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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Anschluss an einen Ölkreislauf eines Kraftfahrzeuges, mit einem einen ersten Innenraum umschließenden Gehäuse, an dem ein Öleinlassanschluss sowie ein beabstandet hierzu angeordneter Ölauslassanschluss angeordnet sind, wobei im ersten Innenraum des Wärmetauschers Wärmetauschermittel zur Änderung der Temperatur des durch den ersten Innenraum über den Öleinlassanschluss zum Ölauslassanschluss hindurch strömenden Motoröls angeordnet sind.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich in erster Linie auf Kraftfahrzeuge, welche als Antrieb mit Verbrennungsmotoren ausgestattet sind, die eine Füllung von Motoröl zur Schmierung enthalten. Niedrige Umgebungstemperaturen führen zu einem Anstieg der Viskosität des Motoröls, so dass in der Startphase eines Verbrennungsmotors und dem damit einhergehenden Warmlaufen der Kraftstoffverbrauch und damit die Schadstoffemission stark ansteigt.
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Stand der Technik
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Die
DE 103 13 959 A1 offenbart eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Vorheizen eines Verbrennungsmotors sowie auch den Innenraum eines Kraftfahrzeuges. Hierfür definiert ein Steuerungsmodul eine minimale Temperatur des Motorkühlmittels im Rahmen einer Vorheizungsstrategie. Eine elektrisch mit dem Steuerungsmodul verbundene Flüssigkeits-Heizung dient dem Aufheizen des Motorkühlmittels sowie auch des Motoröls. Weiterhin ist eine elektrische Wasserpumpe zum Pumpen von Motorkühlmittel zwischen dem Motor und der Flüssigkeitsheizung vorgesehen sowie eine elektrische Ölpumpe zum Pumpen von Motoröl zwischen dem Motor und der Flüssigkeitsheizung wobei die elektrischen Pumpen mit dem Steuerungsmodul elektrisch verbunden sind und die elektrische Pumpe für das Motoröl durch Leitungen mit der Flüssigkeitsheizung und dem Motor verbunden ist, wodurch der Ölkreislauf erweitert wird.
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Die Flüssigkeitsheizung stellt dabei einen Wärmetauscher dar und umfasst einen Heizungskern zur Erwärmung des hindurch strömenden Motoröls sowie auch des hindurch strömenden und hiervon separat geleiteten Kühlmittels. Als Energiequelle dient der Flüssigkeitsheizung für Kühlmittel und Motoröl die elektrische Spannungsquelle des Fahrzeuges. Alternativ hierzu wird auch vorgeschlagen, eine Kraftstoffquelle des Fahrzeuges als Energiequelle zu nutzen, wie dies auch von herkömmlichen kraftstoffbetriebenen Standheizungen allgemein bekannt ist.
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Ersterenfalls wird das batteriebetriebene Boardspannungsnetz des Kraftfahrzeuges vor und während der Startphase durch die zusätzliche Bereitstellung elektrischer Energie zur Aufheizung des Wärmetauschers stark belastet. Anderenfalls – bei Verwendung von Kraftstoff als Energiequelle – ist ein recht hoher geräte- und sicherheitstechnischer Aufwand zum Betrieb eines hiermit befeuerten Wärmetauschers erforderlich.
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Es sei darauf hingewiesen, dass ein Wärmetauscher der hier interessierenden Art nicht allein zum Aufheizen von Motoröl verwendet werden kann. Es ist auch möglich, andere flüssige Medien durch den Wärmetauscher aufzuheizen oder – bei Bedarf – auch abzukühlen, falls die Wärmetauschermittel nicht zum Aufheizen, sondern zum Abkühlen geeignet sind.
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Da der vorstehend beschriebene bekannte Wärmetauscher mehrere Flüssigkeitskreisläufe beinhaltet und zum Betrieb des Heizkerns außerdem zusätzlicher Anschlüsse zur Zuführung von Kraftstoff oder elektrischer Energie mit höherer Stromstärke bedarf, ist die Herstellung und der Betrieb recht aufwändig.
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Aus der
EP 0 692 695 B1 geht ein Wärmetauscher hervor, bei welchem ein Bündel von Rohren mit Lamellen versehen ist, welche durch wenigstens einen Wasserkasten geführt sind. Der Wärmetauscher wird bei diesem Stand der Technik als Ölkühler genutzt. Zur Herstellung sind an diesem Wasserkasten durchziehenden Rohre die Lamellen durch Schweißen oder Hartloten anzubringen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wärmetauscher zum Anschluss an einen Ölkreislauf eines Kraftfahrzeuges zu schaffen, welcher einfach aufgebaut ist und eine energieeffiziente Temperaturänderung des hindurch strömenden Mediums ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die in einen gattungsgemäßen Wärmetauscher integrierten Wärmetauschermittel als ein aus einem endlos gefertigten Metallblech bestehender Faltenbalg ausgebildet sind, dessen beiden einander gegenüberliegenden stirnseitigen Öffnungen durch je zugeordnete Deckelscheiben verschlossen sind, wobei der so im Faltenbalg gebildete zweite Innenraum Temperaturänderungsmittel zur Änderung der Temperatur des durch den angrenzenden ersten Innenraum hindurch strömenden Motoröls oder eines anderen Mediums enthält.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass sich ein als Faltenbalg ausgebildetes Wärmetauschermittel einfach herstellen lässt, indem ein Metallblech zunächst zur Einbringung der Lamellen durch Umformen profiliert wird und anschließend vorzugsweise zu einem Ring geformt und an den Endseiten durch beispielsweise eine dann entlang der Mantelfläche verlaufenden Schweißnaht zusammengefügt wird. Es entsteht ein Körper mit einer zylindrischen Hüllkontur, dessen Mantelfläche allerdings durch die eingeformten Lamellen eine vergrößerte Oberfläche besitzt. Die vergrößerte Oberfläche steigert entsprechend den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers zum ersten Innenraum des Wärmetauschers hin, durch welchen das vorzugsweise aufzuheizende Motoröl hindurch strömt.
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Die Profilierung des Faltenbalgs ermöglicht es des weiteren Konturen oder Abstandsnoppen einzuarbeiten, welche die Lage oder den Abstand der Falten zueinander sowie den Fluss des Motoröls beeinflussen.
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Vorzugsweise sollten die stirnseitig die Öffnungen verschließenden Deckelscheiben mindestens einen Anschluss zum Befüllen des Innenraums mit einem Temperaturänderungsmittel aufweisen. Als Temperaturänderungsmittel kann hierbei beispielsweise ein Phasenwechselmaterial verwendet werden, konkret eine Natrium-Acetat-Trihydrat-Schmelze. Dieses Material speichert Wärmeenergie und setzt diese bei Erreichen einer maximalen Unterkühlungstemperatur durch Auslösen einer Nukleation des Phasenwechselmaterials im Rahmen einer thermochemisch exothermen Reaktion frei. Zur Auslösung der Nukleation reicht es aus, mit einem geeigneten thermoelektrischen Element eine auf eine kleine Fläche begrenzte lokale Unterkühlung herbeizuführen, welche im Phasenwechselmaterial einen Kristallisationskeim bildet. Die Wirkungsweise eines solchen thermochemischen Phasenwechselmaterials als Heizmittel ist allgemein bekannt und braucht daher an dieser Stelle nicht weiter beschrieben zu werden.
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Alternativ zu einer Befüllung des Innenraums des Faltenbalgs mit einem Phasenwechselmaterial ist es auch möglich, den Innenraum des Faltenbalgs mit einem herkömmlichen Heizelement zu versehen. Ebenso ist es denkbar, den Innenraum des Faltenbalgs an einen Heizwasserkreislauf oder dergleichen anzuschließen.
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Bei Verwendung eines vorzugsweise als Temperaturänderungsmittel zu verwendenden thermochemischen Phasenwechselmaterials entfällt allerdings der mit den alternativen Ausführungsmöglichkeiten verbundene technische Aufwand. Das Phasenwechselmaterial lädt sich mit Wärmeenergie wieder auf, wenn das durch den Wärmetauscher während des normalen Betriebs des Verbrennungsmotors hindurch strömende Motoröl seine Betriebstemperatur erreicht hat. Diese Wärmeenergie kann dann wieder bei der nächsten Startphase des Verbrennungsmotors zum Vorheizen des Motors zum Vorheizen des Motoröls gemäß des bevorzugten Anwendungsfalls der Erfindung genutzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die den Faltenbalg stirnseitig verschließenden Deckelscheiben aus Kunststoff bestehen und im Bereich der stirnseitigen Öffnungen an dem aus Metallblech bestehenden Faltenbalg durch eine stoffschlüssige Verbindung befestigt sind.
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Diese stoffschlüssige Verbindung kann gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform durch randseitiges Aufschmelzen des Kunststoffmaterials der Deckelscheibe an das Metallblech des Faltenbalges hergestellt werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Deckelscheibe im Öffnungsbereich des Faltenbalges einzukleben. Im Falle eines Anschmelzens kann die Deckelscheibe beispielsweise durch Infrarotbestrahlung oder Kontaktschweißen im Randbereich lokal aufgeschmolzen werden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung die Deckelscheibe wannenförmig auszubilden und mit einer Vergussmasse zu füllen, in welche der Faltenbalg randseitig eingesetzt ist.
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Zur Erhöhung der Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Faltenbalg und Deckelscheibe wird vorgeschlagen, den Randbereich seitens der stirnseitigen Öffnung des Faltenbalges mit einer perforierten oder aufgerauten Oberfläche zu versehen. Die aufgeraute Oberfläche kann beispielsweise auch durch Laserbearbeitung oder Galvanik erzeugt werden. Durch diese Maßnahme wird eine zuverlässig dichte und mechanisch belastbare Verbindung erreicht werden.
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Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Faltenbalg aus einem Edelstahlblech gefertigt. Durch das Edelstahlmaterial wird eine Korrosion durch Einwirkung von Motoröl einerseits und vorzugsweise Phasenwechselmaterial andererseits wirkungsvoll verhindert. Es ist jedoch auch möglich, den Faltenbalg aus einem anderen Metallblech, beispielsweise aus einem Aluminiumblech herzustellen, falls die hiermit in Berührung kommenden Medien nicht zu einer Korrosion führen.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Wärmetauschers zum Anschluss an einen Ölkreislauf eines Kraftfahrzeuges;
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2 eine erste Ausführungsform der Befestigung einer Deckelscheibe an einer Öffnung des Faltenbalges, und
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3 eine zweite Ausführungsform der Befestigung einer Deckelscheibe an einer Öffnung des Faltenbalges.
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Nach 1 besteht ein Wärmetauscher zum Anschluss an einen – nicht weiter dargestellten – Ölkreislauf eines Kraftfahrzeuges aus einem Gehäuse 1, welcher einen Innenraum 2 umschließt. Außen am Gehäuse 1 ist im oberen Randbereich ein Öleinlassanschluss 3 des Ölkreislaufes und am unteren Randbereich ein Ölauslassanschluss 4 des Ölkreislaufes angeordnet. Im ersten Innenraum 2 des Wärmetauschers befindet sich ein metallischer Faltenbalg 5 als Wärmetauschermittel, welcher einen zweiten Innenraum 6 einschließt der mit einem Temperaturänderungsmittel in Form eines Phasenwechselmaterials befüllt ist.
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Zur Bildung des geschlossenen zweiten Innenraums 6 ist der Faltenbalg 5 seitens seiner beiden einander gegenüberliegenden stirnseitigen Öffnungen 8a und 8b durch je zugeordnete Deckelscheiben 9a bzw. 9b verschlossen.
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Das thermochemische Phasenwechselmaterial im zweiten Innenraum 6 wird über einen in der Deckelscheibe 9a angebrachten Anschluss 10 in den Innenraum 6 des Faltenbalges 5 eingefüllt.
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Eine Aktivierung des thermochemischen Phasenwechselmaterials im Innenraum 6 erfolgt über eine hieran angeordnete Aktivierungseinheit 7, welche durch Unterkühlung des thermochemischen Wechselmaterials unter eine kritische Temperaturgrenze eine Phasenwechsel als exotherme Reaktion des Phasenwechselmaterials herbeiführt und somit eine Aufheizung im Wärmetauscher bewirkt.
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Die beiden Deckelscheiben 9a und 9b bestehen bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem thermoplastischen Kunststoff und sind im Bereich der stirnseitigen Öffnungen 8a und 8b an dem aus einem Edelstahlblech bestehenden Faltenbalg 5 durch eine stoffschlüssige Verbindung befestigt.
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Zwischen zwei benachbarten Lamellen des Faltenbalgs 5 sind seitens des ersten Innenraums 2 Abstandselemente 12 eingesetzt, um die Position der Falten zueinander sowie den Fluss des Motoröls zu definieren und dadurch zu optimieren.
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Nach 2 kann gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform die stoffschlüssige Verbindung der – hier exemplarisch dargestellten – Deckelscheibe 8b an den Faltenbalg durch Anschmelzen hergestellt werden. Hierbei wird die Deckelscheibe 8b an der Kontaktfläche durch Wärmeeinwirkung angeschmolzen und der Randbereich des Faltenbalgs in die angeschmolzenen Deckelscheibe 8b eingetaucht, so dass nach Erstarren des Kunststoffmaterials die gewünschte stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen entsteht. Zur Steigerung der Dichtigkeit und Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung ist der mit der Deckelscheibe 8b in Kontakt kommende Bereich des Faltenbalkes 5 mit einer aufgerauten und perforierte Oberfläche versehen.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform nach 3 wird zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Faltenbalg 5‘ und der Deckelscheiben 8b‘ eine Vergussmasse 11 verwendet. Die Deckelscheibe 8b‘ ist hier wannenförmig gestaltet, um die Vergussmasse 11, beispielsweise ein Kunstharz, im flüssigen bis pastösen Zustand aufzunehmen. Durch anschließendes Eintauch des Randbereichs des Faltenbalges 5‘ wird die stoffschlüssige Verbindung nach Aushärten der Vergussmasse 11 hergestellt.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist beispielsweise auch möglich, dass der Wärmetauscher nicht allein zum Aufheizen von Motoröl verwendet wird. Je nach Befüllung des Innenraums des Faltenbalges 5 kann der Wärmetauscher beispielsweise auch als ein Ölkühler genutzt werden oder auch andere flüssige Medien als Öl aufheizen oder abkühlen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10313959 A1 [0003]
- EP 0692695 B1 [0008]
