DE3440060C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffkühler für den vom Tank zum Motor einer Brennkraftmaschine strömenden Kraftstoff, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse, das axial von einem Kühlmittel durchströmt wird, während der zu kühlende Kraftstoff über radiale Anschlüsse einen im Gehäuse verlegten Wellschlauch durchströmt.

Im Zuge optimaler Verbrennung des Kraftstoffes unter minimaler Schadstofferzeugung wird in jüngerer Zeit dazu übergegangen, den Kraftstoff vor dem Eintritt in den Vergaser bzw. in die Einspritzpumpe herunterzukühlen. Man ist dabei bestrebt, bei möglichst geringen Abmessungen des Wärmetauschers einen hohen Kühleffekt, also eine hohe Wärmeübertragungsleistung, herbeizuführen.

Ein derartiger Kraftstoffkühler ist durch die DE- OS 31 00 021 bekannt. Dabei strömt der Kraftstoff über zwei axial verlaufende Ringräume, deren wärmetauschende Flächen als Wellschläuche ausgebildet sind. Man erhält dadurch hohe Wärmeübergangszahlen bei vergleichsweise geringem Druckverlust für die durchströmenden Medien. Außerdem können die eingesetzten Wellschläuche auftre­ tende Wärmedehnungen ohne nennenswerten Spannungsaufbau kompensieren. Die Festigkeitsbeanspruchung, insbesondere an den Schweißnähten bzw. Lötstellen des Kühlers wird da­ durch verringert und der Kühler kann leichter ausgeführt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Kraftstoffkühler einerseits hinsicht­ lich seiner Wärmeübertragungsleistung, andererseits hin­ sichtlich seiner Druckfestigkeit zu verbessern, letzte­ res, weil im Kraftstoffkreislauf und insbesondere in dem an die Klimaanlage angeschlossenen Kühlmittelkreislauf erhebliche Drücke mit schwankender Höhe auftreten. Der zwischen den wärmetauschenden Medien angeordnete Well­ schlauch ist daher hoher Differenzdruck-Belastung ausge­ setzt. Schließlich sollen die Abmessungen des erfindungs­ gemäßen Kühlers die des bekannten Kühlers nicht überschrei­ ten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wellschlauch in Form einer Wendel, deren Achse mit der Gehäuseachse übereinstimmt, in dem Gehäuse verlegt ist, daß benachbarte Windungen der Wellschlauch-Wendel zur gegenseitigen Abstützung axial aneinander liegen und die Wendel sich radial an der Gehäuseinnenwand sich ab­ stützt und zusätzlich in Axialrichtung im Gehäuse fixiert ist.

Durch die wendelförmige Verlegung erhält man einerseits eine wesentlich höhere Wärmeübertragungsfläche als bei dem eingangs beschriebenen Kühler. Zum anderen führt die radiale Abstützung und die axiale Fixierung der Wendel im Gehäuse zu einer viel höheren Druckbelastbarkeit des Kühlers. Denn die Differenzdrücke der wärmetauschenden Medien brau­ chen jetzt nicht mehr von der Wendel aufgenommen zu werden. Vielmehr werden die hieraus resultierenden Kräfte, ohne daß der Wellschlauch eine Verformung erfährt, auf das Gehäuse weitergegeben. Das Gehäuse kann ohne weiteres auf diese Beanspruchung ausgelegt werden, weil seine Wand­ stärke keinen Einfluß auf die Kühlleistung hat.

Zwar ist aus der GB-PS 13 62 538 ein Wärmetauscher mit einer wendelförmigen Leitung bekannt, die sich radial an der Gehäuseinnenwand abstützt. Bei dieser Leitung han­ delt es sich aber um ein Rippenrohr und zwischen den ein­ zelnen Windungen dieses Rippenrohrs ist jeweils ein be­ stimmter Zwischenraum freigelassen. Eine gegenseitige axiale Abstützung benachbarter Windungen ist in der Entge­ genhaltung also nicht verwirklicht und wäre aufgrund der scharfkantigen Rippen auch nicht praktikabel. Darüber hin­ aus ist die Wendel in der Entgegenhaltung auch nicht in Axialrichtung im Gehäuse fixiert, sondern nach oben offen, so daß die thermischen Ausgleichsbewegungen des Rippenroh­ res nicht behindert werden. Demgegenüber ist der beim An­ meldungsgegenstand eingesetzte Wellschlauch aufgrund seiner Wellung so flexibel, daß er die thermischen Dehnungen ohne gefährlichen Spannungsaufbau in sich aufzunehmen vermag und somit problemlos auch in Axialrichtung fixiert werden kann.

Für den Grundgedanken der vorliegenden Anmeldung, die Wen­ del im wesentlichen nur nach den Gesichtspunkten optimaler Wärmeübertragung, also besonders dünnwandig auszulegen, wo­ hingegen die von ihr aufzunehmende Differenzdruck-Belastung an das Gehäuse weitergegeben wird, finden sich in der Ent­ gegenhaltung also keine Anregungen.

Um eine gleichmäßige Umströmung der Wellschlauch-Wendel innen und außen herbeizuführen, empfiehlt es sich, daß die Gehäusewand nach innen ragende Vorsprünge aufweist, an denen sich die Wellschlauch-Wendel abstützt. Diese Vorsprünge können als in Längsrichtung laufende Rippen, insbesondere als in die Gehäusewand eingeprägte Längs­ sicken ausgebildet sein. Sie dienen sowohl zur Distan­ zierung der Wendel von der Gehäuse-Innenwand, also zur Schaffung eines außen liegenden, freien Strömungsquer­ schnittes für das Kühlmittel, als auch zur radialen Ab­ stützung der Wendel.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht die Mög­ lichkeit, die Wellschlauch-Wendel nicht zylindrisch, son­ dern konisch auszuführen. Durch entsprechende Bemessung der Vorsprünge kann dafür gesorgt werden, daß sich die Wendel in der einen Axialrichtung des Kühlers konisch verjüngt. Durch die Zu- bzw. Abnahme der Strömungsquer­ schnitte für das Kühlmittel in axialer Richtung wird eine definierte Zwangsströmung radial zwischen benachbarten Schlauchwindungen erzeugt, was bei zylindrischer Wende­ lung nicht der Fall ist. Die somit zusätzlich zum Wärme­ tausch herangezogenen radialen Strömungskanäle ergeben eine optimale Ausnutzung der Wellschlauchfläche über ihren gesamten Umfang und eine entsprechende Verbesse­ rung der Wärmeübertragungsleistung.

Um die Wendel auch in Axialrichtung im Gehäuse zu fixieren, kann sie in einem Käfig, etwa einem Kunststoffspritzteil angeordnet werden, der nicht nur die axiale Abstützung, sondern auch die radiale Abstützung und ggf. auch die Lagesicherung der einzelnen Windungen relativ zueinander übernimmt. Dabei genügt eine Fixierung an den Enden der Wendel. Zugleich erhält man in diesem Falle einen besonders kompakten Aufbau des Kühlers.

Befinden sich die beiden radialen Kraftstoff-Anschlüsse am selben Gehäuseende des Kühlers, so ist es zweckmäßig, daß der Wellschlauch am anderen Gehäuseende mit einer zentral im Kern der Wellschlauch-Wendel axial zurücklau­ fenden Leitung verbunden ist. Diese Leitung nimmt eben­ falls am Wärmeaustausch teil und bildet über die gesamte Länge der Wendel einen definierten Ringquerschnitt für den inneren Strömungskanal des Kühlmittels. Durch Variie­ ren des Leistungsdurchmessers können die innen und außen liegenden freien Querschnitte der Kühlmittelströmung be­ zogen auf den Wärmeübergang so optimiert werden, daß die größtmögliche Wärmeübertragungsleistung erreicht wird. Die Rücklaufleitung ist zweckmäßig als glattwandiges Rohr ausgebildet und über ein endständiges Formstück an das Ende der Wendel angeschlossen. Zugleich kann dieses Rohr auch zur axialen Abstützung der Wendel herangezogen werden.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit für die Rückführung des Kraftstoffes besteht darin, daß die Wendel aus zwei gleichlaufenden, axial benachbarten Wellschläuchen ge­ bildet wird, die an ihren den Kraftstoff-Anschlüssen abgewandten Enden miteinander verbunden sind. Bei einer derartigen Doppelwendel entfällt die Lötverbindung zwi­ schen dem Wellschlauchende und der Rückführleitung.

Zur leichten Montage des Kühlers empfiehlt es sich, die beiden radialen Kraftstoff-Anschlüsse in einem axial oder radial aufsteckbaren Gehäuseteil anzuordnen, das eine entsprechende Ausnehmung des Gehäuses verschließt.

Als Wellschlauch für die Herstellung der Wendel eignen sich handelsübliche Typen. Dabei kann es aber zur opti­ malen Raumausnutzung zweckmäßig sein, statt dessen einen Wellschlauch mit elliptischer Wellung einzusetzen, dessen größte Wellenhöhe an der Innen- und Außenseite der Wendel liegt, wo das Gehäuse genügend Platz bietet. Man erhält dadurch eine Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche bei gleichbleibenden axialen Abmessungen des Kühlers.

Außerdem besteht die Möglichkeit, einen Wellschlauch zu verwenden, der zumindest an seiner Außenseite abstehende Kühlrippen aufweist, insbesondere ein "rasiertes" Stachel­ rohr, wie es ähnlich in der DE-OS 23 30 497 beschrieben ist, wo aus dem Wellengrund jeweils Rippen hochstehen, aber nicht über den Wellenberg hinausragen.

Schließlich ist es in diesem Zusammenhang auch möglich, den Wellschlauch auf seiner einen, in gebogenem Zustand außen liegenden Umfangsfläche mit zusätzlichen Wellen zu versehen, die zwischen den in Umfangsrichtung durchgehend umlaufenden Wellen angeordnet sind, sich jedoch nur über diese Hälfte erstrecken. Bei einem derartigen Biegewellen­ profil wird also die an der Wendelaußenseite sich ein­ stellende Schlauchdehnung benützt, um zusätzliche Halb­ wellen unterzubringen und die Wärmeübertragungsfläche nochmals zu steigern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt des Kraftstoffkühlers;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4 einen Axialschnitt wie Fig. 1, jedoch mit konischer Wendel;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4 und

Fig. 6 ein geteiltes Kühlergehäuse.

Der Kraftstoffkühler besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 1, das an seinen beiden Enden mit zylindrischen Anschlußstutzen 2 und 3 für das Kühlmittel versehen ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse aus einem Rohrstück und zwei endständigen Abschlußplatten 1 a und 1 b zusammengesetzt. Es kann jedoch gleichermaßen aus halbschalenförmigen Tiefziehteilen bestehen.

Im Inneren des Gehäuses 1 ist ein gewellter Metall­ schlauch 4 verlegt, der nahezu vom einen bis zum anderen Ende des Gehäuses schraubengangförmig durchläuft und sich an der Gehäuseinnenwand abstützt. Die einzelnen Win­ dungen der so gebildeten Wellschlauch-Wendel liegen dicht aneinander. Dadurch wird bei kompakter Bauweise eine gegenseitige axiale Abstützung herbeigeführt. Zugleich werden die wärmetechnisch wenig wirksamen Umfangsströ­ mungen entlang der Wellschlauchachse reduziert. Eine relativ große Wellentiefe bis etwa 30% des Schlauch­ außendurchmessers stellt sicher, daß die Wendel nicht nur von einer inneren, sondern auch von einer äußeren Axial­ strömung des Kühlmittels umströmt wird. Außerdem kann der Querschnitt für die äußere Kühlmittelströmung durch von der Gehäusewand nach innen ragende und die Wendel auf Abstand haltende Vorsprünge beliebig vergrößert werden.

Während das eine, in Fig. 1 linke Ende des Wellschlau­ ches 4 über ein in Fig. 2 dargestelltes hakenförmiges Rohrstück 5 mit einem radialen Anschlußstutzen 6 für die Zuleitung des zu kühlenden Kraftstoffes verbunden ist, mündet das andere, in Fig. 1 rechte Ende des Wellschlau­ ches 4 in ein Formstück 7. Dieses Formstück 7 ist in Fig. 3 näher dargestellt. Es verbindet den Wellschlauch mit dem Ende eines glattwandigen Rohres 8, das im Kern der Well­ schlauch-Wendel zurückläuft und an seinem anderen Ende über eine radiale Abbiegung 9 (vergl. Fig. 2) mit einem radialen Anschlußstutzen 10 für die Ableitung des zu küh­ lenden Kraftstoffes verbunden ist.

Die Strömungsrichtung für das Kühlmittel ist, wie in Fig. 1 dargestellt, so gewählt, daß sich relativ zur Wendel kombinierter Quer- und Gegenstrom einstellt. Da­ durch wird die höchstmögliche Wärmeübertragungsleistung erreicht.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind die beiden Kraftstoff-Anschlußstutzen 6 und 10 in der gleichen Radial­ ebene des Kühlers angeordnet und in einem gemeinsamen Gehäuseteil 11 montiert. Dieses Gehäuseteil erstreckt sich in Umfangsrichtung etwa über einen Bereich von 180° und ist auf eine entsprechende Aussparung des Behälters 1 aufgesetzt und damit verlötet. Dadurch kann die Wendel mit dem Rohr 8, dem Gehäuseteil 11 und den beiden Anschluß­ stutzen 6 und 8 vormontiert und in diesem Zustand einfach auf die Dichtheit überprüft werden. Danach wird das Ge­ häuse 1 aufgeschoben, mit dem Gehäuseteil 11 und den end­ ständigen Abschlußplatten 1 a und 1 b verlötet.

In den Fig. 4 und 5 ist ein ähnlicher Kühler wie in den vorbeschriebenen Figuren dargestellt. Jedoch verläuft sein Wellschlauch 4 nicht längs einer zylindrischen, son­ dern längs einer leicht konischen Wendel. Zur Einhaltung der Konizität sind zwischen der Wendel und dem Gehäuse 1 Vorsprünge in Form von vier in Längsrichtung laufenden, gleichmäßig über den inneren Behälterumfang verteilten, keilförmigen Leisten 13 angeordnet. Statt derartiger se­ parater Leisten können ebensogut entsprechende Einsickungen in die Behälterwand gemacht werden.

Die Konizität ist so gewählt, daß die Wendel an ihrem einen Ende etwa am Gehäuse 1 anliegt, während sie an ihrem anderen Ende etwa an der Rückführleitung 8 anliegt. Dies ist strömungstechnisch und wärmeübertragungsmäßig besonders günstig, weil das Kühlmittel die Wendel nicht mehr axial passieren kann, sondern gezwungen wird, von außen zwischen den einzelnen Windungen hindurch nach innen zu strömen. Der Wellschlauch 4 wird dadurch über seinen gesamten Um­ fang optimal zum Wärmeaustausch herangezogen.

Der Querschnitt in Fig. 5 zeigt die vier Vorsprünge 13, die zur Bildung eines sich nach hinten verjüngenden Ring­ raumes zwischen der Wendel und dem Gehäuse führen. Außer­ dem zeigt sie die Verbindung zwischen der Wendel und der Rücklaufleitung 8 über ein Zwischenstück, das in diesem Falle als U-förmig gekrümmtes Rohrstück 14 ausgebildet ist.

Fig. 6 zeigt noch eine Variante für die Gehäuseausbildung. Dabei ist das die Kraftstoff-Anschlußstutzen tragende Ge­ häuseteil 11 von Fig. 1 als sich über den ganzen Umfang erstreckende Endkappe 12 ausgebildet. Außerdem ist das Gehäuse 1 in diesem Falle an seinem anderen Ende nach innen gezogen, so daß die Stirnplatten 1 a und 1 b für die Montage der kühlmittelseitigen Anschlüsse entfallen.

Ebenso ist es möglich, den Radialschnitt zur Teilung des Gehäuses nicht wie in der oberen Hälfte von Fig. 6 dargestellt neben den radialen Anschlußstut­ zen 6 und 10, sondern längs deren Achse vorzusehen. Die Stufe an den sich überlappenden Rändern ist dann an bei­ den Gehäuseteilen vorzunehmen, damit sich ein bündiger Übergang ergibt, wie auf der unteren Hälfte von Fig. 6 dargestellt.

Claims (15)

1. Kraftstoffkühler für den vom Tank zum Motor einer Brennkraftmaschine strömenden Kraftstoff, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse, das axial von einem Kühlmittel durchströmt wird, während der zu kühlende Kraftstoff über radiale Anschlüsse einen im Gehäuse verlegten Wellschlauch durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellschlauch (4) in Form einer Wendel, deren Achse mit der Gehäuseachse übereinstimmt, in dem Gehäuse (1) verlegt ist, daß benachbarte Windungen der Wellschlauch-Wendel zur gegenseitigen Abstützung axial aneinander liegen und die Wendel sich radial an der Gehäuse­ innenwand abstützt und zusätzlich in Axialrichtung im Ge­ häuse fixiert ist.

2. Kraftstoffkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gehäusewand nach innen ragende Vorsprünge (13) zur Distanzierung und radialen Abstützung der Wellschlauch- Wendel aufweist.

3. Kraftstoffkühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorsprünge (13) als in Längsrichtung lau­ fende Rippen ausgebildet sind.

4. Kraftstoffkühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorsprünge (13) als in die Gehäusewand ein­ geprägte Längssicken ausgebildet sind.

5. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wellschlauch- Wendel in der einen Axialrichtung des Kühlers konisch verjüngt.

6. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellschlauch- Wendel in einem Käfig fixiert ist.

7. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, wobei sich die beiden radialen Kraftstoff-An­ schlüsse am selben Gehäuseende befinden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wellschlauch (4) am anderen Gehäuseende mit einer zentral im Kern der Wellschlauch-Wendel axial zurücklaufenden Leitung (8) verbunden ist.

8. Kraftstoffkühler nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zurücklaufende Leitung (8) als glattwan­ diges Rohr ausgebildet ist.

9. Kraftstoffkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich die beiden radialen Kraftstoff-Anschlüsse am selben Gehäuseende befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel aus zwei gleichlaufenden, axial benachbarten Wellschläuchen besteht, die an ihren den Kraftstoff-An­ schlüssen abgewandten Enden miteinander verbunden sind.

10. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden radialen Kraftstoff-Anschlüsse (6, 10) in einem axial oder radial aufsteckbaren Gehäuseteil (11, 12) angeordnet sind.

11. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) längs eines Radialschnittes durch die beiden Kraftstoff- Anschlüsse (6, 10) geteilt ist.

12. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellschlauch eine elliptische Wellung aufweist.

13. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellschlauch zu­ mindest an seiner Außenseite abstehende Kühlrippen auf­ weist.

14. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellschlauch auf seiner einen Umfangshälfte mit zusätzlichen, sich nur über diese Hälfte erstreckenden Wellen versehen ist.

15. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellschlauch in Form von mehreren Wendeln in dem Gehäuse verlegt ist.