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Die Erfindung betrifft einen Lamellenwärmetauscher,
der einen Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden
herbeiführen kann und insbesondere für die Kühlung des
Schmieröls, das heißt des Motoröls und/oder des
Getriebeöls, eines Kraftfahrzeugs verwendbar ist.
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Aus der EP-A-0 428 919 oder aus der EP-A-0 421 570
ist bereits ein Lamellenwärmetauscher bekannt, der
einen Wärmeaustausch zwischen einem ersten Fluid,
beispielsweise einem zu kühlenden Öl, und einem
zweiten Fluid, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit,
herbeiführen kann und der die folgenden Bestandteile
umfaßt:
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- ein Gehäuse, das von dem zweiten Fluid durchströmt
werden kann;
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- eine Aneinanderschichtung von Platten, die
paarweise und abwechselnd im Innern des Gehäuses entlang
einer gegebenen Schichtungsrichtung angeordnet sind, so
daß die Platten ein und desselben Paars eine zwischen
ihnen liegende Umlauflamelle für das erste Fluid
begrenzen;
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- zwei Verbindungsöffnungen, die in jede Platte
eingearbeitet sind, um den Umlauf des ersten Fluids
zwischen
den aufeinanderfolgenden Plattenpaaren von
einem Einlaß des ersten Fluids bis zu einem Auslaß des
ersten Fluids zu ermöglichen; und
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- Strömungsstörelemente, die in den Umlauflamellen
des ersten Fluids angeordnet sind.
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In den bekannten Wärmetauschern dieser Art haben die
Platten üblicherweise die allgemeine Form einer
Scheibe, die eine kreisförmige Umfangslippe und eine
kreisförmige Innenlippe aufweist, die für die
Einfassung eines zentralen Rohrs bestimmt ist, um das herum
die Plattenpaare aneinandergeschichtet sind. Wenn die
entsprechenden Lippen von zwei gegenüberliegenden
Platten, die zu einem gleichen Paar gehören,
beispielsweise durch Verlöten, untereinander verbunden
sind, definieren diese beiden Platten eine
ringförmige Lamelle für den Umlauf des ersten Fluids,
beispielsweise des Öls.
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Die beiden in jede Platte eingarbeiteten
Verbindungsöffnungen dienen zum einen als Einlaß und zum anderen
als Auslaß des zweiten Fluids, beispielsweise des
Öls. Jede dieser beiden Öffnungen wird durch eine
Lippe eingefaßt, die dicht mit einer entsprechenden
Lippe einer angrenzenden Platte verbunden werden
kann.
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Ein derartiger Wärmetauscher wird insbesondere für
die Kühlung des aus einem Motorblock stammenden
Schmieröls verwendet. Das zentrale Rohr, um das herum
die scheibenförmigen Platten eingefügt sind, nimmt
innen eine Gewindeachse auf. Diese dient einerseits
zur Befestigung des Wärmetauschers am Motorblock und
andererseits zur Befestigung eines Ölfilters am
Wärmetauscher. Dieses zentrale Hohlrohr dient dann zur
Rückleitung des Öls zum Motorblock, entweder direkt
im Rohr oder über die Gewindeachse, die dann hohl
ausgeführt ist. Im übrigen enthalten diese bekannten
Wärmetauscher üblicherweise eine Umführung mit einer
Klappe, die normalerweise offen ist, wenn das Öl kalt
und zähflüssig ist, und die geschlossen ist, wenn das
Öl warm und dünnflüssig ist.
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Wenn das Öl kalt und zähflüssig ist, befindet sich
die Klappe in Öffnungsposition, wobei das Öl vom
Einlaß bis zur Umführung direkt durch den Wärmetauscher
strömt, indem es durch die Einlaßöffnungen der
Platten fließt, um direkt zum Filter zu gelangen und
durch das zentrale Rohr oder die zentrale Achse zum
Motor zurückzuströmen.
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Wenn das Öl warm und dünnflüssig ist, befindet sich
die Klappe in Schließposition, wobei das Öl in jeder
Lamelle durch die Einlaßöffnungen der Platten
verteilt wird und jede Lamelle durch die Auslaßöffnungen
der Platten verläßt, um zu einem Durchgang zu
gelangen, der mit dem Filter in Verbindung steht. Die
Rückleitung des Öls zum Motor erfolgt durch den
zentralen Kanal oder die zentrale Achse, wobei das Öl
dann durch Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid, das
heißt mit der Kühlflüssigkeit, die durch das Gehäuse
strömt, gekühlt wird.
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In den bekannten Wärmetauschern dieser Art sind die
Störmungsstörelemente scheibenförmige Teile, die
jeweils in dem Zwischenraum angeordnet sind, der
zwischen zwei Platten ein und desselbens Paars begrenzt
wird. Diese Platten sind mit Erhebungen in Form von
Rippen oder ähnlichem versehen, die die Strömung des
Öls in den Platten behindern, um den Wärmeaustausch
zu verbessern. Es ist jedoch festgestellt worden, daß
im Falle von kreisförmigen Platten und Störelementen
die Zirkulation des Öls im Innern jeder Lamelle eines
Plattenpaares durch die Erhebungen des Störelements
beeinträchtigt wird. So gelingt es dem Öl kaum, die
rippenförmigen Erhebungen der Störelemente zu
beströmen, insbesondere am Umfang der Platten.
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Ein weiterer Nachteil der Wärmetauscher nach dem
bisherigen Stand der Technik besteht darin, daß die in
jede Platte eingearbeiteten Verbindungsöffnungen
kreisförmig oder gegebenenfalls bogenförmig
ausgebildet sind (siehe EP-A-0 428 919), so daß das Öl
tangential durch die Einlaßöffnung austritt und das
Beströmen der Erhebungen oder Rippen der Störelemente
nicht zufriedenstellend ausfällt.
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Im übrigen ist bei den bekannten Wärmetauschern
dieser Art das Gehäuse üblicherweise mit einem
Einlaßstutzen und mit einem Auslaßstutzen für das zweite
Fluid versehen, die nahe beieinander an der
Seitenwand des Gehäuses angeordnet sind. Die beiden Stutzen
münden dann jeweils in einer von zwei benachbarten
Kammern, die zwischen der Seitenwand des Gehäuses und
dem Plattenpaket eingearbeitet sind. Die mit dem
Einlaßstutzen verbundene Kammer ermöglicht den Einlaß
des ersten Fluids gleichzeitig in die zwischen den
Paaren gebildeten Zwischenräume, während die mit dem
Auslaßstutzen verbundene Kammer den gleichzeitigen
Auslaß des zweiten Fluids aus den vorgenannten
Zwischenräumen ermöglicht.
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Dazu müssen besondere Anordnungen an den Platten
geschaffen werden, um eine Abdichtung zwischen dem
Plattenpaket und der Seitenwand des Gehäuses
herbeizuführen, an der die beiden Stutzen befestigt sind.
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Die Ausführung einer solchen Anordnung war bisher
besonders kompliziert auszuführen.
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Aus der EP-A-0 492 047 ist außerdem ein Wärmetauscher
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, der ein
Gehäuse mit einer allgemein quadratischen Form, eine
Aneinanderschichtung von Platten, die paarweise und
abwechselnd im Innern des Gehäuses angeordnet sind,
und Verbindungsöffnungen umfaßt.
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Bei diesem Lamellenwärmetauscher ist kein Störelement
im Innern der Platten angeordnet.
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Der Wärmeaustausch zwischen den beiden Fluiden fällt
daher nur sehr mäßig aus.
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Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde,
die vorgenannten Nachteile zu beseitigen.
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Dazu schlägt sie einen Lamellenwärmetauscher nach
Anspruch 1 vor.
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Daraus folgt, daß das erste Fluid, beispielsweise Öl,
das in die durch ein Plattenpaar definierte
Umlauflamelle einströmt das Störelement und den gesamten
Zwischenraum beströmen kann, der zwischen zwei
Platten gebildet wird. Dabei kann das erste Fluid
insbesondere bis zum Umfang des Störelements und der
Umlauflamelle gelangen.
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Darüber hinaus tritt das erste Fluid, das in das
Innere eines Plattenpaars einströmt, in Richtungen aus,
die parallel oder senkrecht zu den Wellungslinien
verlaufen, wodurch die Zirkulation des Fluids
verbessert wird.
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Es sind zwar bereits Platten mit quadratischer Form
vorgeschlagen worden, aber mit herkömmlichen
Störelementen, so daß es nicht möglich war, den
erfindungsgemäß erzielten Vorteil zu erreichen.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung bestehen die
Wellungen aus ebenen Segmenten, die sich paarweise
durch einen stumpfen Winkel aneinander anschließen.
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Die Wellungen von zwei benachbarten Wellungslinien
sind vorteilhafterweise versetzt.
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Jedes Störelement ist vorteilhafterweise in Form
eines tiefgezogenen Teils mit allgemein quadratischer
Form ausgeführt, das einen mittigen Ausschnitt mit
länglicher Form enthält.
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Jeder Ausschnitt ermöglicht den Durchgang des
zentralen Rohrs und die Verbindung zwischen den
Verbindungsöffnungen der Platten.
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In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung hat
eine der Verbindungsöffnungen, die als Einlaß des
ersten Fluids dient, eine quadratische Form, während
die andere Verbindungsöffnung, die als Auslaß des
ersten Fluids dient, eine rechteckige Form hat, wobei
sich die größere Abmessung des Rechtecks quer im
Verhältnis zur Fluchtrichtung der beiden
Verbindungsöffnungen erstreckt.
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Das Gehäuse hat vorteilhafterweise einen Querschnitt
mit einer in etwa quadratischen Form und wird durch
vier ebene Seitenflächen mit in etwa rechteckiger
Form begrenzt.
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Eine der vier Seitenflächen des Gehäuses dient als
Anschlußfläche und ist mit einem Einlaßstutzen und
einem Auslaßstutzen für das zweite Fluid versehen,
wobei diese beiden Stutzen in zwei symmetrischen
Teilen der Anschlußfläche münden, die sich beiderseits
einer Mittellinie erstrecken, die parallel zur
Schichtungsrichtung verläuft.
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Diese Mittellinie dient dabei als Begrenzung zwischen
zwei Kammern, in denen die beiden vorgenannten
Stutzen münden.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung weist jede
der Platten auf der Seite der Anschlußfläche eine
nicht geradlinige Stirnseite auf, die aus zwei Teilen
besteht, die durch einen stumpfen Winkel verbunden
sind, dessen Spitze an die Anschlußfläche in Höhe der
Mittellinie dieser Fläche anstößt.
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Dieses Merkmal ermöglicht eine Begrenzung der beiden
vorerwähnten Kammern im Innern des Gehäuses.
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Jede Platte der Schichtung umfaßt vorteilhafterweise
einen Vorsprung, der sich nach außen und in der
Fluchtrichtung der Verbindungsöffnungen erstreckt und
der an der Spitze des stumpfen Winkels der Stirnseite
endet.
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Als Variante umfaßt jede Platte der Schichtung einen
Vorsprung, der sich nach außen und in der
Fluchtrichtung der Verbindungsöffnungen erstreckt. Die
Stirnseite der Platte kann geradlinig sein und dann an
einer Ausbauchung der Stirnfläche des Gehäuses
anstoßen.
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Dieser Vorsprung ist vorteilhafterweise mit einer
Lippe verbunden, die eine der beiden
Verbindungsöffnungen umgibt und die selbst wiederum mit einer Lippe
verbunden ist, die eine mittige Bohrung umgibt, die
als Durchgang eines zentralen Rohrs dient, das in der
Schichtungsrichtung verläuft.
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Die Platte umfaßt außerdem eine Lippe, die die andere
Verbindungsöffnung umgibt.
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In der nachstehenden, nur als Beispiel angeführten
Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen. Darin zeigen im einzelnen:
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- Figur 1 eine Längsschnittansicht eines
erfindungsgemäßen Lamellenwärmetauschers, wobei die
Schnittebene durch die Schichtungsachse verläuft;
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- Figur 2 eine in kleinerem Maßstab ausgeführte
Schnittansicht entlang der Linie II-II von Figur 1;
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- Figur 3 eine Draufsicht auf ein Störelement;
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- Figur 4 eine perspektivische Teilansciht von zwei
Wellungslinien des Störelements; und
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-Figur 5 eine Draufsicht auf eine Platte des
Wärmetauschers.
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Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte
Lamellenwärmetauscher umfaßt ein Gehäuse 10, das durch eine
zylindrische Umhüllung mit einem in etwa quadratischen
Querschnitt begrenzt wird, dessen Erzeugenden
parallel zu einer Achse XX verlaufen. Die Umhüllung des
Gehäuses wird durch vier ebene Seitenflächen 12, 14,
16 und 18 mit einer in etwa rechteckigen Form
begrenzt, die paarweise durch vier abgerundete Flächen
20 verbunden sind (Figur 2).
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Außerdem umfaßt der Wärmetauscher eine
Aneinanderschichtung von Platten 26, die paarweise 26-1 und 26-
2 und abwechselnd im Innern des Gehäuses 10 entlang
einer Richtung XX angeordnet sind, die auch die
Schichtungsrichtung bildet.
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Die beiden auch als "Halbplatten" bezeichneten
Platten 26-1 und 26-2 ein und desselben Paars sind in
etwa identisch ausgeführt (Figur 1).
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Die im unteren Teil angeordnete Platte 26-1 (Figur 5)
hat in etwa die Form eines Quadrats, das durch eine
nicht geradlinige Stirnseite 28 und drei andere
Seiten 30, 32, 34 begrenzt wird, die alle drei
geradlinig sind. Die Seiten 28, 30, 32 und 34 sind paarweise
durch vier abgerundete Kanten 36 verbunden.
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Die Stirnseite 28 besteht aus zwei geradlinigen
Teilen 28-1 und 28-2, die durch einen stumpfen Winkel
miteinander verbunden sind, dessen Spitze 38 an der
Anschlußfläche 12 in Höhe der Mittellinie L dieser
Fläche anstößt (Figur 2). Es dürfte verständlich
sein, daß die Abmessungen der Platten 26 etwas
kleiner als die Innenabmessungen des Gehäuses sind, damit
sie darin eingefügt werden können.
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Dabei werden im Gehäuse zwei Kammern 40 und 42 (Figur
2) gebildet, die mit dem Einlaßstutzen 22 bzw. mit
dem Auslaßstutzen 24 in Verbindung stehen.
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Jede Platte 26-1 ist mit einem äußeren Bund 44-1, der
einen entsprechenden äußeren Bund 44-2 einer Platte
26-2 aufnimmt, und mit einem kreisförmigen inneren
Bund 46-1 versehen, der einen entsprechenden inneren
Bund 46-2 der Platte 26-2 aufnimmt (Figur 1). Wenn
die beiden Platten 26-1 und 26-2 so ineinander gepaßt
sind, begrenzen sie eine zwischen ihnen liegende
Umlauflamelle 48 für ein erstes Fluid, im dargestellten
Beispiel für Schmieröl, das durch das vorgenannte
zweite Fluid gekühlt werden soll.
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Das Plattenpaket 26 wird in das Gehäuse 10 um ein
zentrales Rohr 50 herum eingesetzt, an dem die Bünde
46-2 zur Anlage kommen.
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Um den Durchgang des Öls von einem Plattenpaar zum
anderen, das heißt von einer Lamelle 48 zur anderen,
herbeizuführen, umfaßt jede Lamelle 26 zwei diametral
gegenüberliegende Verbindungsöffnungen, und zwar eine
Einlaßöffnung 52 und eine Auslaßöffnung 54. Diese
beiden Öffnungen sind beiderseits der
Schichtungsrichtung XX angeordnet und befinden sich in einer
Fluchtrichtung A, die parallel zu den beiden Seiten
30 und 34 der Platte 26 verläuft (Figur 5).
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Die Richtung A verläuft ebenfalls parallel zu den
Seiten 14 und 18 des Gehäuses (Figur 2).
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Jede der Platten 26 enthält außerdem eine
kreisförmige mittige Bohrung 56 für den Durchgang des zentralen
Rohrs 50. Jede der Platten 56 umfaßt eine
kreisförmige Umfangslippe 58, die die Bohrung 56 umgibt und
sich an eine Umfangslippe 60 mit allgemein
rechteckiger Form anschließt, die die Öffnung 52 umgibt und an
die sich ein Vorsprung 62 anschließt, der sich in der
Fluchtrichtung A der Öffnungen 52 und 54 erstreckt
und der an der Spitze des stumpfen Winkels 38 der
Stirnseite 28 endet (Figur 5). Im übrigen umfaßt jede
der Platten 26 eine Lippe 64 mit allgemein
rechteckiger Form, die die Verbindungsöffnung 54 umgibt (Figur
5). Die verschiedenen vorgenannten Lippen sind
vorstehend ausgebildet und zur Außenseite jeder der
Platten 26-1 und jeder der Platten 26-2 gerichtet.
Wenn die Plattenpaare aneinandergeschichtet sind,
bewirken die vorerwähnten Lippen daher die Abdichtung
der Verbindungen zwischen den Plattenpaaren,
insbesondere an den Verbindungsöffnungen 52 und 54. Im
übrigen kommen die Vorsprünge 62 miteinander in
Berührung und ermöglichen im Gehäuse die Begrenzung von
zwei Bereichen, die mit den Kammern 40 bzw. 42 in
Verbindung stehen. Die durch den Stutzen 22
einströmende Kühlflüssigkeit beströmt daher die Gesamtheit
der Platten und strömt durch den Stutzen 24 wieder
aus.
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Die beiden Platten 26-1 und 26-2 ein und desselben
Paars sind durch Verlöten an ihren jeweiligen Bünden
miteinander verbunden, wobei die Platten paarweise
durch Verlöten an ihren jeweiligen Lippen 58, 60 und
64 sowie an ihren jeweiligen Vorsprüngen 62
miteinander verbunden sind.
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Wie insbesondere in den Figuren 2 und 5 zu erkennen
ist, hat die Verbindungsöffnung 52 für den Einlaß des
Öls eine in etwa quadratische Form mit Seiten, die
parallel zu den Seiten des Quadrats der Platte
verlaufen. Die Verbindungsöffnung 54, die als Auslaß des
Fluids dient, hat eine allgemein rechteckige Form,
wobei sich die größere Abmessung des Rechtecks quer
zur Fluchtrichtung A der beiden Verbindungsöffnungen
erstreckt. Die quadratischen oder rechteckigen Formen
der Öffnungen 52 und 54 begünstigen die Verteilung
des Öls in jeder der Lamellen 48, wobei zwei
senkrechte Richtungen vorrangig berücksichtigt werden.
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Der Wärmetauscher umfaßt darüber hinaus eine Vielzahl
von Störelementen 66, die jeweils in den
Ölumlauflamellen 48 angeordnet sind.
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Das Störelement 66 (Figur 3) ist in Form eines
tiefgezogenen Teils mit einer allgemein quadratischen
Form entsprechend der Form der Platten 26 ausgeführt.
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Die Platte 66 besitzt eine Stirnseite 68, die aus
zwei geradlinigen Teilen 68-1 und 68-2 besteht, die
durch einen stumpfen Winkel 70 miteinander verbunden
sind, und drei andere geradlinige Seiten 72, 74 und
76. Diese vier Seiten sind paarweise durch
Abrundungen 78 miteinander verbunden.
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Das Störelement 66 enthält einen mittleren Ausschnitt
80 mit länglicher Form, dessen Umriß die
Verbindungsöffnungen 52 und 54 sowie die mittige Öffnung 56 der
Platten umgibt.
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Außerdem ist das Störelement 66 mit einer Vielzahl
von Wellungslinien 82 versehen, die Rippen bilden und
die sich parallel zur Fluchtrichtung A der Öffnungen
der Platten erstrecken (Figur 3). Diese
Wellungslinien sind durch Tiefziehen vorstehend ausgebildet.
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Wie in Figur 4 zu erkennen ist, haben die Wellungen
der Linien 82 eine Form, die einer Sinuslinie ähnlich
ist; sie bestehen jedoch aus ebenen Segmenten 84, die
in einer gleichen Ebene angeordnet sind, aus ebenen
Segmenten 86, die in einer parallelen Ebene liegen,
und aus Zwischensegmenten 88, die die Segmente 84 und
86 paarweise verbinden. Die Segmente 88 bilden einen
gleichen stumpfen Winkel mit den Segmenten 84
einerseits und den Segmenten 86 andererseits.
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Im übrigen sind die Wellungen von zwei benachbarten
Linien 82 versetzt.
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Wie durch die Pfeile F in Figur 3 schematisch
angedeutet wird, kann das Öl, das durch eine
Einlaßöffnung 52 in eine Lamelle 48 einströmt, bis zum Umfang
der Lamelle gelangen, wobei es die Gesamtheit der
Wellungslinien 72 beströmt, und ohne durch diese
behindert zu werden, wodurch der Druckverlust
verringert wird, wobei außerdem ein guter Wärmeaustausch
mit der Kühlflüssigkeit ermöglicht wird. Das dadurch
gekühlte Öl kann anschließend leicht durch die
Auslaßöffnungen 54 abfließen.
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Wie in Figur 5 zu erkennen ist, umfaßt jede Platte 26
außerdem eine Vielzahl von Ansätzen 90, die nach
innen vorstehend ausgebildet sind und die als
Abstandsstücke fungieren, um das Störelement 66 in einem
Abstand von den beiden Platten 26-1 und 26-2 zu halten,
die es umgeben.
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Der Wärmetauscher (Figur 1) umfaßt außerdem einen
ringförmigen Boden 92, der eine Öffnung 94 aufweist,
die in der Fluchtlinie der Öffnungen 52 angeordnet
ist und dadurch den Öleinlaß des Wärmetauschers
bildet. Der Boden 92 wird durch einen Dichtungsteller 94
gehalten, der zwischen der Umhüllung des Gehäuses und
dem zentralen Rohr 50 angeordnet ist.
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An seinem anderen Ende umfaßt der Wärmetauscher einen
Dichtungsteller 96, der mit der Umhüllung des
Gehäuses und mit dem zentralen Rohr 50 verbunden ist.
Dieser Teller enthält eine Umführung 98, die in der
axialen Fluchtlinie der Öffnungen 52 angeordnet ist
und durch eine Klappe 100 kontrolliert wird, sowie
eine Öffnung 102, die in der Fluchtlinie der
Öffnungen 54 angeordnet ist.
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Der Wärmetauscher ist für die Befestigung an einem
Motorblock 104 und für die Aufnahme eines Ölfilters
106 bestimmt, wobei die Befestigung des
Wärmetauschers am Motorblock und die Befestigung des
Ölfilters am Wärmetauscher beispielsweise anhand einer
Gewindehohlachse erfolgen.
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Die Funktionsweise des Wärmetauschers kann wie folgt
beschrieben werden. Wenn das Öl kalt und zähflüssig
ist, strömt es durch die Öffnung 94 in den
Wärmetauscher ein, wobei sich unter der Einwirkung der hohen
Viskosität des kalten Öls ein Druckanstieg einstellt,
der die Öffnung der Klappe 66 bewirkt. Das Öl strömt
direkt durch den Wärmetauscher vom Einlaß 94 bis zur
Umführung 98, wobei es durch die Öffnungen 52 fließt.
Danach strömt das Öl durch den Filter und wird durch
das zentrale Rohr 50 zum Motorblock zurückgeleitet.
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Wenn das Öl warm und dünnflüssig ist, ist die Klappe
100 geschlossen. Das Öl wird dann durch die Öffnungen
52 in jeder Lamelle verteilt und tritt aus jeder
Lamelle durch die Öffnungen 54 aus, um bis zur Öffnung
102 zu gelangen. Danach strömt das Öl durch den
Filter 106 und wird durch das zentrale Rohr 50 zum
Motorblock zurückgeleitet.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ermöglicht dadurch
einen optimalen Wärmeaustausch zwischen dem zu
kühlenden Öl und der Kühlflüssigkeit, und zwar mit einem
minimalen Druckverlust.
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Die Erfindung ist natürlich nicht auf einen als
Ölkühler verwendbaren Wärmetauscher beschränkt.