DE202009003521U1

DE202009003521U1 - Wärmetauscher zur Ölkühlung

Info

Publication number: DE202009003521U1
Application number: DE200920003521
Authority: DE
Original assignee: Makatec GmbH
Current assignee: SPIRALTEC GMBH, DE
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: EP2404132A2; WO2010099946A2; WO2010099946A3

Abstract

Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen Motoröl und Kühlwasser in Fahrzeugen, in welcher zueinander jeweils benachbarte Strömungskanäle des Motoröls und des Kühlwassers durch ein unter Wahrung spezifischer Abstände durchgeführtes Aufeinanderlegen von dünnen, elastischen Folien gebildet sind, wobei die Folien als Wärmeübertragungsflächen zwischen den jeweiligen Strömungskanälen dienen, wobei gleichzeitig eine Diffusion von Motoröl und Wasser zwischen den jeweiligen Strömungskanälen verhindert wird, und die Folien dazu ausgelegt sind, gegenüber einer vorgegebenen, definierten Maximaltemperatur und für eine spezifisch vorgegebene Betriebsdauer beständig zu sein.

Description

Kurzbeschreibung:
Diese Erfindung betrifft leicht zu montierende Wärmetauscher mit geringem Gewicht insbesondere zur Ölkühlung in Verkehrsmitteln aller Art.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet von Wärmeübertragung zwischen Fluiden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf leicht montierbare Wärmetauscher-Patronen aus Folien, vorzugweise aus Polymer-Werkstoffen, aber auch aus anderen Werkstoff-Kombinationen, zum Einsatz in Fahrzeugen.
Stand der Technik
Das Wärmemanagement von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen hat inzwischen eine hohe Komplexität erreicht. Während bei den ersten Fahrzeugen lediglich eine ausreichende Motorkühlung über einfache Luftkühlung zu gewährleisten war, wird in modernen Fahrzeugen der Motor mit Kühlwasser gekühlt. Um moderne Motoren auch an schwer zugänglichen Stellen zu kühlen wird inzwischen häufig das Motoröl zur Kühlung eingesetzt, welches dann mit Kühlwasser rückgekühlt werden muss.
Alle Einrichtungen zur Kühlung von Fahrzeugen haben inzwischen einen nennenswerten Volumen- und Gewichtsanteil im Fahrzeug. Vereinfachend kann für den Verkehrsbereich gesagt werden, dass vorwiegend Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit zum Bau von Wärmetauschern bzw. Wärmeübertragungs-Systemen eingesetzt werden. Dabei handelt es sich bisher hauptsächlich um Kupfer, Aluminium und Edelstahl.
Aufgabe der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, im Fahrzeug einen leichten und kompakten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen Motoröl und Kühlwasser bereitzustellen, der sich insbesondere durch Korrosionsresistenz, eine kompakte Bauform und ein deutlich geringeres Gewicht gegenüber konventionellen Wärmeübertragern auszeichnet.
Lösung der Aufgabe
Dazu stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung bzw. zum Austausch von Wärme zwischen Fluiden bereit, bei der dünne, elastische Folien als Wärmeübertragungsflächen zwischen Strömungskanäle der Fluide eingesetzt sind.
Gemäß Anspruch 1 wird eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen Motoröl und Kühlwasser in Fahrzeugen bereitgestellt, in welcher zueinander jeweils benachbarte Strömungskanäle des Motoröls und des Kühlwassers durch ein unter Wahrung spezifischer Abstände durchgeführtes Aufeinanderlegen von dünnen, elastischen Folien gebildet sind, wobei die Folien als Wärmeübertragungsflächen zwischen den jeweiligen Strömungskanälen dienen, wobei gleichzeitig eine Diffusion von Motoröl und Wasser zwischen den jeweiligen Strömungskanälen verhindert wird und die Folien dazu ausge legt sind, gegenüber einer vorgegebenen, definierten Maximaltemperatur und für eine spezifisch vorgegebene Betriebsdauer beständig zu sein.
Mit dieser Erfindung besteht auch die Möglichkeit, die Vorrichtung in Wärmetauscher-Patronen kompakt zu integrieren, die sich auf einfache Weise austauschen lassen, was bisher nur möglich war, indem das gesamte Wärmetauscher-System ersetzt wurde.
Insbesondere für Modul-Bauweisen, in verschiedenen Industriezweigen, eignet sich diese Art der Wärmetauscher-Patronen, wie. z. B. Ölwannen-Module der Automobil-Industrie, siehe dazu Patent DE 102 18 338 A1 .
Die eingesetzten Folien können Kunststoffe oder auch andere Materialien enthalten, insbesondere Metall zur Verbesserung von Barriereeigenschaften, d. h. zur Vermeidung von Diffusion zwischen jeweils benachbarten Strömungskanälen. Ferner können Fasern als Bestandteile der Folien zur Erhöhung mechanischer Festigkeit dienen.
Die Folien können aus einem Material gefertigt sein, das aus einer Gruppe bestehend aus Polyetheretherketon (PEEK), Polytetrafluorethan (PTFE) und Polyphenylsulfon (PPSU) gewählt ist.
Auch können die Wärmeübertragungsflächen aus mehreren Folienschichten aufgebaut sein. Es kann sich beispielsweise um geeignet beschichtete oder koextrudierte Folien handeln.
Zur Vergleichmäßigung von Fluidströmungen in der Vorrichtung und zur Erhöhung von Strömungsturbulenz können zusätzliche Einbauten in den durch die Folien begrenzten Strömungskanälen vorhanden sein, welche vorzugsweise als Git ternetze ausgeführt sind. Die Gitternetze können dabei beispielsweise über die gesamte Breite und Länge eines jeweiligen Strömungskanals angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform können durch eine Oberflächenstrukturierung der Folien definierte Strömungskanäle für Fluidströmungen geschaffen werden.
Vorteilhaft ist eine spiralförmige Struktur der Strömungskanäle, welche durch eine geeignete Wicklung der Folien erreicht werden kann.
Zusätzlich kann mindestens ein weiterer, von einer Membran mit Mikroporen umschlossener Strömungskanal vorgesehen werden, wodurch sich die zusätzliche Möglichkeit der Ölfilterung mit simultaner Ölkühlung in einem gemeinsamen Apparat ergibt.
Die Membran kann hierzu als Hohlfaser- oder Flachmembran ausgebildet sein, und diese zur Erzeugung großer Flächendichten in Form von Bündeln, Stapeln oder Matten angeordnet sein. Aufgrund ihrer Anordnung kann die Membran eine im Vergleich zu dem von der Membran in Anspruch genommenen Bauvolumen große Oberfläche bereitstellen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Beschreibung
Der prinzipielle Aufbau eines geeigneten Folienwärmetauschers, der beispielsweise zur Ölkühlung verwendbar ist, ist in EP 1 895 259 A1 detailliert beschrieben. Für einen Einsatz als Öl/Wasser Wärmeübertrager im Fahrzeug muß die Barriereeigenschaft der eingesetzten Folien optimiert werden, da kein Wasser in das Öl gelangen darf und vice versa. Zudem müssen Temperaturen bis zu 150°C sicher überstanden werden. Ferner ist es wünschenswert, dass die eingesetzten Folien bis zu einer Betriebszeit/Lebensdauer von 5000 h beständig sind. Die Verwendung des Hochleistungspolymers PEEK als Material für eine zu verwendende Folie/Trennfolie ist daher besonders empfehlenswert. Aber auch andere Polymere, welche bei 150°C beständig sind, können als Folienwerkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise PTFE und/oder PPSU. Ferner können die Folien auch metallbedampft werden, um die voranstehend bereits genannten Barriereeigenschaften weiter zu verbessern. Hierzu kann es auch vorteilhaft sein, die eingesetzten Folien aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Materialien aufzubauen, beispielsweise koextrudierte Folien, wobei die jeweiligen Schichten sehr geringe Diffusionswerte entweder für Wasser oder für Öl haben, so dass sich in der Zusammenschau der resultierenden koextrudierten Folien optimale Barriereeigenschaften ergeben. Die mechanische Festigkeit der Folien kann zum Beispiel auch durch Fasern in der Folie, beispielsweise Glas-, Kohle-, Metall-, und/oder Aramidfasern, verbessert werden.
Für eine Verklebung der Stirnseiten der Strömungskanäle können Epoxidharze mit geeigneter Temperaturbeständigkeit verwendet werden. Alternativ können auch andere temperaturbeständige Kleb- oder Dichtstoffe mit geeigneten Beständig keiten eingesetzt werden, beispielsweise Klebstoffe auf Silikonbasis oder Polyurethan Gießharze.
Zwischen die Folien können zusätzliche Einbauten gelegt werden, beispielsweise Gitternetze, die eine Temperaturbeständigkeit von 150°C aufweisen sollten und beständig gegen Motorenöle oder Heißwasser sein sollten. Die Gitter können beispielsweise aus Glasfasergittern mit PTFE-Überzug, aus Kohlefasern oder aus einem der oben genannten Hochleistungspolymere bestehen. Auch Polyamidgitter (PA) können verwendet werden, da die Gitter keine hohen Barriereeigenschaften für Wasser benötigen. Diese Gitternetze erhöhen die Turbulenz von Fluidströmungen und dienen als engmaschiges Stützmaterial für die Folien, wodurch die resultierenden Kräfte auf eine jeweilige Folie aus Druckunterschieden sehr klein werden. Des weiteren wird eine konstante Dicke des durch die jeweilige Folienbegrenzung gebildeten Strömungskanals gewährleistet und somit eine gleichmäßige Durchströmung der Vorrichtung.
Alternativ oder zusätzlich zum Einsatz von Gitternetzen können Folien mit einer Oberflächenstruktur eingesetzt werden, welche die Oberfläche der Folie erhöht und die ursprünglich flache Ausführung konventioneller Folien verändert. Zum Beispiel können die Folien bei der Herstellung plastisch so verformt werden, dass Noppen als Auflagepunkte zur Auflage auf der jeweils anderen benachbarten Folie ausgebildet sind. Ferner sind auch diagonale Faltungen der Folien möglich. Jede andere Struktur, welche beim Aufeinanderlegen oder Wickeln der entsprechenden Folien dazu führt, dass definierte Strömungskanäle gebildet werden, ist denkbar.
Die Oberflächenstrukturen stellen einen definierten Abstand der beiden Folien zueinander und damit einen definierten Querschnitt bzw. eine definierte Höhe des Strömungskanals bereit. Die Oberflächenstrukturen sind derart strukturiert, dass die gebildeten Strömungskanäle beim Wickeln nicht verengt bzw. zerstört werden. Die Oberflächenstrukturen umfassen daher vorzugsweise die bereits beschriebenen Noppen, die nur punktuell auf der gegenüberliegenden Folie aufliegen und im Gegensatz zu Stegen beim Wickeln nicht einknicken und dadurch den Kanalquerschnitt verengen. Des weiteren ermöglicht die Oberflächenstruktur mit Noppen eine Erhöhung der Turbulenz der Strömung. Hierdurch kann im Gegensatz zu einer im wesentlichen laminaren Strömung eine höhere Wärmeübertragung erzielt werden. Laminare Strömungen sind insbesondere in schmalen Strömungskanälen beispielsweise bei Verwendung von Stegen zu erwarten. Im Gegensatz dazu können nach der vorliegenden Beschreibung breite Kanäle bereitgestellt werden, deren Querschnittshöhe durch die beschriebenen Oberflächenstrukturen bereitgestellt wird und welche die Turbulenz der Strömung zusätzlich erhöhen.
Als Folien können generell Folien verwendet werden, die sich im wesentlichen über die Breite der Vorrichtung bzw. Teilabschnitte der Breite erstrecken und im Gegensatz zu beispielsweise aufgewickelten Schläuchen eine Strömung innerhalb der Folienschicht in zweidimensionaler Richtung (radial entlang der spiralförmigen Wickelung und axial) erlauben und nicht eine im wesentlichen eindimensionale Strömung entlang der Längsausdehnung eines Schlauches bzw. eines darin ausgebildeten Kanals vorgeben.
Es ist denkbar, dass die Folien zum Zeitpunkt der Wickelung noch nicht fest miteinander verbunden sind, so dass sie sich problemlos aufwickeln lassen, da sie gegeneinander verschiebbar sind. Auf diese Weise werden die unterschiedlichen Weglängen der beim Wickeln um eine gemeinsame Achse radial außen- und innenliegenden Folien berücksichtigt.
Spannungen und Faltungen aufgrund von Zug- und Druckspannungen, wie sie beispielsweise bei Schläuchen oder anderen in ebenem Zustand gefertigten Strömungskanälen aufgrund der unterschiedlichen Weglängen der Kanalwände während der Wicklung auftreten, werden vermieden. Es treten somit keine Verengungen der Kanäle aufgrund der Faltungen oder ein Einreißen aufgrund der Spannungen auf. Eine feste Verbindung der aufeinanderliegenden Folien kann beispielsweise während dem Wickeln oder im Anschluß daran auf eine geeignete Art und Weise erfolgen.
Eine Erweiterung ist ein Einsatz des Wärmeübertragers zum simultanen Filtern des Öls während der Kühlung. Hierzu ist zusätzlich mindestens ein von einer mikroporösen Membran umschlossener weiterer Strömungskanal vorhanden, der zu einer Filterung des Öls während der Kühlung dient. Der prinzipielle Aufbau eines kombinierten Ölkühlers und Ölfilters ist ebenfalls in EP 1 895 259 A1 detailliert beschrieben. Für die Ölfilterung sollten die Membranen bis etwa 150°C temperaturbeständig sein, so dass als Membranmaterialien die gleichen Kunststoffe wie für die einzusetzenden Folien in Frage kommen.
In 1 ist ein Schnitt durch einen Folienwärmetauscher bzw. -übertrager mit spiralförmiger Struktur dargestellt. Die Fluide 1 und 2 strömen vorzugsweise im Gegenstrom durch die Vorrichtung. Solch ein Wärmeübertrager kann durch eine einfache Wicklung von Folien 3, eventuell zusätzlich mit Gitternetzen 4 um Zentralrohre 5 und 8 hergestellt werden. Die Folien und eventuell eingesetzte Gitternetze sind dann spiralförmig angeordnet. Für Fluid 1 wird neben dem zentralen Zulaufkanal 5 ein Ablaufkanal 6 am Rand benötigt, und für Fluid 2 wird entsprechend neben dem zentralen Ablaufkanal 8 ein Zulaufkanal 7 am Rand benötigt.
Wie aus einem in 2 dargestellten Schnitt durch eine Wärmetauscher-Patrone ersichtlich ist, können diese in 1 beschriebenen Randkanäle durch Aussparungen 6 und 7 in einem ansonsten den in 1 dargestellten Wickel 9 dicht umschließenden Hüllkörper 10 gebildet werden. Dieser Hüllkörper 10 kann z. B. aus einem Hüllrohr, welches zusätzlich mit Gießharz ausgegossen ist, bestehen und dient zugleich als Druckhülle.
Neben der gewickelten Ausführung sind natürlich auch weitere geometrische Ausgestaltungen des Folienwärmetauschers vorstellbar, wie z. B. eine Plattengeometrie mit Folien und Gittern. Dabei müssen jedoch eventuell zusätzlich zur Aufnahme von Druckkräften massive Bauteile eingesetzt werden.
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 10218338 A1 [0009]
- EP 1895259 A1 [0020, 0028]

Claims

Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen Motoröl und Kühlwasser in Fahrzeugen, in welcher zueinander jeweils benachbarte Strömungskanäle des Motoröls und des Kühlwassers durch ein unter Wahrung spezifischer Abstände durchgeführtes Aufeinanderlegen von dünnen, elastischen Folien gebildet sind, wobei die Folien als Wärmeübertragungsflächen zwischen den jeweiligen Strömungskanälen dienen, wobei gleichzeitig eine Diffusion von Motoröl und Wasser zwischen den jeweiligen Strömungskanälen verhindert wird, und die Folien dazu ausgelegt sind, gegenüber einer vorgegebenen, definierten Maximaltemperatur und für eine spezifisch vorgegebene Betriebsdauer beständig zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Maximaltemperatur 150°C und die Betriebsdauer von 5000 h beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Folien geeignet beschichtet oder koextrudiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Folien aus einem Material gefertigt sind, das aus einer Gruppe bestehend aus PEEK, PTFE und PPSU gewählt ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei in den jeweiligen Strömungskanälen Mittel zur Vergleichmäßigung der jeweiligen Strömungen und zur Erhöhung von Strömungsturbulenzen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Mittel als Gitternetze ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Gitternetze aus PA sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Folien an Stirnseiten der Vorrichtung miteinander verschweißt, insbesondere mit Gießharz abgedichtet sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Folien eine Oberflächenstruktur aufweisen, mittels derer jeweilige definierte Strömungskanäle gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Folien spiralförmig um mindestens eine gemeinsame Achse gewickelt sind, so dass im Wesentlichen jeweilige, spiralförmige Strömungskanäle gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein zusätzlicher, von einer Membran mit Mikroporen umschlossener Kanal vorgesehen ist, wodurch eine Motorölfilterung durchführbar ist.