DE4141240C2

DE4141240C2 - Metallisches Wärmeaustauscherrohr zur Kühlung von zähen Medien

Info

Publication number: DE4141240C2
Application number: DE4141240A
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl Ing Kriegsmann
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 1991-12-14
Filing date: 1991-12-14
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2011-12-15
Also published as: EP0547363B1; DE59202339D1; ES2074795T5; EP0547363B2; EP0547363A1; ES2074795T3; DE4141240A1

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmeaustauscherrohr nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Fahrzeugen mit Servolenksystemen wird die für die Lenk funktion notwendige Ölmenge über eine Ölpumpe gefördert, die unabhängig von der Motordrehzahl eine nahezu konstante Fördermenge im Ölkreislauf aufrecht erhält.

Je nach Motorbelastung und Lenkbetätigung wird das Öl erwärmt. Die höchste Ölerwärmung tritt im Anhängerbetrieb bei einer Bergfahrt auf. Zur Abkühlung des erwärmten Öles werden Wärmeaustauscherrohre verwendet, die von außen mit Luft beaufschlagt werden.

Bei einer bekannten Ausführung handelt es sich um ein Wärmeaustauscherrohr aus Metall, das auf der Innen- und Außenseite schraubenlinienförmig umlaufende, integrale Rippen besitzt. Dieses Wärmeaustauscherrohr hat bei zuneh mender Öltemperatur und konstanter Luftgeschwindigkeit eine zur Temperaturdifferenz der Öl-/Lufttemperatur proportionale Wärmeabfuhr. Bei extremer Lenkungsbeanspruchung wird die Öltemperatur trotz Wärmeaustauscherrohr weiter ansteigen. Ein kritischer Punkt wird dann erreicht, wenn die Öltempe ratur gleich oder höher ist als die Beständigkeitstemperatur der verwendeten Dichtmaterialien. Die Folge ist Ölverlust durch undichte Stellen und damit Funktionsminderung oder Ausfall der Servolenkung, ganz abgesehen von der Umweltbe lastung durch austretendes Öl. Eine Verlängerung des Wärme austauscherrohres ist aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Motorraum des Fahrzeuges meist ausge schlossen und verteuert den Wärmeaustauscher.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärme austauscherrohr der genannten Art so zu gestalten, daß die Wärmeabfuhr bei steigender Öltemperatur überproportional zunimmt, um hohe Öltemperaturen zu vermeiden und gleichzei tig eine hohe Wärmeleistung in einer kompakten Baugröße zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmeaustau scherrohr mit den beiden kennzeichneten Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst:

a) das Verhältnis der äußeren Wärmeübertragsfläche A_a des Rohres/inneren Wärmeübertragungsfläche A_i des Rohres beträgt: A_a/A_i < 5,0;
b) für den lichten Innendurchmesser des Rohres gilt die Beziehung: mit Innendurchmesser d_i (mm), Volumenstrom des Fluids (m³/h), kinematische Viskosität ν (mm²/s). (Die Größen A_a und A_i sind jeweils auf 1 m Rohrlänge bezogen).

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß ein sprung hafter Anstieg der Wärmeabfuhr und damit die Aktivierung der inneren Rippenfläche eintritt, wenn der Rohrinnendurchmesser d_i an die zu begrenzende Fluidtemperatur und an den vorliegenden Fluidvolumenstrom angepaßt wird. Das erfindungsgemäße Verhältnis A_a/A_i sorgt für die erforder liche Wärmeabfuhr nach außen. Zudem läßt sich durch diese überproportionale Leistungszunahme der Wärmeaustauscher kompakt und damit platzsparend bauen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis A_a/A_i = 5-8.

Für einen üblichen Fluidvolumenstrom von etwa 0,4 m³/h gilt die Beziehung

Hinsichtlich der Ausbildung der inneren Rippenfläche emp fiehlt es sich, wenn das Verhältnis der inneren (berippten) Wärmeübertragungsfläche A_i des Rohres / inneren glatten Wärmeübertragungsfläche A_{i, glatt} des Rohres

A_i/A_{i, glatt} = 1,4-2,5;

beträgt; dabei ist der Drallwinkel der inneren Rippen vorzugs weise

α = 15-30°,

insbesondere

α = 18-25°.

(A_i und A_{i, glatt} sind wiederum auf 1 m Rohrlänge bezogen).

Zur Erzielung optimaler Wärmeübertragungskoeffizienten beträgt die Quadratwurzel aus dem Verhältnis der inneren Wärmeübertragungsfläche A_i/inneren (freien) Querschnitts fläche A_{i, quer} vorzugsweise

Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a ein Wärmeaustauscherrohr im Teillängsschnitt,

Fig. 1b einen Querschnitt eines Wärmeaustauscherrohres und

Fig. 2 den sprunghaften Leistungsanstieg eines erfindungsgemäßen Ölkühlers im Vergleich zu einem Ölkühler nach dem Stand der Technik.

Das metallische Wärmeaustauscherrohr 1 nach Fig. 1a/1b ist auf der Außen- und Innenseite mit integralen Rippen 2 bzw. 3 versehen, die schraubenlinienförmig umlaufen. Der - auf die Rohrlängsachse bezogene - Drallwinkel der Innenrippen 3 ist mit α bezeichnet. Weiterhin sind eingetragen:
A_a: äußere Wärmeübertragungsfläche des Rohres 1,
A_i: innere (berippte) Wärmeübertragungsfläche des Rohres 1,
A_{i, quer}: innere (freie) Querschnittsfläche des Rohres 1 und
d_i: lichter Rohrinnendurchmesser des Rohres 1.

Das zu kühlende, zähe Fluid 4 strömt im Rohrinneren, Luft 5 außen.

Die Vorteile der Erfindung werden anhand der Fig. 2 erläu tert:

Es wurden Messungen an einem erfindungsgemäßen Wärmeaustau scherrohr 1 (Ölkühler A) und Vergleichsmessungen an einem Wärmeausstauscherrohr nach dem Stand der Technik (Ölkühler B) durchgeführt.

In der folgenden Tabelle sind die Geometriedaten der untersuchten Rohre (Ölkühler A und B) aufgeführt:

Der Volumenstrom des Fluids (Öl) in den Rohren betrug jeweils ca. 0,4 m³/h. Die äußere Luftgeschwindigkeit war bei den Untersuchungen konstant 5 m/s ( was einer Fahrgeschwin digkeit von 18 km/h entspricht).

Fig. 2 zeigt deutlich den sprunghaften Leistungsanstieg beim erfindungsgemäßen Ölkühler A.

Claims

1. Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) mit auf der Außen- und Innenseite schraubenlinienförmig umlaufen den, integralen Rippen (2 bzw. 3) zur Kühlung von zähen Fluiden (4), insbesondere von Öl in Servokreisläufen von Fahrzeugen, wobei das zu kühlende Fluid (4) durch das Rohr (1) strömt und dessen Außenseite von Luft (5) gekühlt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) das Verhältnis der äußeren Wärmeübertragungsfläche A_a des Rohres (1)/inneren Wärmeübertragungsfläche A_i des Rohres (1) beträgt: A_a/A_i < 5,0;
b) für den lichten Innendurchmesser d_i des Rohres (1) gilt die Beziehung: mit Innendurchmesser d_i (mm), Volumenstrom des Fluids (4) (m³/h), kinematische Viskosität ν (mm²/s).

2. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verhältnis A_a/A_i = 5-8 beträgt.

3. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den lichten Innendurchmesser d_i des Rohres (1) die Beziehung gilt:

4. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der inneren (berippten) Wärmeüber tragungsfläche A_i des Rohres (1)/inneren glatten Wärmeübertragungsfläche A_{i, glatt} des Rohres (1) beträgt: A_i/A_{i, glatt} = 1,4-2,5.

5. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Drallwinkel der inneren Rippen (3) α = 15-30° beträgt.

6. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Drallwinkel α = 18-25° beträgt.

7. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadratwurzel aus dem Verhältnis der inneren Wärmeübertragsfläche A_i/inneren (freien) Quer schnittsfläche A_{i, quer} beträgt:

8. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß