterelement 132 umfasst.
Das Filterelement 132 ist auf das Mittelrohr aufgeschoben
und im Bereich der Endscheiben dichtend mit dem Mittelrohr 133 verbunden. In 6 ist
das Filterelement 132 nicht abgebildet, seine Position
ist durch zwei Kreuze angedeutet. Das Filterelement 132 weist
an seiner unteren Endscheibe 131 eine Rücklaufspreemembran 130 auf,
welche einen Rücklauf der Flüssigkeit aus dem
Ringraum 106b in den Zulaufraum 106a verhindert.
Am der Rücklauf sperrmembran 130 gegenüberliegenden Ende
des Filterelements 132 ist im Mittelrohr 133 ein Überdruckventil 135 angeordnet,
welches bei Überdruck im Ringraum 106b, zum Beispiel
bei zugesetzten Filterelement 132, öffnet und
den Ringraum mit dem Innenraum des Mittelrohrs 133 verbindet.
Im Falle eines Überdrucks im System, insbesondere in kaltem
Zustand und dickflüssiger Schmierflüssigkeit, wirkt
die Anordnung der Ventile 117 und 135 sowie der
Rücklaufsperrmembran 130 in vorteilhafter Weise
zusammen. Das Ventil 117 öffnet und öffnet
einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt parallel
zum Wärmetauscherelement, wodurch in einem ersten Schritt
der Strömungswiderstand minimiert wird. Die anschließend
durchströmte Rücklaufsperrmembran 130 öffnet
einen insbesondere im Vergleich zu einem normalen Rücklaufsperrventil
großen Querschnitt, wodurch auch an dieser Stelle ein minimaler
Differenzdruck erreicht wird. Das anschließend durchströmte
Filterelement 132 kann insbesondere bei kalter, dickflüssiger
Schmierflüssigkeit einen großen Strömungswiderstand
erzeugen, welcher durch das bei erhöhtem Druck öffnende Überdruckventil 135 reduziert
wird. Die Gesamtanordnung ist somit neben den erfüllten
Sicherheitsfunktionen dazu geeignet, insbesondere im kalten Zustand
den Differenzdruck des Gesamtsystems zu minimieren, wodurch die Emissionen
einer Brennkraftmaschine, welche mit der Wärmetauscher-Einheit
ausgerüstet ist, im kalten Zustand, insbesondere beim Kaltstart
zu reduzieren.
-
Das
Mittelrohr 133 weist einen axialen Fortsatz 136 auf,
welcher die Reinseite 107 des Filterelements mit dem Austrittskanal 134 am
Anschlussflansch 142 verbindet. Der axiale Fortsatz 136 taucht in
einen Stutzen 143 ein, von welchem der Austrittskanal 134 und
ein Ölablaufkanal 140 abzweigen. Dabei umfasst
der axiale Fortsatz an seinem Ende zwei radiale Dichtungen, zwischen
welchen eine radiale Austrittsöffnung 137 vorgesehen
ist, durch welche das gereinigte Fluid in den Austrittskanal 134 strömen
kann, wobei die erste Dichtung 139 den Zulaufraum 106a vom
Austrittskanal 134 trennt. Der axiale Fortsatz ist im an
die radiale Austrittsöffnung 137 anschließenden
Bereich als Verschlussstopfen 138 mit einer zweiten Dichtung 144 ausgebildet,
welcher den Ölablaufkanal 140 verschließt.
-
Das
Mittelrohr 133 ist mit dem Deckel 141 durch eine
Schnappverbindung derart verbunden, dass das Mittelrohr 133 zu
dem Deckel 141 verdrehbar ist. Wird der Deckel 141,
welcher durch eine Schraubverbindung mit dem Filtergehäuse 104 verbunden
ist, geöffnet, wird gleichzeitig auch das Mittelrohr und
das Filterelement 132 gelöst. Damit sind Deckel 141,
Mittelrohr 133 und Filterelement 132 als Einheit
entnehmbar.
-
Wird
der Deckel 141 gelöst, öffnet zuerst
der Verschlussstopfen 138, wodurch die in der Anordnung
befindliche Schmierflüssigkeit in den Ölablaufkanal
ablaufen kann. Hierbei fließt zuerst die schon gereinigte,
noch im Mittelrohr 133 befindliche Schmierflüssigkeit
ab. Wird der Deckel 141 wei ter geöffnet, verliert
die erste Dichtung 139 den Kontakt. Nun kann die Schmierflüssigkeit
aus dem Zulaufraum 106a, dem Ringraum 106b sowie
ein Teil der Schmierflüssigkeit aus dem Wärmetauscherelement 103 abfließen.
Die Auslassöffnung 115 ist in einer vorteilhaften
Ausführungsform möglichst tief, d. h. in möglichst
geringer Höhe angeordnet, wodurch ein möglichst
großer Volumenanteil aus dem Wärmetauscherelement
ablaufen kann.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Stutzen 143 im
Bereich des Zulaufraums 106a eine Öffnung auf,
welche den Innenraum des Stutzens 143 mit dem Zulaufraum 106a verbindet
(hier nicht gezeigt). Auf diese Weise wird erreicht, dass der Zulaufraum 106a vollständig
leerlaufen kann, auch wenn der Stutzen in den Zulaufraum 106a hineinragt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10245005
A1 [0004]
- - DE 10205518 A1 [0006]
- - US 6746170 [0008]