DE3027435A1

DE3027435A1 - Waermetauscher mit mehreren doppelrohren

Info

Publication number: DE3027435A1
Application number: DE19803027435
Authority: DE
Inventors: Helmut Ing.(grad.) 7014 Kornwestheim Porod
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1980-07-19
Filing date: 1980-07-19
Publication date: 1982-02-18
Also published as: FR2487061A1; FR2487061B1

Description

DR.- I NG. H. H. Wl LH ELM ■ DIPL.-ING. H. DAUSTER D-7000 STUTTGART 1 - GYMNASIUMSTRASSE 31B - TELEFON (0711) 29 11

Anmelder: D 6040

Süddeutsche Kühlerfabrik
Julius Fr. Behr GmbH & Co. KG
Mauserstrasse 3

7000 Stuttgart 30

Wärmetauscher mit mehreren Doppelrohren

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit mehreren Doppelrohren, die jeweils aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Rohren aufgebaut sind, der in einem eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Behälter angeordnet ist, wobei den Rohren das zu kühlende Medium über Verteilerstutzen zugeführt wird.

Solche Wärmetauscher sind bekannt und werden hauptsächlich zur Kühlung des Schmieröls von Motoren oder des Getriebeöls in Drehmomentwandlern, automatischen Getrieben u.dgl. eingesetzt. Zum Zwecke der Kühlung werden solche Wärmetauscher oftmals im unteren Wasserkasten eines Wasserkühlers eines Fahrzeuges angeordnet, wobei die Dimensionierung eines Wärmetauschers damit durch die Abmessungen dieser Wasserkästen begrenzt ist. Um trotzdem die Wärmetauschkapazität eines so angeordneten Wärmetauschers zu erhöhen, ist es bekannt, Doppelrohre zu verwenden, in denen das Öl im Zwischenraum zwischen den Rohren geführt und daher von innen und von außen gekühlt wird.

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Aus der DE-AS 12 04 693 und der DE-PS 11 04 542 ist es bekannt, jedem Doppelrohr über einen Verteilerstutzen das zu kühlende Medium zuzuführen. Da insbesondere dann, wenn mehrere Doppelrohre zur Kühlung verwendet werden sollen, dies sehr aufwendig ist, wurde in der DE-OS 28 22 7^3 vorgeschlagen, solche Doppelrohre in dreieckiger Form nebeneinander anzuordnen, wobei die Doppelrohre mit Hilfe von geschweißten behälterförmigen Elementen gasdicht verbunden sind. Dabei entsteht dort aber der Nachteil, daß die Zuführung des Mediums zum Verteilerstutzen in einer der Längsachse der parallel zueinander liegenden, dreieckförmig angeordneten Rohren zugeführt wird, wobei dann das Medium innerhalb des Verteilerstutzens so umgelenkt werden muß, daß es in die jeweiligen Rohre zugeführt werden kann. Dies hat zur I'olge, daß in dem Bereich der Umlenkung des Mediums Drosselwiderstände auftreten, die die Strömung beieinflussen. Auch der Platzbedarf solcher Wärmetauscher ist größer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache und kostengünstige Weise einen Wärmetauscher zu schaffen, bei dem mehrere Doppelrohre zur Kühlung, insbesondere von Motoröl oder Getriebeöl, raumsparend bei hoher Leistungsdichte und gleichzeitig optimaler Aufteilung der Zuströmung des Öls bei geringen Druckverlusten angeordnet werden können.

Die Erfindung besteht darin, daß am senkrecht zur Längsachse der Rohre angeordneten Verteilerstutzen halbkreisförmige, mit dem Radius des äußeren der beiden konzentrischen Rohre ausgebildete, in Längsrichtung der Doppelrohre verlaufende Nuten vorgesehen sind. Der besondere Vorteil dieser Lösung liegt darin, daß durch die Ausbildung der halbkreisförmigen Nuten die Rohre sehr platzsparend am Verteilerstutzen angebracht werden können, da sie in den Nuten festlegbar sind, insgesamt kann der Wärmetauscher dadurch eine Breite aufweisen, die

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nur geringfügig größer als die des Verteilerstutzens selbst ist. Durch die Anbringung solcher Nuten tritt weiterhin der Vorteil auf, daß eine Möglichkeit geschaffen wird, die Eohre in tangentialer Richtung anzuströmen, wodurch keine nennenswerte Drosselung auftritt und das zu kühlende Medium somit mit einem hohen Massendurchsatz durch die Eohre strömen kann. Damit wird die Leistungsdichte eines solchen Wärmetauschers hoch sein und außerdem eine Aufteilung und Zuströmung des .Fluids bei geringen Druckverlusten erreicht.

Bei einer vorteilhaften Anordnung von Doppelrohren kann vorgesehen sein, daß drei Rohre dreieckförmig so angeordnet sind, daß zwei seitlich und eines unterhalb in den entsprechenden Nuten am Verteilerstutzen gehalten werden. Diese Anordnung stellt eine besonders raumsparende Möglichkeit dar und gewährleistet wegen der tangentialen Anströmung der seitlich angeordneten Rohre einen großen Wärmetauscherwirkungsgrad. Wenn der Verteilerstutzen in Achsrichtung einen Kanal aufweist, dem sich ein im Durchmesser kleinerer Kanal anschließt, wobei die Querschnitte der beiden Kanäle vorzugsweise im Verhältnis 3:1 ausgebildet sind, ergibt sich daraus eine besonders günstige Möglichkeit, die Zufuhröffnungen in den äußeren der jeweils beiden konzentrischen Rohre anzubringen. Dies kann so geschehen, daß zunächst der Verteilerstutzen mit seinen Nuten, den in Längsrichtung eingebrachten Kanäle verschiedener Durchmesser und den gleichgroßen Durchgangsöffnungen hergestellt wird. Daß drei im Querschnitt gleichgroße Öffnungen sich ergeben, kann dadurch erreicht werden, daß die axiale Lage der Nuten durch die Nuttiefe den Kanaldurchmessern angepaßt ist. Danach können die äußeren Rohre der Doppelrohre in den Nuten festgelegt und danach in einem Arbeitsgang mittels einer Stufenfrase o.dgl. in die äußeren Rohre, die den Durchgangsoffnungen im Verteilerstutzen entsprechende Öffnungen, eingebracht werden.

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Dadurch wird zum einen das in den Verteilerstutzen eintretende 3l in drei gleiche Teilströme aufgeteilt, die jeweils den einzelnen Rohren zugeführt werden und zum anderen erreicht, laß eine dichte und zuverlässige Montage der Rohre in sehr iinfacher Weise am Verteilerstutzen vorgenommen werden kann. Zs muß hierdurch bei der Montage der Rohre nicht darauf ge-,ichtet werden, daß die sich eventuell in den Rohren befindenden öffnungen deckungsgleich mit den öffnungen am Ver-,eilerstutzen montiert werden, sondern es wird die Möglichkeit geschaffen, die Rohre, die zur Montage lediglich in ■hrer Länge angepaßt werden müssen, fest am Verteilerstutzen '.u montieren und danach die dann immer deckungsgleichen Öffnungen einzubringen.

)a das Kühlwasser senkrecht zur Strömungsrichtung des zu kühlenden 3ls auf den Wärmetauscher auftrifft, entstehen im kleinen Ereisjuerschnitt der inneren Rohre nur sehr schwache Gegenströme.

um den Wärmetauscherwirkungsgrad zu erhöhen, ist es günstig, das aihlende Wasser verstärkt im Gegenstrom durch den Querschnitt .1er inneren Rohre zu leiten. Das wird dadurch erreicht, indem ine ßtrömungsleiteinrichtung auf der ölaustrittsseite so angeordnet ist, daß sie mindestens ein senkrecht zur Strömungsrichtung ies Öles angeordnetes Rohr, welches in bekannter Weise das Kühlasser vom oberen zum unteren Wasserkasten eines Wasserkühlers -ührt, umfaßt. Von einer solchen Strömungsleiteinrichtung kann der η den inneren Rohren fließende Wasserstrom dort so eingebracht «erden, daß eine bessere Durchströmung und damit ein besserer Wärmeübergang an den inneren Rohren stattfindet.

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er.λ.

In vorteilhafter Weise kann die Strömungsleiteinrichtung mittels in den äußeren Rohren vorgesehenen Rillen und einen zu diesen korrespondierend ausgebildeten Zapfen zwischen den Doppelrohren gehalten werden. Auch ist es günstig, wenn die Strömungsleiteinrichtung aus Kunststoff hergestellt wird, da diese keine Kühlfunktion übernimmt und eine Herstellung aus Kunststoff preiswert ist. Pie Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen. Es zeigen:

Pig. 1 einen teilweisen Querschnitt durch den unteren Wasserkasten eines Wasserkühlers mit einer Strömungsleiteinrichtung am Wärmetauscher,

Fig. 2 einen Querschnitt senkrecht zu einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher, bestehend aus dem Verteilerstutzen und den Doppelrohren,

Pig. 5 einen Schnitt in Achsrichtung der Rohre durch einen Teil des Wärmetauschers und

Pig. M- stirnseitige Ansicht einer Strömungsleiteinrichtung, die am Wärmetauscher gehalten wird.

In der Pig. 1 ist mit 21 ein nur teilweise dargestellter Wasserkühler bezeichnet, der an seinem unteren Ende einen Wasserkasten 20 aufweist. In diesem Wasserkasten ist ein Wärmetauscher angeordnet, von dem die äußeren Rohre 3 zu erkennen sind, durch die über eine Zufuhröffnung 11 und eine Rückführöffnung 12 das zu kühlende öl fließt. Das Kühlwasser wird von einem oberen, nicht gezeigten Wasserkasten durch die Rohre 15 in Pfeilrichtung dem unteren Wasserkasten zugeführt. Am ölaustrittsende des Wärmetauschers ist eine Strömungsleiteinrichtung 14 gehalten, die so angeordnet ist, daß sie in dem gezeigten Beispiel 3 zur Strömungsrichtung des Öles senkrecht angeordnete

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Rohre 15 des Kühlwassers umschließt. Da ein solcher Wasserkasten nur eine relativ geringe Breite aufweisen kann, ist es wichtig, daß der Wärmetauscher unter Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrades raumsparend ausgebildet ist. Wie dies nach der Erfindung erreicht wird, zeigt die Fig. 2. Dort ist mit 1 eine Wand des unteren Wasserkastens 20 bezeichnet, in die ein die Doppelrohre tragender Verteilerstutzen 2 mit O-Ringen 5 und einer nicht näher dargestellten Schraubverbindung wasserdicht eingesetzt ist. Der Verteilerstutzen 2 weist an dem innerhalb des Wasserkastens 1 liegenden Teil in Längsrichtung verlaufende Hüten 9a, 9h, 9c auf, in die Doppelrohre, bestehend jeweils aus einem äußeren Rohr 3 und einem inneren Rohr 4 eingelötet werden können. Der Verteilerstutzen 2 und die Doppelrohre 3₅ 4-sind Teile eines Wärmetauschers zur Kühlung des Motoröls, welches über den Verteilerstutzen 2 in den Raum zwischen dem Rohr 3 und dem Rohr 4 der jeweiligen Doppelrohre gebracht und dort durch das im Wasserkühler 21 strömende Wasser, welches sowohl innerhalb der Rohre 4 als auch außerhalb der Rohre 3 den Wärmetauscher umspült, gekühlt. In dem Raum zwischen Innen- und Außenrohr 3 bzw. 4 sind dabei an sich bekannte Turbulenzkörper 17 eingesetzt, die den Wärmeübergang fördern sollen. Sie dienen auch zur Lagefixierung der inneren Rohre in den äußeren Rohren 3·

Die halbkreisförmigen üiuten 9a, 9^, 9c besitzen einen Radius, der dem des äußeren der Doppelrohre jeweils entspricht. Alle äußeren Rohre 3a, 3^>i 3c weisen im Ausführungsbeispiel gleichen Durchmesser auf, ebenso wie die inneren Rohre 4a, 4b, 4c. Durch die Tiefe t der Muten 9 ergibt sich ein konstruktiv einfach festlegbarer gleichmäßiger Abstand der äußeren Rohre 3, wobei die Tiefe t so gewählt wird, daß im Bereich des Übergangs vom im Durchmesser kleineren Kanal 6a zum im Durchmesser größeren Kanal 6 im Verteilerstutzen 2 Öffnungen 7^{a un}d 7b entstehen, die einen Querschnitt aufweisen, der dem Querschnitt des Kanals 6a und der durch diesen Querschnitt festgelegten Öffnung 7c entspricht.

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Dadurch, wird sichergestellt, daß sich an den Kanälen 6 und 6a des Verteilerstutzens„insgesamt drei im Querschnitt gleichgroße öffnungen 7a, -7b und. ?c_: befinden, durch die das öl vom Verteilerstutzen in die Doppelrohre eintreten kann.

Bei einer Anordnung, wie sie .die Jfig. 2 zeigt, sind zwei Poppalrohre, 3a_T 4a,.und Jb _a 4b seitlich am Verteilerstutzen sich ,gegenüberliegend und ein Doppelrohr 5c, 4-c am fußseitigen Ende 8 des Verteilerstutzens angeordnet. Mit dieser Anordnung „weist der Wärmetauscher, eine relativ geringe Breite auf und kann dennoch für einen hohen Wärmetauscherwirkungsgrad sor- — gen, da auch durch die tangentiale Anströmung der beiden seitlich am Verteilerstutzen 2 angeordnete Bohre keine Drosselung das gleichmäßige und rasche Durchfließen des Öles durch die Doppelrohre beeinträchtigt. Durch das Anbringen von drei gleichgroßen Öffnungen 7a, 7b und. 7c wird außerdem dafür gesorgt, daß der in den Verteilerstutzen eintretende ölstrom in drei gleichgroße ieilströme" aufgeteilt wird, so daß eine gleichmäßige Abkühlung des Gesamtstromes erfolgen kann.

Durch das Einbringen der Nuten 9a, 9b, 9c am Verteilerstutzen 2 ergibt sich eine sehr vorteilhafte Möglichkeit, die äußeren Rohre 3a, 3b, 3c der jeweiligen Doppelrohre mit den für den ölzutritt notwendigen öffnungen deckungsgleich mit den öffnungen 7a, 7b und 7c im Verteilerstutzen zu versehen. Dies kann so geschehen, indem die Doppelrohre bei der Montag*e zunächst mit noch nicht eingebrachten öffnungen in die sich : am Verteilerstutzen 2 befindenden Nuten 9a, 9b, 9c eingelötet werden. Danach kann ein Stufenbohrer o.dgl. in den Kanal 6 des Verteilerstutzens 2 eingebracht und soweit dort nach unten geführt werden, bis die seitlich angebrachten äußeren Rohre 3a und 3b und das am Fuß angeordnete Rohr 3c die entsprechenden öffnungen aufweisen.

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Wenn beim Einbringen der Kanäle 6 und 6a in den Verteilerstutzen 2 diese in einem Querschnittsverhältnis J:1 eingebracht werden, kann damit in einfacher Weise erreicht werden, daß drei öffnungen in den Kanälen mit jeweils denselben Querschnittsflächen entstehen, wodurch die gewünschte gleichmäßige Aufteilung des dem Verteilerstutzens 2 zugeführten ölstromes in drei gleiche Teilströme erzielt wird.

Aus der Fig. 3 ist zu ersehen, daß die in den Nuten 9 gehaltenen Doppelrohre an den stirnseitigen Enden 10 jeweils an den inneren Rohren 4 Aufweitungen 18 aufweisen, mit denen die inneren Rohre 4 mit den äußeren Bohren 3 an den stirnseitigen Enden verschweißt werden, um einen dichten öldurchflußkanal zu erhalten.

Wie aus der Fig. 1 und der Fig. 4 zu ersehen ist, ist die Strömungsleiteinrichtung 14 über einen Zapfen 13 an Killen der äußeren Rohre 3 gehalten und kann dort deshalb sehr einfach montiert werden. Dabei erfüllt die Strömungsleiteinrichtung die Funktion, daß das durch die Rohre, welche im Randbereich des Wasserkühlers 21 oberhalb der Strömungsleiteinrichtung senkrecht zur Längsachse der ölführenden Rohre angeordnet sind, fließende Wasser durch die Strömungsleiteinrichtung 14 so umgelenkt wird, daß es im inneren Querschnitt der inneren Rohre 4a, 4b und 4c mit einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit durchfließen kann.

Insgesamt ist so ein nur wenig Platz in Anspruch nehmender Wärmetauscher geschaffen, der einfach montiert und billig hergestellt werden kann und sich durch einen hohen Wärmetauscherwirkungsgrad auszeichnet.

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Claims

1J Wärmetauscher mit mehreren Doppelrohren, die jeweils aus \-s zwei konzentrisch zueinander angeordneten Rohren aufgebaut sind, der in einem eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Behälter angeordnet ist, wobei den Bohren das zu kühlende Medium über einen Verteilerstutzen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß am senkrecht zur Längsachse der Rohre (3, 4·) angeordneten Verteilerstutzen (2) halbkreisförmig mit dem Radius des äußeren (3) der beiden konzentrischen Rohre (3, 4) ausgebildete, in Längsrichtung der Doppelrohre verlaufende Nuten (9) vorgesehen sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Doppelrohre dreieckförmig so angeordnet sind, daß zwei seitlich und eines unterhalb in den entsprechenden Nuten (9) am Verteilerstutzen (2) gehalten werden.

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3- Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerstutzen (2) in Achsrichtung einen Kanal (6) aufweist, dem sich nach unten ein im Durchmesser kleinerer Kanal (6a) anschließt.

4. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Lage der Muten (9) durch die Nuttiefe (t) so den Kanälen (6, 6a) angepaßt ist, daß sich drei im Querschnitt gleichgroße öffnungen (7a, 7b, 7c) ergehen.

5- Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der beiden Kanäle (6, 6a) im Verhältnis 3:1 ausgebildet sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömungsleiteinrichtung (14-) auf der Ölaustrittsseite so angeordnet ist, daß sie mindestens ein senkrecht zur Strömungsrichtung des Öles angeordnetes Rohr (15) des Kühlwassers umfaßt.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleiteinrichtung aus Kunststoff hergestellt ist.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 6 und 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleiteinrichtung (14) mittels in den äußeren Eohren (3) vorgesehenen Rillen (16) und einem korrespondierend ausgebildeten Zapfen (13) zwischen den Doppelrohren (3, ²O gehalten wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Verteilerstutzen mit seinen Nuten (9), den in Längsrichtung eingebrachten Kanälen (6, 6a) verschiedener Durchmesser und den gleichgroßen Durchgangsöffnungen (7a, 7b, 7c) hergestellt wird, daß dann

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die äußeren Rohre (3) der Doppelrohre (3, 4-) in den lauten (9) festgelegt und danach in einem Arbeitsgang mittels einer Stufenfräse o.dgl. in die äußeren Rohre (3) die den Durchgangsöffnungen (7a, 7b, 7c) entsprechenden Öffnungen eingebracht werden.

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