DE19745758A1 - Maschinenkühlung durch Phasenübergang (Verdampfungskühlung), insbesondere für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung von Maschinen, Motoren, Bremsen und Bauelementen. Ihr Hauptzweck ist die Übertragung (Abführung, Transport) der Verlustenergie aus Wandlungs- oder Umformprozessen in Form von Wärme von der Maschine an die Umgebung. Diese Übertragung soll unter allen Umgebungs- und Betriebsbedingungen zuverlässig, mit geringem Bauaufwand, über eine praxisgerechte Entfernung und ohne oder mit geringstmöglichem Zusatz-Energieaufwand geschehen.

Der sichere, verschleißminimale, umweltverträgliche und ökonomische Betrieb der Maschinen ist nur in einem bestimmten Temperaturintervall optimal gewährleistet. Temperaturregelsysteme sind erforderlich und werden immer aufwendiger.

In der Praxis übernehmen Kühlsysteme noch weitere Aufgaben, so in Fahrzeugen die Beheizung des Innenraums und die Dämpfung des Motorgeräusches.

Bekannte Kühlungssysteme lassen sich einteilen
nach der Wärmesenke (Luft, Wasser, Strahlungsraum)
nach dem Transportmechanismus (Konvektion, Leitung, Strahlung).

Bei weitem vorherrschend ist Luft als Wärmesenke. Damit ist zwingend verbunden, daß in der Übertragungskette Konvektion anzuwenden ist. Der Wärmeübergang ist abhängig von der Relativgeschwindigkeit und dem Temperaturgefälle zwischen einer Wand und der Luft sowie der Fläche.

Die Verlustenergie wird meist im Inneren einer Maschine frei. Somit tritt in der Übertragungskette auch Wärmeleitung auf. Diese ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe, ihrer Dicke, den Flächen und der Temperaturdifferenz zwischen "innen" und "außen".

Besonders hohe Wärmeübergangswerte haben die Phasenübergänge flüssig-dampfförmig-flüssig zwischen Wand und Flüssigkeit. Vorteilhaft sind auch die hohe Verdampfungsenthalpie der Medien und die leichte Beweglichkeit der Dämpfe. Deshalb können Anordnungen aus Verdampfer, Dampfleitung, Kondensator und Kondensatrückleitung ("Wärmerohre") höhere Wärmeströme übertragen als gleich große konventionelle Systeme mit Umlaufkühlung.

Als Kühlflüssigkeit lassen sich alle Stoffe, Flüssigkeiten, Gemische und Lösungen verwenden, die im vorgesehenen Temperatur- und Druckbereich ihren Phasenwechsel flüssig/dampfförmig haben, bei diesem Wechsel keine störenden Anomalien aufweisen, im Kontakt mit den Wandwerkstoffen nur hinnehmbare Korrosion bewirken und sich beim Phasenwechsel flüssig/fest, wenn dieser im vorkommenden Temperaturbereich liegt, entweder nicht entsprechend der Wasseranomalie verhalten (Ausdehnung beim Erstarren) oder in diesem Fall Vorkehrungen zur Abhilfe zulassen. Preis, Umweltverträglichkeit, Vorkommen, Bekanntheit des Verhaltens, hohe Verdampfungs- und Erstarrungsenthalpie sprechen für Wasser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dargestellten Bedingungen mit einer effektiven, zuverlässigen und wenig aufwendigen Anordnung an sich bekannter Elemente zu erfüllen.

Erfindungsgemäß wird die Verdampfungskühlung realisiert durch die Verbindung eines flüssigkeitsgefüllten Verdampfers mit einem darüberliegenden Kondensator mittels einer oder mehrerer Dampfleitungen, wobei der Verdampfer als Kühlmantel oder mit einer -fläche in engem thermischen Kontakt mit den zu kühlenden Stellen der Maschine steht und in den Dampfleitungen Dampf und Kondensat im Gegenstrom fließen können. Hierzu muß die durch die Dampfgeschwindigkeit am Flüssigkeitstropfen oder -film erzeugte Widerstandskraft kleiner sein als dessen Schwerkraft; dies kann durch entsprechend große Querschnitte und Anzahl der Dampfleitungen erreicht werden. Der Kondensator gibt die Kondensationswärme des Dampfes an die Außenluft ab, was durch erzwungene Konvektion mittels Gebläse oder Fahrtwind erleichtert wird. Der Dampf wird durch die mit der Verdampfung verbundenen Volumenvergrößerung, durch seine geringe Dichte und durch den mit der Kondensation entstehenden Unterdruck in den Kondensator getrieben, das Kondensat folgt der Schwer- oder einer anderen Beschleunigungskraft zurück in die Maschine. So ist keine Kühlmittelpumpe erforderlich, wie auch keine Leistung zu deren Antrieb.

Die Maschine muß nur soweit mit der Kühlflüssigkeit gefüllt werden, daß alle heiß werdenden Teile, auch bei der größten Neigung, von ihr bedeckt sind. Bei Quer- oder Längsbeschleunigungen von Fahrzeugen unterhalb der Erdbeschleunigung wirkt diese Vorsorge sinngemäß.

Über der Flüssigkeit muß Raum gegeben sein, in dem sich Flüssigkeit und Dampf voneinander scheiden können ("Dampfdom"). Im kalten Zustand sind dieser Dom, die Dampfleitungen und der Kondensator "leer" (Teilvakuum). Inertgase, hier auch Luft, reduzieren den Wärmeübergang vom Dampf an die Wand. Das Teilvakuum kann sich durch die Wirkung eines Über/Unterdruck- und Füllventils selbst einstellen, es kann aber auch durch eine Vakuumpumpe erzeugt werden.

Bei der Anwendung von Wasser muß der Gefrierpunkt durch Beimischen von anderen Flüssigkeiten oder Salzen verschoben oder durch Einsatz flexibler oder elastischer Werkstoffe für den Kühlmantel das Einfrieren unschädlich gemacht werden oder es sind weitere Maßnahmen, wie Entleeren oder ständiges Warmhalten, zu treffen.

Beim Start der Maschine wird sich die Kühlflüssigkeit zunächst auf die Siedetemperatur erwärmen. Dies geschieht schneller als bei üblichen Umlaufkühlungen, da die Flüssigkeitsmenge wesentlich geringer ist und noch kein Wärmetransport erfolgt. Dennoch wirkt die Flüssigkeit im Mantel ausgleichend, so daß Wärmespannungen gering bleiben. Mit Erreichen der Siedetemperatur entsteht Dampf und der Druck stellt sich im System auf den durch das erwähnte Über/Unterdruckventil bestimmten Wert ein, wozu umgekehrt bei gegebener Flüssigkeit ein bestimmter Temperaturwert gehört, die Solltemperatur des Kühlsystems. Um die notwendige Temperaturdifferenz ist die Temperatur der von der Flüssigkeit berührten Wand höher und auch in engen Grenzen konstant, solange noch Flüssigkeit vorhanden ist und der Bereich des Blasensiedens nicht überschritten wird /1, Bild 36/. Hierdurch bleiben auch die Temperaturen weiterer Bauteile, die mit der Wand thermisch verbunden sind, weitgehend unabhängig von der Maschinenleistung konstant.

Der aufsteigende Dampf kondensiert unter Wärmeabgabe in der Leitung und/oder dem Kondensator an den Stellen, die (nur wenig) kälter als die Siedetemperatur sind (Taupunkt, Kondensationsbasis), und das Kondensat läuft im Gegenstrom zurück. Im Laufe des Betriebes wandert die Kondensationsbasis immer weiter nach oben, wodurch die wirksame Austauschfläche des Kondensators zur Luft sich vergrößert. Bei entsprechender Bemessung des Kondensators kann erreicht werden, daß beim Gleichgewicht zwischen größter Kühlleistung und Wärmeabgabe an die Luft die Kondensationsbasis genau im Oberteil des Kondensators liegt. Da die Temperatur des Kondensats nur wenig unter der Siedetemperatur ist, wirkt auch der Kondensatstrom vergleichmäßigend auf die Maschinentemperatur.

Diese Anordnung und Betriebsweise wäre auch bei Benutzung von Wasser als Kühlflüssigkeit frostsicher und führt zu einem ganz einfachen und eigensicheren Aufbau. Allerdings wächst der Wärmeübergang vom Kondensatfilm an die Wand mit der Geschwindigkeit des Kondensats, so daß sich die Addition von Dampf und Kondensatgeschwindigkeit, also ein Gleichstromprinzip anbietet, wenn der Kondensator kleiner gebaut werden soll. Um die Sicherheit gegen Einfrieren zu erhalten, wird erfindungsgemäß der Kondensator zunächst im Gegenstrom betrieben, bis die Kondensationsbasis das Kondensatoroberteil erreicht hat. Von diesem Zeitpunkt an soll der Dampf direkt in das Oberteil geleitet werden, das Kondensat aber nach wie vor in der Dampfleitung zurück in die Maschine fließen. Dies wird durch ein Umschaltventil oder einen anderen Mechanismus bewirkt, wobei für das Kondensat ein Rücklaufquerschnitt frei bleibt. Das Ventil kann von einem Sensor, der die Kondensationsbasis im Oberteil erkennt und/oder einem Sensor für die Maschinen- oder Kühlleistung gestellt werden.

Der Wärmetransport solcher Verdampfer-Kondensator-Anordnungen, wofür auch der Begriff Wärmerohr steht, ist sehr intensiv. Bei Verbrennungsmotoren kann damit auf die zusätzliche Abführung von Wärme durch Konvektion und Strahlung vom Motorblock verzichtet werden. Somit ist es möglich, diesen thermisch und akustisch zu isolieren, d. h. zu kapseln und die abzuführende Wärme über längere Leitungen an besser geeignete Stellen als bisher bei Fahrzeugen üblich, zu transportieren. So könnte bei Lastwagen der Kondensator über Dach angebracht und der Kühlluftstrom unter Nutzung der Auspuffenergie erzeugt werden, bei Personenwagen kann durch Beheizung von Karosserieteilen die Luftdichte und damit der Widerstand reduziert werden (von 10 auf 70 Grad C erwärmte Luft hat nur 82% der ursprünglichen Dichte und verursacht damit 18% weniger Widerstand), die Wärme auf höherem Niveau könnte für Absorptionskühlsysteme genutzt werden, bei Motorrädern könnte der Kondensator in Lenkerhöhe der Hand- und Bekleidungsbeheizung dienen.

Ökonomische Vorteile bietet die vorgeschlagene Anordnung durch Vereinfachung Wegfall von Kühlflüssigkeitspumpe, Thermostat, einigen Schläuchen

Funktionstrennung bei Zylinderkopfdichtung: Abdichtung des Zylinders gegen den Kopf (Deckel) mit herkömmlicher oder rein metallischer Dichtung, Abdichtung gegen das Kühlmedium mittels Gummi oder anderer Elastomere. Hierdurch Wegfall der Überbestimmung, billigere Dichtung, erhöhte Zuverlässigkeit.

Vereinfachter Guß des Zylinderblocks bei Verbrennungsmotoren, wenn große Fenster für flexible, elastische Wände als Puffer gegen das Einfrieren des Kühlwassers freigelassen werden

Massesenkung

Wegen Wegfall obiger Teile, geringerer Kühlflüssigkeitsmenge und kleinerer Austauschflächen an der Maschine und im Kühler (Kondensator) durch höhere Wärmeübergangswerte als bei der Konvektion in der Umlaufkühlung

Betriebliche Vorteile

Schnellere Erwärmung der Maschine, hohe Temperaturkonstanz fast unabhängig von der Maschinenleistung, geringere Temperaturdifferenzen und Spannungen im Maschinenkörper wegen des überproportionalen Anstiegs des Wärmeübergangskoeffizienten mit der Temperatur. Keine örtlichen Überhitzungen an kritischen Stellen.

Eignung für alle Motorleistungen. Wegfall von Gefrierschutzflüssigkeiten wenn das Einfrieren von Wasser durch flexible Wände zugelassen wird, hierdurch Recyclingvorteil.

Verbesserte Kühl- und Wärme"wirtschaft"

Alle Abwärme (außer der Auspuffwärme) der Maschine geht diesen Weg. Wenn die Abwärme genutzt werden soll, wie für die Heizung, steht sie so rasch und vollständig zur Verfügung. Dies ist bedeutsam bei Fahrzeugmotoren mit hohem Wirkungsgrad, also geringer Wärmabgabe ins Kühlsystem, und bei Motoren für Kraft-Wärme- Kopplung

Wird das Kühlsystem mit Wasser gefüllt und der Kühlmantel ganz oder teilweise flexibel gehalten, um das Einfrieren zuzulassen, dann verleiht die Erstarrungsenthalpie des Wassers dem Kühlmantel die Eigenschaft eines Latentwärmespeichers. In Verbindung mit einer thermischen Motorkapselung könnte von Frosttag zu Frosttag das Einfrieren überbrückt und die Notwendigkeit der Erwärmung der Kühlflüssigkeit ab Frosttemperatur vermieden werden.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 Einen Motorradmotor 1 mit Verdampfungskühlung. Im Schlauch 2 bewegt sich der Dampf in den Kondensator 3, der ein üblicher Röhren-Lamellen-Kühler ist. Im gleichen Schlauch fließt das Kondensat zurück. Bei hohen Kühlleistungen verstärkt das Gebläse 4 die Luftströmung durch den Kühler. 9 ist ein kombiniertes Über/Unterdruck- und Füllventil, 6 ein Temperaturfühler für die Fernanzeige und das Einschalten des Gebläses 4. Die Leitung 8 aus durchsichtigem Plastschlauch erlaubt die Kontrolle des Flüssigkeitsstandes 11. Dieser ist einerseits höher als der Zylinderkopf, andererseits besteht noch Abstand zum Abschlußdeckel, damit Dampf und Flüssigkeit sich trennen können. Die Außenwand 10 des Verdampfermantels besteht hier aus einem Gummirohr, um die Volumenvergrößerung bei der Eisbildung unschädlich aufzunehmen.

Im Kondensator ist das Rohr 7 in Verlängerung der Dampf- und Kondensatleitung 2 längsverschieblich angebracht. Das Bild zeigt das Rohr in der Ruhestellung mit oberem Anschlag, im Zustand des kalten Kondensatoroberteils. In diesem Zustand strömt der Dampf vom Schlauch in den Kondensatorboden und dann nach oben (Gegenstrom zum herabfließenden Kondensat). Wenn die Kondensationsbasis das Oberteil erreicht hat, dort also Siedetemperatur herrscht, gibt nicht nur der Sensor 6 das Signal für das Gebläse 4 sondern die Bimetallstreifen 5 schieben das Rohr 7 nach unten, damit der Dampf unmittelbar in das Oberteil geleitet wird und von dort im Gleichstrom nach unten. Löcher 0 und zugelassene Toleranzen zwischen Rohr 7 und Sitz im Boden erlauben, daß das Kondensat zurückfließen kann. Je nach konstruktiver Orientierung des Dampfstromes zu den Bimetallstreifen im Gleichstrombetrieb kann die positive Rückkopplung oder "Selbsthaltung" stärker oder schwächer ausgebildet werden. Sie ist an sich erwünscht bei wachsender Kühlleistung, muß aber auch das Umschalten in den Gegenstrombetrieb bei kleinen Leistungen zulassen.

Fig. 2 Einen Motorradzylinder, der mit einem Gummi- oder Elastomermantel für den Verdampfer überzogen ist. Dieser Mantel und der Schlauch sind vorteilhaft als ein Formstück ausgebildet, wobei das Anziehen des inneren Schlauchbandes durch Umstülpen des Mantels ermöglicht wird. Der Wirkung des Teilvakuums im Stillstand kann durch Versteifungen begegnet werden oder es wird das Zusammenfallen der Schläuche zugelassen.
Zylinderkopf- und Zylindermanteldichtung sind unabhängig.

Die Verdampfungskühlung reduziert besonders bei Motorrädern das Geräusch auf zweifache Weise: wegen der Temperaturkonstanz kann das Kolben-Zylinder-Spiel enger sein und der Mantel dämpft wirkungsvoll.

Fig. 3 In der Dampfleitung 2 liegt das Umschaltventil 17, welches bei geringer Kühlleistung den Dampf von unten, bei hoher Kühlleistung von oben in den Kondensator eintreten läßt. Dieses Ventil ist durch den Sensor 6 gesteuert. Selbst in der dargestellten Lage (große Kühlleistung) läßt es einen Spalt für das rücklaufende Kondensat.

Fig. 4 Hier wird ein anderer Mechanismus für die Umschaltung zwischen kleiner und großer Kühlleistung, also zwischen Gegen- und Gleichstrom im Kondensator wirksam. Leitungen 2 und 18 stehen sich als Strahl und Fangdüse gegenüber. Bei geringen Dampfgeschwindigkeiten verteilt sich der Dampf nach 2 diffus im Unterteil, bei hohen Kühlleistungen, also hohen Dampfgeschwindigkeiten, fließt der Dampf über 18 in das Oberteil des Kondensators. Der Spalt zwischen 2 und 18 erlaubt den Rückfluß des Kondensats.

Fig. 5 Ein Vierzylinder-Verbrennungsmotor ist teilgeschnitten dargestellt. Die Unabhängigkeit der Zylinderkopfdichtung von der Kühlmanteldichtung ist angedeutet. Zwischen den Zylindern sind Trennwände 16, deren Oberkante über dem höchsten heißen Punkt des Zylinders liegt. Die Dampf- und Kondensatleitungen vom ersten und vierten Zylinder sind gegensinnig (gekreuzt) mit dem Kondensator verbunden. Bei einer Verdampfungskühlung, bei der das Kondensat mittels Pumpen in die Maschine zurückbefördert wird, sind sinngemäß die Kondensatleitungen zu kreuzen. Soll nur eine Pumpe verwendet werden, dann müssen saug- und druckseitige Ventile die sinngemäße Versorgung sichern. Die Ventile sind nach der Neigung oder Beschleunigung zu steuern, z. B. durch ein Pendel.

Bei Neigung des Fahrzeuges (Fig. 6) oder entsprechender Beschleunigung wird hierdurch vom tiefsten Punkt des Kondensators die Flüssigkeit dem höchsten Zylinder zugeführt und durch die Wirkung der Trennwände kaskadenartig an die weiteren Zylinder weitergereicht. So ist der Flüssigkeitsspiegel 11 immer über dem höchsten heißen Punkt, wenn die Wände um das Produkt aus dem halben Wandabstand mit dem Tangens des Neigungswinkels höher als der höchste heiße Punkt sind und dieser in der Mitte zwischen den Wänden liegt. 15 sei eine Motorkapselung, 18 ein mit Gummiplatte verschlossenes großes Fenster im Motorblock zur Aufnahme der Er­ starrungs-Ausdehnung von Eis. Über einen Schwimmer 12 fließt bedarfsweise aus dem Vorratsgefäß 13 Flüssigkeit zu, um Leckagen auszugleichen. Beide stehen im thermischen Kontakt 14 mit dem Motor.

Literatur

/1/ VDI-Wärmeatlas: Berechnungsblätter für den Wärmeübergang 7., erw. Aufl.-Düsseldorf: VDI-Vlg., 1994
/2/ Held, W. Untersuchungen über die Verdampfungskühlung an Nutzfahrzeugdieselmotoren Diss. TU Braunschweig 1986

Claims (8)

1. Verfahren und Anordnung zur Verdampfungskühlung an Maschinen, gekennzeichnet dadurch, daß im Kondensator bei geringen Kühlleistungen Dampf und Kondensat im Gegenstrom, bei hohen Kühlleistungen im Gleichstrom fließen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Umschaltventile oder einen Mechanismus, die den Dampf bei geringen Kühlleistungen zum Boden des Kondensators, bei hohen Kühlleistungen in dessen Oberteil führen und dabei einen Restquerschnitt zwischen Boden und Leitung zur Maschine offenlassen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Sensoren für die Maschinen- oder Kühlleistung, wofür auch die Temperatur der Maschine oder der Kühleinrichtung steht, die die benannten Ventile ansteuern und auch das übliche Kühlgebläse ansteuern können.

4. Verdampfungskühlung, gekennzeichnet durch mehrere Leitungen zwischen Maschine und Kondensator, die gekreuzt verlaufen.

5. Verdampfungskühlung, gekennzeichnet durch Trennwände zwischen den einzelnen Wärmequellen der Maschine, die um mindestens (Abstand der Trennwände/2) *(Tangens des größten Neigungswinkels der Maschine) höher sind als der höchste Punkt der jeweiligen Wärmequelle.

6. Verdampfungskühlungen mit Wasser oder Flüssigkeiten, die die Wasseranomalie besitzen, gekennzeichnet durch teilweise oder vollständige Kühlmäntel aus elastischen Materialien.

7. Verdampfungskühlungen, gekennzeichnet durch unabhängige Dichtungen für Zylinderkopf und Kühlmantel.

8. Verdampfungskühlungen, gekennzeichnet dadurch, daß der Kühlmantel aus elastischem Material und die Leitung(en) zum Kondensator einteilig sind.