DE4437877A1 - Wärmetauscher, insbesondere Ölkühler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbe­ sondere Ölkühler, mit mehreren aufeinandergestapelten fla­ chen Rohrelementen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­ gebenen Gattung.

Aus der EP 0 384 316 A2 ist ein Wärmetauscher bekannt, der aus mehreren aufeinandergestapelten flachen Rohrelementen besteht. Im Bereich ihrer Enden besitzen die Flachseiten jedes Rohrelementes eine erste Öffnung und eine zweite Öff­ nung, die jeweils mit Öffnungen benachbarter Rohrelemente deckungsgleich sind, so daß die Rohrelemente fluidisch mit­ einander verbunden sind. Die ersten Öffnungen aller Rohr­ elemente bilden gemeinsam einen ersten Anschluß für den Zu­ lauf eines Wärmetauscherfluids, und die zweiten Öffnungen aller Rohrelemente bilden gemeinsam einen zweiten Anschluß für den Rücklauf des Fluids. Aufgrund des geringen Durch­ trittsquerschnitts der äußerst flach gestalteten Rohre er­ höht sich mit zunehmender Länge der Druckabfall des Wärme­ tauschfluids zu stark. Aus diesem Grund werden je nach ver­ fügbaren Einbauverhältnissen zwei oder mehrere Wärme­ tauscher strömungsmäßig parallelgeschaltet. Dieser Bauraum steht jedoch für solche Wärmetauscher, die direkt an dem Motorblock angeflanscht sind, häufig nicht zur Verfügung.

Es ist außerdem aus der DE 39 13 100 C2 eine Anordnung eines Wärmetauschers an einem Wandteil bekannt, wobei der Wärmetauscher in einem Gehäuse angeordnet ist und mit sei­ nen zwei Anschlußöffnungen direkt an deckungsgleichen Öff­ nungen des Wandteiles liegt. Die aufeinandergestapelten Scheiben, die den Wärmetauscher bilden, werden von dem zu kühlenden Öl durchströmt, während die Außenseite der Schei­ ben von einem zweiten Wärmetauschfluid, beispielsweise dem Kühlmittel einer Brennkraftmaschine, beaufschlagt ist. Be­ züglich der möglichen Baugröße und des Druckabfalls sind bei dieser Anordnung die gleichen Nachteile gegeben wie bei der bereits oben erwähnten EP 0 384 316 A2.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärme­ tauscher der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem auch bei großer Baulänge der Rohrelemente eine hohe Kühlleistung bei geringem Druckabfall möglich ist.

Die wesentlichen Vorteile des Erfindungsgegenstandes sind insbesondere darin zu sehen, daß eine hohe Wärmeüber­ tragungsleistung mit einem einzigen Wärmetauscher erreicht werden kann, auch wenn der vorhandene Bauraum relativ schmal bemessen und auch die maximal zulässige Höhe des Wärmetauschers begrenzt ist. Durch die Teilung des Fluid­ stroms ergeben sich relativ geringe Strömungswiderstände, so daß der Druckabfall begrenzt ist. Die Zahl der erforder­ lichen Anschlüsse wird ebenfalls auf ein Minimum begrenzt. Aufgrund seiner Bauart eignet sich der Wärmetauscher insbe­ sondere zum Anbau an Motoren oder Getrieben.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Wärmetauschers besteht darin, daß die dritte Öffnung exakt in der Mitte zwischen der ersten und zweiten Öffnung angeordnet ist. Auf diese Weise ergeben sich gleiche Volumenströme über die Gesamt­ länge der Rohrelemente und ein gleichmäßiges Temperatur­ profil. Zur Anpassung an vorgegebene Anschlüsse, wie sie beispielsweise bei Anbauten an Motoren oder Getrieben vorhanden sind, kann jedoch der mittlere Anschluß außermit­ tig angeordnet sein. Ob dieser in der Mitte liegende dritte Anschluß als Zuleitung und die beiden äußeren Anschlüsse als Rücklauf dienen oder umgekehrt, ist für die Wärmeüber­ tragung gleich. Die dritte Öffnung sollte jedoch bezüglich ihres Querschnitts so bemessen sein, daß ihr Querschnitt der Summe der Querschnitte der ersten und zweiten Öffnung entspricht.

Die Form der Öffnungen kann dem Bedarfsfall entsprechend gewählt werden, wobei vornehmlich kreisförmige, ovale oder länglich runde Öffnungen vorgesehen werden. Als besonders zweckmäßige Ausgestaltung wird angesehen, daß der Quer­ schnitt der ersten und zweiten Öffnung kreisförmig und der Querschnitt der dritten Öffnung länglich mit runden Enden ist, wobei die Längserstreckung der Öffnung orthogonal zur Längsachse der Rohrelemente verläuft. Auf diese Weise ist der Längenabschnitt, der für die mittlere Öffnung notwendig ist, auf das kleinstmögliche Maß reduziert und außerdem ergibt sich eine gleichmäßigere Beaufschlagung der Rohrele­ mente über ihre Breite. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann durchaus die doppelte Länge besitzen wie herkömmliche Wärmetauscher der gattungsbildenden Art. Als besonders ge­ eignet werden Wärmetauscher angesehen, deren Länge zwischen der ersten und der zweiten Öffnung etwa 50 cm bis 80 cm be­ trägt.

Die Rohrelemente des Wärmetauschers können unter Berück­ sichtigung der Zusammensetzung des Wärmetauschfluids, der erforderlichen Druckbeständigkeit und weiterer Betriebs- und Einbaubedingungen unterschiedlich gestaltet sein. Eine zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß als Rohrele­ mente stirnseitig verschlossene Flachrohre aus Aluminium oder Buntmetall vorgesehen sind. Alternativ hierzu können als Rohrelemente Scheiben vorgesehen sein, die aus paar­ weise zusammengefügten Platten gebildet sind, welche aus Aluminium oder Edelstahl bestehen. Zur Erhöhung der inneren Druckfestigkeit der Flachrohre oder Scheiben sowie zur Verbesserung des Wärmeüberganges ist es vorteilhaft, daß in den Flachrohren oder Scheiben Turbulenzeinlagen vorgesehen sind, die mit den Innenwänden verlötet sind. Sofern die Rohrelemente als Scheiben ausgeführt sind, ist es vor­ teilhaft, daß die Platten mit Ausprägungen versehen sind, die zur gegenseitigen Abstützung oder als Distanzmittel zur nächstfolgenden Scheibe dienen. Durch solche Ausprägungen wird eine hohe Stabilität der Scheiben erreicht und jeweils benachbarte Scheiben kommen an vorbestimmten Stellen in di­ rekte Anlage aneinander, ohne daß zusätzliche Distanzele­ mente vorgesehen werden müssen.

Damit ein möglichst guter Wärmeübergang auf der Außenseite der Rohrelemente gegeben ist, sind zwischen den Rohrelemen­ ten Wellrippen angeordnet, die dem Abstand benachbarter Rohrelemente angepaßt sind. Sofern das die Außenseite der Rohrelemente beaufschlagende Wärmetauschfluid ein Kühlmit­ tel eines Verbrennungsmotors ist, beträgt die Höhe der Wellrippen zwischen 2 mm und 4 mm, vorzugsweise ca. 2,5 mm.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ölkühlers mit geteiltem Volumenstrom,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Motorblocks mit angeflanschtem Ölkühler,

Fig. 3 die Draufsicht auf die Anordnung der Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine alternative Ausführung des Ölkühlers der Fig. 1,

Fig. 6 eine Ansicht in Richtung der Pfeile VI in Fig. 5 und

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 5.

Die Fig. 1 zeigt einen als Ölkühler ausgeführten Wärme­ tauscher 1, der aus mehreren übereinandergestapelten Rohr­ elementen 2 und zwischen diesen angeordneten Wellrippen 13 besteht. Die Rohrelemente 2 werden durch Flachrohre 3 ge­ bildet, die an ihren Endseiten 3′ und 3′′ dicht verschlossen sind. Die Flachrohre 3 können beispielsweise längsnahtge­ schweißte Rohre aus Aluminium sein. Nahe dem Ende 3′ jedes die Rohrelemente 2 bildenden Flachrohres 3 ist eine erste Öffnung 4 vorgesehen, wobei die Öffnungen 4 aller Rohrele­ mente 2 deckungsgleich sind und gemeinsam einen ersten An­ schluß 6 bilden. Ebenso sind nahe dem Ende 3′′ jedes Rohr­ elementes 2 deckungsgleiche zweite Öffnungen 5 angeordnet, die gemeinsam einen zweiten Anschluß 7 bilden. Die Länge zwischen der ersten Öffnung 4 und der zweiten Öffnung 5 ist mit L bezeichnet, wobei diese Länge vorzugsweise zwischen 50 cm und 80 cm beträgt.

In der Mitte zwischen der ersten Öffnung 4 und der zweiten Öffnung 5 befindet sich in jedem der Rohrelemente 2 eine dritte Öffnung 10, wobei alle Öffnungen 10 der Rohrelemente 2 gemeinsam einen dritten Anschluß 11 bilden. Der Abstand zwischen der dritten Öffnung 10 und der zweiten Öffnung 5 ist mit A bezeichnet, wobei der Abstand zwischen der dritten Öffnung 10 und der ersten Öffnung 4 gleich groß ist. Alle Rohrelemente 2 sind über den ersten Anschluß 6, den zweiten Anschluß 7 und den dritten Anschluß 11 fluidisch miteinander verbunden. Jeder der Anschlüsse 6, 7 und 11 ist mit einem Stutzen verbunden, wobei ein erster Stutzen 8 dem ersten Anschluß 6 und ein zweiter Stutzen 9 dem zweiten Anschluß 7 zugeordnet sind. Die Stutzen 8 und 9 sind als Rücklauf für das durch die Rohrelemente 2 strö­ mende Wärmetauschfluid vorgesehen, wohingegen der dritte Stutzen 12 an dem dritten Anschluß 11 als Zulauf für das Wärmetauschfluid dient. Selbstverständlich kann die Strö­ mungsrichtung auch umgekehrt sein. Wie aus Fig. 1 weiterhin deutlich wird, besitzen die Öffnungen 10 einen wesentlich größeren Querschnitt als die Öffnungen 4 und 5, wobei vor­ zugsweise der Querschnitt der Öffnungen 10 so groß sein soll wie die Summe der Querschnitte der Öffnungen 4 und 5.

Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Motor­ blocks 15 mit mehreren Zylinderbohrungen 16 sowie einem sich orthogonal zu den Zylinderachsen erstreckenden Ölküh­ ler 14, der an dem Motorblock 15 angeflanscht ist. Ein Ge­ häusedeckel 17, der den Ölkühler 14 vollständig überspannt ist dichtend an dem Motorblock 15 befestigt und bildet auf diese Weise eine Flüssigkeitskammer 18, die mit einem Zu­ lauf 19 für das Motorkühlmittel versehen ist. Die drei An­ schlüsse des Ölkühlers 14 sind direkt mit entsprechenden Bohrungen des Motorblocks 15 verbunden, durch die das Mo­ toröl dem Ölkühler 14 zugeführt bzw. aus diesem wieder ab­ gezogen wird. Das Kühlwasser durchströmt von dem Zulauf 19 kommend die Kammer 18 zwischen den einzelnen Rohrelementen des Ölkühlers 14 nach oben und tritt an der Oberkante der Kammer 18 in die entsprechenden Kühlmittelkanäle des Mo­ torblocks 15, die nahe der Wandung der Zylinderbohrungen 16 verlaufen.

Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung der Fig. 2, wobei ersichtlich ist, daß sich der Ölkühler 14 nahezu über die gesamte Länge des Motorblocks 15 entlang der Zy­ linderbohrungen 16 erstreckt. Der Ölkühler 14 befindet sich in der durch den Gehäusedeckel 17 begrenzten Kammer 18 und ist mit seinen Anschlüssen 6, 7 und 11 direkt mit Anschluß­ kanälen 20, 21 und 22 verbunden. Der Ölkühler 14 besteht ebenso wie der zu Fig. 1 beschriebene Wärmetauscher aus mehreren aufeinandergestapelten Flachrohren 3 und zwischen den Flachrohren befindlichen Wellrippen 13.

In Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 gezeigt. Es ist daraus ersichtlich, daß der Ölkühler 14 seitlich der Zylinderbohrungen 16 angeordnet und mit dem ölführenden Kanal 22 verbunden ist. Ferner ist ersichtlich, daß das durch den Zulauf 19 in die Kammer 18 eintretende Kühlmittel des Motors den Ölkühler 14 zwischen dessen Plat­ ten senkrecht nach oben durchströmt und durch eine Öffnung 23 in Kühlmittelkanäle 24 des Motorblocks 15 eintritt.

In Fig. 5 ist ein als Ölkühler ausgeführter Wärmetauscher 25 gezeigt, der aus aufeinandergestapelten Scheiben 26 be­ steht, welche die Rohrelemente 2 bilden. Alle Scheiben 26 des Wärmetauschers 25 besitzen erste Öffnungen 4 und zweite Öffnungen 5 sowie dritte Öffnungen 10. Diese Öffnungen 4, 5 und 10 bilden jeweils einen ersten, zweiten und dritten An­ schluß 6, 7 und 11, wie dies bereits zu Fig. 1 beschrieben ist. Jede Scheibe 2 besteht aus zwei entlang des gesamten Umfangsrandes verbundenen Platten, die zwischen sich den Kanal für das zu kühlende Öl bilden. In den Scheiben 26 ist eine Turbulenzeinlage 27 vorgesehen. Zwischen den Scheiben befindet sich jeweils im Bereich der Öffnungen 6, 7 und 10 ein die Öffnung umgebender Ring 29, der als Distanzmittel zwischen zwei benachbarten Scheiben 26 und als Verbindungs­ element der einen gemeinsamen Anschluß bildenden Öffnungen 4 dient. Ferner ist zwischen jeweils zwei Scheiben 26 eine Wellrippe 28 angeordnet.

An der in Fig. 5 gezeigten untersten Scheibe 26 ist eine Abschlußplatte 30 befestigt, die im Bereich von jedem der Anschlüsse 6, 7 und 11 eine nach innen gerichtete Wölbung 31 besitzt, durch die bei der Montage eine exakt definierte Lage und ein sicherer Verschluß der unteren Enden der Anschlüsse 6, 7 und 11 erreicht wird. An der in Fig. 5 obersten Scheibe 26 ist eine Anschlußplatte 32 befestigt, die mit seitlichen Bohrungen 33 und einer zentralen Öffnung 34 versehen ist, wobei die Bohrungen 33 und die Öffnung 34 deckungsgleich mit den Öffnungen 4, 5 und 10 der Scheiben 26 sind. Durch eine solche Anschlußplatte 32 kann der Wär­ metauscher 25 auf einfache Weise mit entsprechenden An­ schlußleitungen beispielsweise an einem Motorblock be­ festigt werden.

Die Fig. 6 zeigt eine Ansicht gemäß der Pfeile VI in Fig. 5. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß die Öffnun­ gen 33 in der Platte 32 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, der übrigens exakt dem Querschnitt des ersten und zweiten Anschlusses 6 und 7 entspricht. Die Öffnung 34 besitzt dagegen einen länglichen Querschnitt mit abgerunde­ ten Enden, wobei die Längserstreckung der Öffnung 34 ortho­ gonal zur Längsrichtung der Scheiben verläuft. Die Form der Öffnung 34 entspricht der Form der dritten Öffnung 11 in den Scheiben 26. Mit den Pfeilen 37 ist angegeben, daß die beiden endseitigen Anschlüsse 6 und 7 als Zulauf dienen können, wohingegen mit dem Pfeil 38 angegeben ist, daß der dritte Anschluß 11 als Rücklauf dient. Die mit "Medium 1" bezeichneten Pfeile und diejenigen ohne Bezugszeichen geben an, daß die Strömungsrichtung auch umgekehrt sein kann.

In Fig. 7 ist ein Schnitt entlang der Linie VII-VII der Fig. 5 gezeigt. Aus dieser Darstellung ist deutlich er­ sichtlich, daß die zweiten Öffnungen 5 in den Scheiben 26 gemeinsam mit den Distanzringen 29 den zweiten Anschluß 7 bilden. Durch die Bohrung 33 in der Anschlußplatte 32 ist der Anschluß auf einer Seite offen, wohingegen durch die untere Abschlußplatte 30 die Öffnung 7 auf dieser Seite verschlossen ist und in die entsprechende Öffnung der untersten Scheibe 26 die Wölbung 31 der Abschlußplatte 30 ragt. Die Höhe der Wellrippen 28 ist mit H bezeichnet, diese beträgt vorzugsweise etwa 2,5 mm für solche Wärme­ tauscher, bei denen die Rohrelemente 2 auf der Außenseite von einem Wasser-Glykol-Gemisch oder ähnlicher Flüssigkeit beaufschlagt werden. Die Scheiben 26 sind aus jeweils zwei an ihren Rändern dicht verlöteten Platten gebildet, deren Blechstärke von der Art des Materials und der geforderten Druckfestigkeit abhängt. Zwischen den Platten beträgt das Innenmaß vorzugsweise ca. 3 mm.

Claims (14)

1. Wärmetauscher (1, 14, 25), insbesondere Ölkühler, mit mehreren aufeinandergestapelten, flachen Rohrelementen (2), die im Bereich ihrer Enden (3′, 3′′) an den Flach­ seiten jeweils erste und zweite Öffnungen (4, 5) be­ sitzen, durch die benachbarte Rohrelemente (2) fluidisch miteinander verbunden sind und dadurch ge­ meinsame erste und zweite Anschlüsse (6, 7) für den Zu­ lauf bzw. Rücklauf gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Rohrelemente (2) an den Flachseiten eine dritte Öffnung (10) aufweist, wobei diese Öffnung (10) bezogen auf die Längser­ streckung der Rohrelemente (2) zwischen der ersten und der zweiten Öffnung (4, 5) in einem Abstand (A) ange­ ordnet ist, der zu einer der ersten oder zweiten Öff­ nung (4 oder 5) mindestens das 0,4-fache der Länge (L) zwischen der ersten und der zweiten Öffnung (4 und 5) beträgt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Öffnung (10) exakt in der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Öffnung (4 und 5) angeordnet ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der dritten Öffnung (10) der Summe der Querschnitte der ersten und zweiten Öffnung (4 und 5) entspricht.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der ersten und zweiten Öffnung (4 und 5) kreisförmig und der Quer­ schnitt der dritten Öffnung (10) länglich mit runden Enden ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längserstreckung der dritten Öffnung (10) orthogonal zur Längsachse des Rohrelementes (2) verläuft.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) zwischen der ersten und der zweiten Öffnung (4 und 5) etwa 50 cm bis 80 cm beträgt.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohrelemente (2) stirn­ seitig verschlossene Flachrohre (3) aus Aluminium oder Buntmetall vorgesehen sind.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohrelemente (2) aus paarweise zusammengefügten Platten gebildete Scheiben (26) aus Aluminium oder Edelstahl vorgesehen sind.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Flachrohren (3) oder Scheiben (26) Turbulenzeinlagen (27) vorgesehen sind, die vorzugsweise mit den Innenwänden verlötet sind.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten mit Ausprägun­ gen versehen sind, die zur gegenseitigen Abstützung oder als Distanzmittel zur nächstfolgenden Scheibe (26) dienen.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Rohrelementen (2) Wellrippen (13, 28) angeordnet sind, deren Höhe (H) zwischen 2 mm und 4 mm, vorzugsweise ca. 2,5 mm beträgt.

12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenabstand der Flach­ seiten der Rohrelemente (2) zwischen 2,5 mm und 3,5 mm, vorzugsweise 3 mm beträgt.

13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem der Rohrelemente (2), welches das Ende des Wärmetauschers (25) bildet, eine Abschlußplatte (30) angelötet ist, die ein Ende der Anschlüsse (6, 7, 11) verschließt.

14. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem der endseitigen Rohrelemente (2) eine Anschlußplatte (32) angelötet ist, die Anschlußöffnungen (33, 34) aufweist, welche bezüglich Größe und Form deckungsgleich mit den Öffnungen (4, 5, 10) der Rohrelemente (2) sind.