DE1125456B

DE1125456B - Process for operating a Ranque Hilsch vortex tube for air cooling and equipment for practicing the process

Info

Publication number: DE1125456B
Application number: DEM44021A
Authority: DE
Inventors: Ken-Iti Munakata
Original assignee: KEN ITI MUNAKATA
Current assignee: KEN ITI MUNAKATA
Priority date: 1959-01-19
Filing date: 1960-01-18
Publication date: 1962-03-15

Description

Verfahren zum Betriebe eines Ranque^Hilsch-Wirbelrohres zur Luftkühlung und Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betriebe eines Ranque-Hilsch-Wirbelrohres zur Luftkühlung und eine Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens.Process for operating a Ranque ^ Hilsch vortex tube for air cooling and device for carrying out the method The invention relates to a method for operating a Ranque-Hilsch vortex tube for air cooling and a device to carry out the procedure.

Bezeichnet man den Druck der in ein solches Wirbelrohr eingeführten Luft mit Po und ihre Temperatur mit To, den Druck der Luft von tieferer Temperatur mit P und deren Temperatur mit T, so erhält man, wenn log Po/P als Abszisse und T/To als Ordinate angegeben werden, Wirkungskurven (Fig. 5). Es ergibt sich, daß die Kurve höher liegt - wie durch die dünne Linie gezeigt -, wenn Druckluft durch die Düse des Wirbelrohres in das Wirbelrohr hineingedrückt wird, als dann, wenn der Druck vor der Düse gleich dem atmosphärischen Druck bzw. niedriger ist als der atmosphärische, wie durch die stärker ausgezogene Linie veranschaulicht.This is the name given to the pressure introduced into such a vortex tube Air with Po and its temperature with To, the pressure of the air of lower temperature with P and its temperature with T, if log Po / P as abscissa and T / To are given as the ordinate, action curves (Fig. 5). It turns out that the curve is higher - as shown by the thin line - when compressed air is through the nozzle of the vortex tube is pushed into the vortex tube than when the pressure in front of the nozzle is equal to or lower than atmospheric pressure atmospheric, as illustrated by the more solid line.

Daraus ergibt sich, daß bei Verwendung eines Wirbelrohres zur Abkühlung von Luft eine größere Abkühlwirkung erreicht werden kann, wenn Luft mit atmosphärischem Druck in die Düse hineingeblasen bzw. durch Unterdruck in die Düse des Wirbelrohres hineingesaugt wird. Zusammenfassend kann man feststellen, daß es, um die Abkühlwirkung zu vergrößern, zweckmäßiger ist, die im Wirbelrohr befindliche Luft aus den Auslaßöffnungen desselben herauszusaugen, als vorher komprimierte Luft in dieses Rohr hineinzudrücken. Die Erfindung besteht in der Anwendung dieser Feststellung. Es wird also erfindungsgemäß vorgeschlagen, die zu kühlende Luft bei atmosphärischem Druck in das Wirbelrohr durch Unterdruckerzeugung an seinen Auslässen einzuführen. Angewandt beispielsweise auf Kraftfahrzeuge heißt diese Anweisung, daß der Warmluftauslaß des Wirbelrohres zweckmäßigerweise mit der Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine unmittelbar in Verbindung gebracht werden sollte und der Kühlluftauslaß des Wirbelrohres mittelbar über einen Wärmeaustauscher und gegebenenfalls einen Wasserabscheider mit der gleichen Unterdruckstelle, also der Ansaugleitung des Verbrennungsmotors, in Verbindung zu bringen wäre. Selbstverständlich kann der Erfindungsgedanke auch bei anderen Geräten, wie Kompressoren, Vakuumpumpen od. dgl., angewandt werden.It follows that when using a vortex tube for cooling of air a greater cooling effect can be achieved if air with atmospheric Pressure is blown into the nozzle or by negative pressure into the nozzle of the vortex tube is sucked into it. In summary, it can be said that it has to do with the cooling effect to enlarge, it is more expedient to remove the air in the vortex tube from the outlet openings sucking out the same than previously forcing compressed air into this tube. The invention consists in applying this finding. So it is according to the invention suggested that the air to be cooled at atmospheric pressure in the vortex tube introduce by generating negative pressure at its outlets. Applied for example on motor vehicles this instruction means that the hot air outlet of the vortex tube expediently directly to the intake line of the internal combustion engine should be brought into connection and the cooling air outlet of the vortex tube indirectly Via a heat exchanger and optionally a water separator with the same Vacuum point, i.e. the intake line of the internal combustion engine, in connection with would bring. Of course, the idea of the invention can also be applied to other devices, such as compressors, vacuum pumps or the like., Can be used.

Es wird also beispielsweise der Luftansaugstutzen eines Verbrennungsmotors, einer Vakuumpumpe oder einer anderen Maschine, die mit Unterdruck ansaugt, an zwei Luftauslaßöffnungen des an sich bekannten Wirbelrohres angeschlossen. Dadurch wird Luft durch die Einlaßöffnung des Wirbelrohres angesaugt.For example, the air intake port of an internal combustion engine, a vacuum pump or another machine that draws in with negative pressure, on two Connected air outlet openings of the vortex tube known per se. This will Air is drawn in through the inlet opening of the vortex tube.

Bei auftretendem Unterdruck, der also niedriger ist als der atmosphärische Druck, beginnt das Wirbelrohr zu arbeiten, und aus dem Kühlluftauslaß desselben kommt gekühlte Luft heraus, deren Temperatur niedriger ist als die Temperatur, die dann vorhanden wäre, wenn man komprimierte Luft dem Wirbelrohr zuführt.When negative pressure occurs, which is lower than atmospheric Pressure, the vortex tube starts to work, and out of the cooling air outlet of the same cool air comes out, the temperature of which is lower than the temperature which would be present if compressed air is supplied to the vortex tube.

Über eine in dem länglichen, zylinderförmigen, mit zwei Basisflächen versehenen Wirbelrohr vorgesehene Düse wird von außen her in ungefähr senkrechter Richtung zur Zylinderachse ein starker Gasstrom angesaugt. Die Düse ist nahe der einen Basisfläche an der inneren Seitenwand des Zylinders tangential angebracht. Jede der beiden Basisflächen ist mit je einer Öffnung versehen. Durch die eine der Düse näher liegende Öffnung wird Luft von niedrigerer Temperatur als die angesaugte Luft herausgeleitet und durch die andere Öffnung fließt Luft von höherer Temperatur heraus.About one in the elongated, cylindrical, with two base surfaces The nozzle provided with the vortex tube is approximately more vertical from the outside A strong gas flow is sucked in towards the cylinder axis. The nozzle is near the a base surface tangentially attached to the inner side wall of the cylinder. Each of the two base surfaces is provided with an opening. By one of the The opening closer to the nozzle will have air at a lower temperature than that which is drawn in Air is passed out and air of higher temperature flows through the other opening out.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen schematisch veranschaulicht.The invention is illustrated schematically with reference to the drawings.

Fig. 1 zeigt die Anwendung der Erfindung auf den Ottomotor. Der Ansaugstutzen einer Verbrennungskraftmaschine a weist zwei mit voneinander getrennten Leitungen b und c verbundene Durchtrittsquerschnitte auf, deren eine über einen Wärmeaustauscher d mit dem Kühlluftauslaß e des Wirbelrohres f und deren andere mit dem Auslaßstutzen des Vergasers g verbunden ist. Dabei steht der Einlaß des Vergasers sowohl mit dem Warmluftauslaß h des Wirbelrohres f als auch über eine Klappe, ein Ventil i od. dgl. mit einem Auslaß j eines Luftreinigers k in Verbindung. Die Düse des Wirbelrohres ist mit einem zweiten Auslaß l des Luftreinigers k über eine weitere Klappe m od. dgl. verbunden, Fig.2 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Dieselmotor a1. Der Ansaugstutzen steht mit drei Leitungen in Verbindung, deren eine über einen Wärmeaustauscher dl mit dem Kühlluftauslaß e1 des Wirbelrohres f l, deren zweite mit dem Warmluftauslaß h1 des Wirbelrohres f 1 und deren dritte durch eine Klappe n od. dgl. mit dem Auslaß des Luftreinigers k1 verbunden ist. Die Düse des Wirbelrohres f l ist über die gleiche Klappe n an den Auslaß des Luftreinigers k1 angeschlossen.Fig. 1 shows the application of the invention to the Otto engine. The intake port of an internal combustion engine a has two passage cross-sections connected by separate lines b and c, one of which is connected via a heat exchanger d to the cooling air outlet e of the vortex tube f and the other to the outlet port of the carburetor g. The inlet of the carburetor is connected both to the warm air outlet h of the vortex tube f and via a flap, a valve i or the like to an outlet j of an air cleaner k . The nozzle of the vortex tube is connected to a second outlet l of the air cleaner k via a further flap m or the like, FIG. 2 shows the application of the invention to a diesel engine a1. The intake is connected to three lines, one of which is connected to the cooling air outlet e1 of the vortex tube f1 via a heat exchanger dl , the second to the warm air outlet h1 of the vortex tube f 1 and the third through a flap n or the like to the outlet of the air cleaner k1 connected is. The nozzle of the vortex tube fl is connected to the outlet of the air cleaner k1 via the same flap n.

Fig. 3 zeigt eine Anwendung auf einen Kompressor a2, dessen Lufteinlaß sich in drei Leitungen verzweigt. Eine dieser Leitungen ist über einen Wasserabscheider o mit dem Kühlluftauslaß e.> des Wirbelrohres f2, eine zweite mit dem Warmluftauslaß h2 des Wirbelrohres und eine dritte über eine Klappe n1 od. dgl. mit dem Auslaß des Luftreinigers k2 verbunden. Die Düse des Wirbelrohres steht über die Klappe n1 od. dgl. ebenfalls mit dem Auslaß des Luftreinigers in Verbindung.Fig. 3 shows an application to a compressor a2, its air inlet branches into three lines. One of these lines is through a water separator o with the cooling air outlet e.> of the vortex tube f2, a second with the warm air outlet h2 of the vortex tube and a third via a flap n1 or the like with the outlet connected to the air purifier k2. The nozzle of the vortex tube is above the flap n1 or the like, also in connection with the outlet of the air cleaner.

Die Beispiele der Fig. 1 und 2 zeigen, daß durch den Unterdruck am Ansaugstutzen des Motors Luft durch das Wirbelrohr hindurchgeleitet und die durch den Kühlluftauslaß herausfließende Kühlluft durch einen Wärmeaustauscher hindurchgeleitet wird und dadurch eine weitere Abkühlung erfährt.The examples of FIGS. 1 and 2 show that by the negative pressure on Intake manifold of the engine air passed through the vortex tube and the through the cooling air flowing out of the cooling air outlet is passed through a heat exchanger and thereby experiences a further cooling.

Auf diese Weise kann man eine Abkühlvorrichtung konstruieren, welche folgende Vorteile hat: 1. Ihre Herstellung ist verhältnismäßig billig, weil der Luft kein hoher Druck gegeben zu werden braucht; 2. der Energieverlust durch Reibung ist erheblich verringerbar, weil das Wirbelrohr durch Unterdruck betätigt wird, und 3. läßt sich trotzdem eine hohe Abkühlwirkung erzielen.In this way one can construct a cooling device which has the following advantages: 1. Their production is relatively cheap because of the Air does not need to be given high pressure; 2. the loss of energy through friction can be reduced considerably because the vortex tube is operated by negative pressure, and 3. a high cooling effect can nevertheless be achieved.

Dadurch, daß man die aus dem Wirbelrohr herausströmende Warmluft zunächst auf Normaltemperatur abkühlt und dann in den Ansaugstutzen des Motors hineinleitet, ist selbstverständlich eine höhere Leistung zu erzielen; aber die höhere Leistung des Motors kann auch dadurch erzielt werden, daß die durch den Wärmeaustauscher hindurchgeleitete Kühlluft in den Motoransaugstutzen hineingelassen wird, bevor sie sich auf Normaltemperatur erwärmt hat.In that the warm air flowing out of the vortex tube is initially cools to normal temperature and then leads into the intake manifold of the engine, a higher performance can of course be achieved; but the higher performance of the engine can also be achieved by the fact that the heat exchanger cooling air passed through is let into the engine intake manifold before it has warmed up to normal temperature.

Auch in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird mit Normaltemperatur in das Wirbelrohr eintretende Kühlluft verwendet. Das Wirbelrohr wird durch Unterdruck beeinflußt und die aus dem Kühlluftauslaß heraustretende Kühlluft in einen Wasserabscheider geleitet. Auch dadurch wird ein Vorteil erzielt, weil Kühlluft von tieferer Temperatur gewonnen werden kann.In the exemplary embodiment shown in FIG. 3, normal temperature is also used uses cooling air entering the vortex tube. The vortex tube is created by negative pressure influenced and the cooling air emerging from the cooling air outlet into a water separator directed. This also has an advantage because cooling air is at a lower temperature can be won.

Dadurch, daß die aus dem Warmluftauslaß des Wirbelrohres austretende Warmluft erst noch durch einen Wärmeaustauscher abgekühlt und dann in den Kompressor hineingeleitet wird, kann die Wirkung des Kompressors erhöht werden. Wie es Fig. 4 zusammenfassend zeigt, werden die Auslässe des Wirbelrohres f. mit den Vorrichtungen, die Unterdruck erzeugen, z. B. mit dem Ansaugstutzen eines Verbrennungsmotors, eines Kompressors oder einer Vakuumpumpe a., verbunden. Der Luftreiniger ist mit ko, der Wärmeaustauscher bzw. Wasserabscheider mit d. gekennzeichnet. Dadurch kann eine hochgradige Abkühlwirkung erzielt werden. Insbesondere dann, wenn das Wirbelrohr mit dem Ansaugstutzen einer Verbrennungskraftmaschine in Verbindung gebracht wird, kann man die schon vorhandene Druckdifferenz zwischen dem atmosphärischen Luftdruck und dem Druck im Ansaugstutzen der Verbrennungskraftmaschine zur Abkühlung der Luft ausnutzen. So erreicht man die Vorteile der hohen Leistung und der Einfachheit der Konstruktion und außerdem auch den Vorteil, daß eine Abkühlung erzielt wird, ohne daß man eine besondere Vorrichtung dazu benötigt, die zwischen dem Ein- und Auslaß des Wirbelrohres eine Druckdifferenz erzeugt.In that the emerging from the hot air outlet of the vortex tube Warm air is first cooled by a heat exchanger and then fed into the compressor is introduced, the effect of the compressor can be increased. As shown in Fig. 4 shows in summary, the outlets of the vortex tube f. With the devices, generate negative pressure, e.g. B. with the intake manifold of an internal combustion engine, one Compressor or a vacuum pump a., Connected. The air purifier is with ko that Heat exchanger or water separator with d. marked. This allows a high-grade cooling effect can be achieved. Especially when the vortex tube is brought into connection with the intake manifold of an internal combustion engine, one can see the already existing pressure difference between the atmospheric air pressure and the pressure in the intake manifold of the internal combustion engine to cool the air exploit. So one gets the advantages of high performance and the simplicity of the Construction and also the advantage that cooling is achieved without that you need a special device between the inlet and outlet the vortex tube generates a pressure difference.

Um aus dem Warmluftauslaß h3 des Wirbelrohres f. Warmluft austreten zu lassen und aus demselben Rohr über den Luftansaugstutzen des Verbrennungsmotors a3 und den Wärmeaustauscher d3 Kühlluft zuzuführen, kann natürlich auch, - wie in Fig. 8 dargestellt -eine mit dem Verbrennungsmotor verbundene Ansaugvorrichtung p verwendet werden. Zur Erreichung des gleichen Zweckes können auch andere Vorrichtungen verwendet werden. Der Verbrennungsmotor, dessen Ansaugkraft in bezug auf die Menge der anzusaugenden Luft begrenzt ist, kann dadurch wirkungsvoll unterstützt werden, und es kann auch eine hohe Abkühlwirkung für andere Zwecke, z. B. die Belüftung des Fahrgastraumes, erzielt werden.To exit the hot air outlet h3 of the vortex tube for hot air and from the same pipe via the air intake port of the internal combustion engine a3 and the heat exchanger d3 to supply cooling air, can of course also, - as in 8 shows an intake device connected to the internal combustion engine p can be used. Other devices can also be used to achieve the same purpose be used. The internal combustion engine, its suction force in relation to the quantity the air to be sucked in is limited, this can be effectively supported, and it can also have a high cooling effect for other purposes, e.g. B. the ventilation of the passenger compartment.

Fig.6 und 7 zeigen einen Kraftwagen, dessen Innenraum gekühlt werden soll. Fig. 6 zeigt eine Aufsieht, Fig. 7 eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeuges. 1 ist der Vergaser, 2 das Umschaltventil, das dazu dient, die aus dem Wirbelrohr 5 austretende und aus der Auspuffleitung 3 kommende angesaugte Luft und die aus dem Luftreiniger 7 kommende angesaugte Luft vermittels eines vom Führersitz aus steuerbaren Drahtseiles 14 umzuleiten. Die durch den Luftreiniger 7 angesaugte Luft strömt durch die Düse 6, wird vermittels des Wirbelrohres 5 abgekühlt und die von tiefer Temperatur strömt durch die Leitung 8 und den Wärmeaustauscher 12 in die Auslaßleitung 13, fließt in der Auslaßleitung 13 mit der aus dem Warmluftauslaß 4 herausströmenden Luft von hoher Temperatur zusammen und strömt in den Vergaser 1 hinein.6 and 7 show a motor vehicle, the interior of which is cooled target. FIG. 6 shows a top view, FIG. 7 shows a side view of a motor vehicle. 1 is the carburetor, 2 is the switching valve that serves to pull out the vortex tube 5 exiting and coming out of the exhaust line 3 sucked air and the out the air cleaner 7 coming sucked air by means of a from the driver's seat steerable wire rope 14 to divert. The air sucked in by the air cleaner 7 flows through the nozzle 6, is cooled by means of the vortex tube 5 and that of lower temperature flows through the line 8 and the heat exchanger 12 in the Outlet line 13, flows in the outlet line 13 with that from the hot air outlet 4 outflowing air of high temperature converges and flows into the carburetor 1 into it.

Die durch den Lufteinlaß 15 angesaugte Luft wird im Wärmeaustauscher 12 abgekühlt und vermittels eines Motorventilators 10, '.1 durch einen Diffusor 9 in den Innenraum des Kraftwagens befördert.The air sucked in through the air inlet 15 is in the heat exchanger 12 cooled and by means of a motor fan 10, '.1 through a diffuser 9 transported into the interior of the motor vehicle.

Auf diese Weise wird unter Benutzung der Ansaugkraft des Motors das Wirbelrohr in Gang gesetzt, und die abgetrennte Kühlluft kühlt die in den Wagen einzuführende Luft ab. Dadurch kann die in den Wagen einzuführende Luft erheblich abgekühlt werden.In this way, using the suction force of the engine, the The vortex tube is set in motion and the separated cooling air cools the air in the car air to be introduced. This reduces the amount of air to be introduced into the car be cooled down.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Method for operating a Ranque-Hilsch vortex tube for air cooling, characterized in that the air to be cooled into the Vortex tube introduced at atmospheric pressure by generating negative pressure at its outlets will.

2. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that that the hot air outlet of the vortex tube with the suction line generates a negative pressure Device such as internal combustion engine, compressor or vacuum pump, directly and the cooling air outlet of the vortex tube indirectly via a heat exchanger and possibly a water separator with the suction line generating the negative pressure Device is in communication. When announcing the registration is a priority document has been laid out.