-
Wärmeaustauscher für Frischluftheizungen in Kraftfahrzeugen Die Erfindung
betrifft einen Wärmeaustauscher für Frischluftheizungen in Kraftfahrzeugen, in dem
die Frischluft durch die heißen Auspuffgase der Brennkraftmaschine erwärmt wird,
bestehend aus einem mit einem Ein- und Auslaß für die zu erwärmende Frischluft versehenen
Gehäuse und einem Kanal für die Durchleitung der heißen Auspuffgase, der innerhalb
des Gehäuses mit allseitigem Abstand von der Gehäusewand angeordnet ist und dessen
Oberfläche eine Anzahl senkrecht nach außen vorstehender Zapfen aufweist, die der
Vergrößerung der wirksamen Wärmeaustauschfläche dienen, wobei der Ein- und der Auslaßteil
des Kanals unter einem Winkel zum Mittelteil des Kanals angeordnet siid, so daß
die Auspuffgase beim Eintritt vom Einlaßteil in den Mittelteil und beim Austritt
vom Mittelteil in den Auslaßteil umgelenkt werden.
-
Bei Wärmeaustauschem dieser Art ist es zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades
erforderlich, daß in den heißen Auspuffgasen eine Turbulenz wie auch ein Wirbeln
hervorgerufen wird. Unter Wirbeln versteht man dabei ein Drehen der Auspuffgase
um eine in Richtung der Gasströmung liegende Längsachse bei Durchlauf durch den
Kanal. Turbulenz ist eine unregelmäßige und stürmische Bewegung des Auspuffgases,
die im allgemeinen auf einen bestimmten Raum beschränkt ist, jedoch keine bestimmte
Richtung hat.
-
Durch Turbulenz und Wirbelbildung wird gewährleistet, daß ständig
frische Gasmengen, die ihre Wärme noch nicht abgegeben haben, an die Wand des Kanals
gelangen. Weiter ist zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades erforderlich, daß sich
in dem Kanal hinter Vorsprüngen, Ecken u. dgl., keine toten Zonen bilden, in denen
abgekühltes Auspuffgas zurückbleibt und das Auftreffen von heißen Gasmengen auf
die Wand verhindert.
-
Bei einem bekannten Wärmeaustauscher wird zwar eine Turbulenz hervorgerufen,
doch entstehen in diesem Wärsneaustauscher ohne Wirbelbildung hinter Zapfen, die
in geraden Linien dicht hintereinander angeordnet sind und in den Kanal hineinragen,
tote Zonen, in die keine noch heißen und unverbrauchten Gase hineingeraten. Dadurch
wird die wirksame und zur Wärmeübertragung dienende Fläche herabgesetzt und der
Wirkungsgrad gemindert.
-
Bei einem anderen bekannten Wärmeaustauscher tritt aus Mangel an Turbulenz
und Wirbelbildung eine sogenannte Schichtung der heißen Auspuffgase auf, indem das
Auspuffgas auf festgelegten Bahnen den Kanal durchströmt. Ein Teil der heißen Gasmengen
kann dabei seine Wärme ungehindert abgeben, während ein verbleibender großer Teil
der heißen Gasmenge mangels ausreichender Berührung mit der Wand des Kanals seine
Wärme nicht vollständig auf die aufzuheizende Frischluft übertragen kann.
-
Bei einem weiteren bekannten Wärmeaus-tauscher ist die Wand des Kanals
gewellt. In den einen größeren Durchmesser aufweisenden Vertiefungen verharren die
Gase in ihrer Bewegung, kühlen sich ab und bilden für die vorbeiströmenden heißen
Auspuffgase einen Isolator, wodurch die Wärmeübertragung vermindert wird. Dies liegt
daran, daß die Auspuffgase auch in diesem Kanal nicht durchwirbelt werden.
-
In einem anderen noch bekannten Wärmeaustauscher ist der Kanal nur
leicht gekrümmt, und die durch ihn strömenden Auspuffgase unterliegen keinen plötzlichen
Bewegungsänderungen. Auf Grund dieses glatten und stetigen Durchströmens der Gase
durch den Kanal wird weder eine Turbulenz noch werden Wirbel hervorgerufen. An der
Innenwand des Kanals baut sich sogar eine dünne Gasschicht auf, die an der allgemeinen
Bewegung nicht teilnimmt und den Wärmeübergang zwischen den durch den Kanal durchströmenden
Gasen und der Wand hemmt.
-
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher
zu schaffen, bei dem durch Wirbelbildung und Turbulenz ein guter
Wirkungsgrad
bei der übertragung der Wärme von den heißen Auspuffgasen auf die Frischluft erreicht
wird.
-
Die Erfindung ist demgemäß darin. zu sehen, daß der Mittelteil des
Kanals in der zu den Mittelachsen des Ein- und des Auslaßteils senkrechten Ebene
einen gekrümmten Verlauf aufweist, wobei der Mittelteil im Anschluß an den Einlaßteil
als Krümmer ausgebildet ist, der über einen zu der die Mittelachsen des Ein- und
des Auslaßteils- enthaltenden Ebene geneigten mittleren Kanalabschnitt in einen
in den Auslaßteil auslaufenden Kanalabschnitt übergeht, dessen Mittellinie in der
die Mittelachsen des Eir-und des Auslaßteils enthaltenden Ebene liegt.
-
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der geneigte mittlere Kanalabschnitt
in der zu der die Mittelachsen des Ein- und des Auslaßteils enthaltenden Ebene senkrechten
Richtung gegenüber den benachbarten Kanalabschnitten verengt ist.
-
Durch diese räumliche Anordnung des Wärmeaustauschers werden die Auspuffgase
nach ihrem Einströmen in den Kanal zuerst nach oben und anschließend nach unten
abgelenkt, wobei gleichzeitig ihre Bewegung nach links umgedreht wird. Die Auspuffgase
ändern - in einer waagerechten Ebene gesehen - dreimal ihre Bewegungsrichtung, da
sie jeweils auf einen bestimmten Abschnitt der Wand des Kanals auftreffen, von diesem
Abschnitt in ihrer vorhandenen Bewegung gebremst und in eine neue Richtung umgelenkt
werden, in der sie auf einen weiteren Abschnitt der Wand auftreffen, der sie in
eine neue Richtung umlenkt.
-
In dem verengten mittleren Kanalabschnitt werden die durch diesen
durchströmenden Gasmengen beschleunigt und erhalten dadurch eine Turbulenz.
-
Außerdem bewegen sich die verhältnismäßig heißeren Gasmengen schneller
als die im Vergleich zu ihnen kälteren Gasmengen, so daß bei einer Durchwirbelung
ein Geschwindigkeitsaustausch und dadurch eine erhöhte Durchwirbelung hervorgerufen
wird. Damit befinden sich die durch den Kanal strömenden heißen Auspuffgase in einer
ununterbrochenen Wirbelbewegung; so daß eine Schichtbildung in dem Gas mit Schichten
verhältnismäßig kalten Gases in der Nähe der Kanalwand und Schichten heißen Gases
in der Mitte des Kanals vermieden wird.
-
Zum Vereinfachen der Herstellung und des Zusammenbaues des Wärmeaustauschers
besteht nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Kanal aus zwei schalenförmigen
Hälften, die mittels an ihnen vorgesehener Flansche dicht miteinander verbunden
sind. Dadurch ergibt sich, daß die an sich bekannten Wärmeaustauschzapfen an der
Außen-und Innenfläche jeder Hälfte in einfacher Weise durch Schweißen befestigt
werden können, derart, daß die Gasdichtigkeit des Kanals unter allen Umständen gewährleistet
bleibt.
-
In der Zeichnung, welche beispielsweise eine Ausführungsform der Erfindung
veranschaulicht, zeigt Fig. 1. eine Seitenansicht des Wärmeaustauschers, Fig. 2
eine Vorderansicht des Wärmeaustauschers in Richtung der Pfeile II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt in Richtung der Pfeile III-III in Fig. 1, Fig. 4 eine Draufsicht
auf den Wärmeaustauscher nach Fig. 1, Fig. 5 einen Schnitt in Richtung der Pfeile
V-V in Fig. 4, Fig. 6 eine vergrößerte Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines
an dem Wärmeaustauscher befestigten Zapfens, Fig. 7 eine Abwandlung der Anordnung
des Zapfens in gleicher Darstellung wie in Fig. 6.
-
Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, besitzt der Wärmeaustauscher ein
Gehäuse 1 mit einem Lufteinlaß 2 und einem Luftauslaß 3. Der Lufteinlaß ist nahe
dem Boden des Gehäuses angeordnet, so daß die anzuwärmende Frischluft am Boden des
Gehäuses eintritt und um einen von dem Gehäuse 1 umgebenen Kanal 4, diesen
berührend, herum nach oben strömt. Der Luftauslaß 3 ist oben am Gehäuse 1 angeordnet
und wird durch eine Klappe 5 gesteuert. Eine Drosselklappe 6 a steuert die Menge
der durch den Lufteinlaß 2 in das Gehäuse 1 einströmenden Luft. Die Strömung der
Frischluft durch das Gehäuse 1 zum Inneren des Fahrzeuges ist durch die Pfeile 6
dargestellt.
-
Das Gehäuse 1 umschließt den Kanal 4, der von den Gehäusewänden einen
Abstand aufweist, mit Ausnahme derjenigen Stellen, an denen der Einlaßstutzen 7
und der Auslaßstutzen 8 des Kanals durch das Gehäuse geführt sind. Der Weg der heißen
Auspuffgase vom Einlaßstutzen 7 durch den Kanal nach unten zum Auslaßstutzen 8 ist
durch die Pfeile 9 angedeutet. In Fig. 1 ist zu sehen, daß die heißen Auspuffgase
entgegen der Luft strömen, wobei die Luft durch Berühren der äußeren Oberfläche
des Kanals 4 und ger an diesem befestigten, an sich bekannten Zapfen 10 erwärmt
wird.
-
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, dienen eine Asbestscheibe 11, ein mit einem
Flansch versehener Ring 12 und eine Rohrschelle 13 über den Einlaßstutzen 7 geschoben
als Dichtung zwischen diesem und dem Gehäuse 1. Auf die gleiche Art ist der Auslaßstutzen
8 des Kanals 4. gegenüber dem Gehäuse 1 abgedichtet.
-
In den Einlaßstutzen 7 ist zudem das mit Schlitzen 14 versehene Ende
eines Rohres 15 eingeschoben; durch welches die Auspuffgase dem Gehäuse 1 zugeführt
werden. Die Rohrschelle 13 umfaßt sowohl den Einlaßstutzen 7 als auch das Rohr 15
und bewirkt ebenfalls eine Abdichtung zwischen diesen Teilen.
-
Der Auslaßstutzen 8 des Kanals 4 ist mit einem Rohr 16 verschweißt,
das diesen mit einem nicht dargestellten Auspufftopf verbindet.
-
Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, besteht der Kanal 4 aus zwei schalenförmigen
Hälften 17 und 18, die miteinander verschweißt sind und eine aus drei Teilen bestehende
Einheit bilden. Der Ein- und der Auslaßteil sind mit 19 und 20 bezeichnet, der sie
verbindende Mittelteil mit 21. Die schalenförmigen Hälften 17 und 18 weisen Flansche
17 a und 18 a auf, die zur Bildung des Kanals 4 miteinander verbunden sind. Der
Mittelteil 21 setzt sich wiederum aus drei Teilen zusammen, nämlich einem Krümmer
22 für die heißen Auspuffgase, einem Kanalabschnitt 23 für die aus dem Kanal 4 in
das Rohr 16 austretenden Auspuffgase und einem den Krümmer 22 und den Kanalabschnitt
23 verbindenden, abgesetzt zwischen diesen Kammern schrägliegenden mittleren Kanalabschnitt
24. Die Rückwand 22 a des Krümmers 22 liegt dem Einlaßteil19 genau gegenüber und
ver= läuft schräg in die Wand 24 b des Kanalabschnittes 24 hinein. Gemäß Fig. 5
weist der Kanalabschnitt 24 einen Halsteil 24 c auf, der die Verwirbelung
der heißen Auspuffgase verstärkt. Die Wände des Kanalabschnittes
23
bilden an ihrer Verbindungsstelle mit den Wänden des Kanalabschnittes 24 einen Winkel.
-
Durch diese Ausgestaltung des Kanals 4 wird auf folgende Weise eine
Wirbelbildung der durchströmenden Gase erzielt: Die heißen Auspuffgase, die in den
Krümmer 22 einströmen, treffen auf dessen Rückwand 22a auf. Sie werden sodann in
den mittleren Kanalabschnitt 24 umgelenkt, wo sie auf dessen innere Wand 24a auftreffen.
Anschließend strömen die Gase in den Kanalabschnitt 23, wo sie dessen hintere Wand
23 a berühren. Somit müssen die heißen Gase durch einen gewundenen Weg strömen,
wobei ein großer Teil der heißen Gase die Wände des Kanals berührt.
-
Um die Wärmeaustauschfläche weiter zu vergrößern, können in an sich
bekannter Weise eine Anzahl Zapfen 10 (Fig. 6) auf die Außenfläche des Mittelteils
21 des Kanals 4 in unregelmäßiger Anordnung aufgeschweißt sein.
-
Diese Wärmeaustauschzapfen können in abgewandelter ebenfalls an sich
bekannter Anordnung als Zapfenpaare 26 und 26a einander gegenüber auf der Außen-
bzw. Innenfläche des Kanals 4 aufgeschweißt sein, ohne daß die Wand des Kanals durchbrochen
wird. Die Innenzapfen 26a, die nach innen in die Auspuffgase hineinragen, leiten
die Wärme auf die Kanalwand und sodann auf die Außenzapfen. Die Innenzapfen 26a
zerstören außerdem die Laminarströmung der Auspuffgase und unterstützen das Erzeugen
einer Turbulenz.
-
Der Wärmeaustauscher nach der Erfindung entspricht den Sicherheitsvorschriften,
und mit der gewählten Bauart sind Undichtigkeiten, die ein Eindringen der giftigen
Auspuffgase in den Weg der Frischluft hervorufen könnten, ausgeschlossen.
-
Gegenüber den bekannten Wärmeaustauschem hat der Wärmeaustauscher
nach der Erfindung einen höheren Wirkungsgrad, und gegenüber den bekannten Ausführungen
wird die Frischluft wesentlich mehr erhitzt. PATENTANSPRÜCHE: 1. Wärmeaustauscher
für Frischluftheizungen in Kraftfahrzeugen, in dem die Frischluft durch die heißen
Auspuffgase der Brenkraftmaschine erwärmt wird, bestehend aus einem mit einem Ein-
und Auslaß für die zu erwärmende Frischluft versehenen Gehäuse und einem Kanal für
die Durchleitung der heißen Auspuffgase, der innerhalb des Gehäuses mit allseitigem
Abstand von der Gehäusewand angeordnet ist und dessen Oberfläche eine Anzahl senkrecht
nach außen vorstehender Zapfen aufweist, die der Vergrößerung der wirksamen Wärmeaustauschfläche
dienen, wobei der Ein- und der Auslaßteil des Kanals unter einem Winkel zum Mittelteil
des Kanals angeordnet sind, so daß die Auspuffgase beim Eintritt vom Einlaßteil
in den Mittelteil und beim Austritt vom Mittelteil in den Auslaßteil umgelenkt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelteil (21) des Kanals (4) in der zu den Mittelachsen
des Ein- und Auslaßteils (19 und 20) senkrechten Ebene einen gekrümmten Verlauf
aufweist, wobei der Mittelteil (21) im Anschluß an den Einlaßteil (19) als Krümmer
(22) ausgebildet ist, der über einen zu der die Mittelachsen des Ein- (19) und des
Auslaßteils (20) enthaltenden Ebene geneigten mittleren Kanalabschnitt (24) in einen
in den Auslaßteil (20) auslaufenden Kanalabschnitt (23) übergeht, dessen Mittellinie
in der die Mittelachsen des Ein- (19) und des Auslaßteils (20) enthaltenden Ebene
liegt.
-
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
geneigte mittlere Kanalabschnitt (24) in der zu der die Mittelachsen des Ein- (19)
und des Auslaßteils (20) enthaltenden Ebene senkrechten Richtung gegenüber den benachbarten
Kanalabschnitten (22 und 23) verengt ist.
-
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kanal (4) aus zwei schalenförmigen Hälften (17 und 18) besteht, die mittels
an ihnen vorgesehener Flansche (17a und 18a) dicht miteinander verbunden
sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 455 710,
473 952, 497 377, 696 033, 738 952, 739 991, 898 527; österreichische Patentschrift
Nr. 182 265; französische Patentschriften Nr. 793 366, 926 226; USA.-Patentschrift
Nr. 2 343 049.