DE4305928C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Kühlen von flüssigen und gasförmigen Medien mittels Luft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Kühlen von flüssigen und gasförmigen Medien mittels Luft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruches 7.

Eine derartige Vorrichtung und ein solches Verfahren werden beispielsweise in dem DE-GM 91 16 175 beschrieben. Bekann­ termaßen ist die Kühlwirkung der Luft in erheblichem Umfang von der Größe der Geschwindigkeit der durch den als Wärme­ austauscher ausgebildeten Kühler geförderten Luft abhängig. Bei idealer, ausschließlich axialer Strömungsrichtung, tritt eine nur minimale Reibung auf, die zu einem hohen Wirkungsgrad der Kühlung führt. Nachteilig hat sich jedoch bemerkbar gemacht, daß bei den bekannten Vorrichtungen zum Kühlen durch die Rotation des Ventilators ein wesentlicher Anteil der geförderten Luft verwirbelt wird, und somit ein in Rotationsrichtung "vagabundierender", permanenter Luft­ wirbel entsteht, welcher in Reibung umgesetzt wird, die die Strömungsgeschwindigkeit ebenso wie den Wirkungsgrad der Kühlung beträchtlich reduziert.

Darüber hinaus sind Ursachen der geringen Luftgeschwindigkei­ ten im Nabenbereich des Lüfterrades:

• 1. der bei den herkömmlichen Vorrichtungen zwischen Nabe und Kühler sich naturgemäß einstellende "Windschat­ ten",
• 2. die in Nabennähe vorliegenden geringen Umlaufgeschwin­ digkeiten der Lüfterflügel,
• 3. die durch die Fliehkräfte am Lüfter entstehende, nach außen gerichtete Luftbewegungskomponente, welche dazu führt, daß vor allem die außenliegenden Kühlerpartien bevorzugt mit Kühlluft durchströmt werden.

Ferner ist aus der DE-OS 31 45 506 eine Vorrichtung zur Regelung der Kühlwassertemperatur bei wassergekühlten Kraft­ fahrzeugmotoren bekannt, bei der die bereits axial ankommen­ de Strömung umgelenkt bzw. durch das Schließen der Lamel­ len daran gehindert wird, das Kühlelement zu durchströmen. Lediglich im ganz geöffneten Zustand stehen die Lamellen in Strömungsrichtung. Derartige Lamellen finden sich beispiels­ weise bei allen Ventilatoren zur Be- und Entlüftung von Räumen, da bei ausgeschaltetem Ventilator die geschlossenen Lamellen eine unerwünschte Luftzirkulation verhindern sollen. Nachteilig macht sich deshalb bemerkbar, daß die Vielzahl der durchströmten Lamellen im geöffneten Zustand aufgrund des größeren Luftwiderstandes in der Regel keine Verbesserung der Strömungsverhältnisse gegenüber einem gänz­ lichen Wegfall der Lamellen bewirken.

Aus dem Stand der Technik ist weiter die DE 36 38 614 A1 be­ kannt, die eine Vorrichtung zum Leiten eines Luftstromes durch zueinander parallele Lamellen beschreibt, die u. a. am Auslaß einer einen Luftstrom erzeugenden Einrichtung ange­ ordnet sind. Diese Vorrichtung dient u. a. zur Erzielung höherer Luftstromgeschwindigkeiten und einer gleichmäßige­ ren Verteilung der Zuluft.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrun­ de, die eingangs genannte Vorrichtung bzw. das Verfahren derart zu verbessern, daß es die geschilderten Nachteile so gut als möglich verhindert, d. h. die Entstehung irgendwel­ cher Luftwirbel oder -widerstände weitgehend zu vermeiden, damit die Strömungsgeschwindigkeit und somit der Wirkungs­ grad der Kühlung gesteigert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung bzw. das im Anspruch 7 gekenn­ zeichnete Verfahren gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine erhebliche Beruhigung der rotie­ renden Luftwirbel und eine stark verbesserte axial ausge­ richtete Luftströmung erzielt, indem zwischen Kühler und Ventilator ein Steg derart angeordnet wird, daß er den luftführenden Querschnitt in zwei Kammern oder Strömungska­ näle aufteilt. Es dürfte einleuchten, daß auch zwei solche Stege vorgesehen werden können, sofern sie den Luftdurch­ satz und die Strömung nicht behindern. Erfindungsgemäß wird der ungünstige Rotationswirbel durch den Steg unterbrochen, wodurch sich eine günstigere Strömungskonfiguration ergibt, die zu einer Wirkungsgraderhöhung der Kühlung von bis zu 40% führt.

Vorzugsweise sind der oder die Stege so angeordnet, daß sie so dicht wie möglich an dem Kühler anliegen. Der Abstand zu den Flügeln des Ventilators hingegen muß so gewählt werden, daß sich keine geräuschbildenden Resonanzerscheinungen zwischen den Flügeln und dem oder den Stegen ergibt.

Ferner ist es vorteilhaft, daß die Stegebene durch die Drehachse des Ventilators verläuft, um zu symmetrischen Kammern bzw. Durchströmungskanälen zu gelangen.

Weitere Vorteile und Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung hervor.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer be­ kannten Vorrichtung mit Blick auf den Ventilator; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung mit Blick auf den Ventilator.

In Fig. 1 ist der Kühler 1 aus dem mit dem Ventilator 2 und den erfindungsgemäßen Stegen 5 gemeinsamen Gehäuse 3 her­ ausgenommen dargestellt.

Der Kühler 1 ist handelsüblich und im wesentlichen quadra­ tisch oder rechteckig aufgebaut. Er besitzt einen Wärmetau­ scher mit einem flachrohrartigen Lamellenaufbau 15, der oben und unten von Stützblechen 13 und 14 gehalten wird. Diese weisen Anschlüsse 12 für die Zu- und Abfuhr des zu kühlenden Mediums auf, wie dieses durch die Pfeile angedeu­ tet ist. Bei diesem Medium handelt es sich um zu kühlendes Öl. Andere Einsatzbereiche sind jedoch erfindungsgemäß ebenfalls denkbar. Senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums wird der Kühler bzw. Wärmetauscher zwischen den Flachrohren von Luft durchströmt, wie dieses durch die Doppelpfeile angedeutet ist. Die Luft wird von dem davor angeordneten, motorgetriebenen Ventilator 2 in axialer Richtung durch den Kühler 1 "drückend" oder "saugend" hindurchgefördert. Aus Fig. 1 geht ferner der rahmenartige Aufbau des Gehäuses 3 hervor, in den der Kühler 1 im Ge­ brauch form- und kraftschlüssig eingesetzt ist.

Von besonderer erfindungsgemäßer Bedeutung ist der senk­ rechte, rechteckige Steg 5, der zwischen Kühler 1 und Ventilator 2 im Gehäuse 3 eingebaut ist und letzteres in zwei Kammern bzw. Strömungskanäle unterteilt. Darüberhinaus besitzt der erfindungsgemäß vorgesehene Steg 5 die Funktion eines Luftleitbleches. Er ist mittig angeordnet und ver­ läuft somit durch den Drehpunkt des Ventilators 2, der vier Flügel 20 aufweist und im Durchmesser etwa der Länge des Steges 5 entspricht oder geringfügig kleiner ist.

In Fig. 3 ist noch einmal zur Verdeutlichung eine herkömm­ liche Vorrichtung zum Kühlen gezeigt, die einen üblichen Ventilator 2 mit vier oder mehreren Flügeln 20 aufweist, die sich kreisförmig in Richtung des Pfeils 30 drehen und rotationsmäßige Verwirbelungen erzeugen, wie dieses durch die acht abgebogenen Pfeile dargestellt wird. Die so er­ zeugten Luftwirbel erzeugen die oben erwähnte Reibung und reduzieren den Strömungsdurchsatz in axialer Richtung, so daß der Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung hierdurch ernied­ rigt wird.

Anders verhält es sich hingegen beim erfindungsgemäßen Aufbau, der in Fig. 4 gezeigt wird. Im Prinzip werden Größe und Form des Kühlers 1 und des Ventilators 2 aufrechterhal­ ten. Auch der axiale Abstand zwischen den beiden kann beibehalten und in dem ohnehin vorhandenen Zwischenraum im Gehäuse 3 erfindungsgemäß ein Steg 5 vorgesehen werden, wie dieses in den Fig. 2 und 4 gezeigt wird. Es hat sich heraus­ gestellt, daß die Steigerung des Kühlungswirkungsgrades unabhängig davon ist, ob der Steg 5 horizontal oder verti­ kal angeordnet ist. Ebenfalls hat sich herausgestellt, daß das Vorsehen von zwei oder noch weiteren Stegen 5 keinen zusätzlichen Vorteil mit sich bringt, so daß es erfindungsgemäß bevorzugt ist, mit nur einem horizontalen oder vertikalen Steg 5 zu arbeiten. Verständlicherweise kann der Steg 5 auch diagonal verlau­ fen, so daß prinzipiell jedoch zwei symmetrische Strömungs­ kanäle bzw. -kammern 16 und 18 erzeugt werden, die eine Umlenkung der Luftströmung gemäß den Strömungslinien 6a erzeugen, deren Bewegungskomponente entgegengesetzt zu den Strömungslinien 6b verlaufen. Somit entstehen Zonen, in welchen sich die Luftgeschwindigkeiten gegenseitig aufhe­ ben, so daß kinetische Energie in potentielle Energie, d. h. in einen erhöhten Luftdruck, umgewandelt wird.

Dieses ergibt sich auch aus der Bernoulli′schen Kontinui­ tätsgleichung:

Hierin stehen die Ausdrücke:

h für die Ortshöhe (hier: als konstant anzunehmender atmosphärischer Luftdruck)
C für eine konstant bleibende Gesamtgröße.

Wenn also h und C als unveränderliche Größe angenommen werden können, so ergibt sich hieraus, daß sich die Redu­ zierung der aus dem Ventilator 2 stammenden Geschwindigkei­ ten gleichermaßen zu einer Druckerhöhung im Luftkanal führen müssen. Zur Vereinfachung dieser Betrachtung bleibt hierbei die Einbeziehung von Reibungsgrößen bewußt vernach­ lässigt.

Die durch Anbringung eines Steges 5 erzielte Wirkungsgrad­ erhöhung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung um bis zu 40% ist u. a. darauf zurückzuführen, daß die Luftgeschwin­ digkeiten in dem naturgemäß schlechter durchströmten Quer­ schnitt im Bereich der Nabe des Ventilators 2 durch die zuvor beschriebene Luftdruckerhöhung infolge sich einstel­ lender Strömungskomponenten gemäß 6c um das drei- bis vierfache erhöht werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Kühlen von flüssigen und gas­ förmigen Medien mittels Luft, insbesondere Luft-Ölkühler für die Stationär- und Mobilhydraulik, umfassend einen als Wärmetauscher arbeitenden Kühler (1), der Anschlüsse (12) im Bereich eines oben und unten angeordneten Kastens (13, 14) für die Zu- und Abfuhr des zu kühlenden Mediums und einen flachrohrartigen Lamellenaufbau (15) besitzt, sowie einen vom Kühler (1) beabstandeten, durch Motor betriebenen Ventilator (2), die in einem gemeinsamen, stabilen Gehäuse (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kühler (1) und dem Ventilator (2) ein oder zwei Stege (5) derart angeordnet sind, daß sie den luftführenden Querschnitt in zwei oder vier Kammern (16, 18) aufteilen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der oder die Stege (5) unmittelbar an den Lamellenaufbau (15) des Kühlers (1) angrenzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Stege (5) in Form längli­ cher, rechteckiger Bleche oder Profile, die als Luftleitflä­ chen dienen, ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Stege (5) vertikal und/oder horizontal und/oder orthogonal verlaufen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Stege (5) durch die Dre­ hachse des Ventilators (2) verlaufen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeich­ net durch ein einteiliges Gußkörpergehäuse (3).

7. Verfahren zum Kühlen von flüssigen und gasför­ migen Medien mittels Luft, insbesondere Luft-Ölkühlung in der Stationär- und Mobilhydraulik, umfassend das Erzeugen eines Luftstromes durch einen Ventilator (2), und Durchlei­ ten desselben durch einen als Wärmetauscher arbeitenden Kühler (1), dadurch gekennzeichnet, daß rotationsmäßige Luftwirbel durch das Vorsehen eines oder zweier Stege zwischen dem Kühler (1) und dem Ventilator (2) unter Steige­ rung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft durch zwei oder vier Kammern (16, 18) reduziert werden.