DE8100021U1 - Kraftstoffkuehler - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. R. LEMCKE

DR.-ING. H. J. BROMMER

AMALIENSTRASSE 28

KARLSRUHE 1

Witzenmann GmbH Metallschlauch-Fabrik Pforzheim, Östliche Karl-Friedrich-Straße 134, 7530 Pforzheim

Kraftstoffkühler

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffkühler für den vom Tank zum Motor strömenden Kraftstoff zur schadstoffärmeren Verbrennung desselben, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse, das axial von einem Kühlmittel durchströmt wird, während der Kraftstoff über radiale Anschlüsse axial verlaufende Ringräume im Gehäuse 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.

Bei einem bekannten Kraftstoffkühler der eingangs beschriebenen Gattung hat man zur Erhöhung der Wärmeübertragung den vom Kühlmittel durchströmten Raum mit Schikanen aus Kupfer gefüllt, die an den äußeren kraftstofführenden Ringräumen anliegen und dadurch die für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Fläche erhöhen und zugleich für ständige Umlenkungen und Verwirbelungen der Kältemittelströmung sorgen. Allerdings ist dieser bekannte Kühler wegen der eingebauten Schikanen relativ aufwendig in der Herstellung und bedarf eines hohen Materialeinsatzes. Darüber hinaus steht nur der radial innere Ringraum in wärmetauschender Verbindung mit dem Kältemittel, während der radial äußere Ringraum, in dem der Kraftstoff zurückströmt, praktisch nutzlos ist.

Hiervon ausgehend, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Kraftstoffkühler dahingehend zu verbessern, daß er bei einfacher Herstellbarkeit, geringem Materialeinsatz und Gewicht eine

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wesentlich höhere Wärmeübertragungsleistung als der bekannte Kühler aufweist. Dabei sollen seine Abmessungen die des bekannten Kühlers nicht überschreiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die wärmetauschenden Flächen der Ringräume als Wellschläuche ausgebildet sind und die radial benachbarten Ringräume am einen Ende durch 'eine Umlenkung miteinander verbunden sind.

Durch die Verwendung von Wellschläuchen wird die Strömung an jeder Welle neuen thermischen Anlaufvorgängen unterworfen. Man erhält dadurch wesentlich höhere Wärmeübergangszahlen, als dies bei zylindrischen Rohren mit in die Strömung ragenden Schikanen der Fall ist. Da sich der Einbau zusätzlicher Schikane im Strömungsweg erübrigt, wird nicht nur die Herstellung vereinfacht, sondern infolge des geringeren radialen Platzbedarfes können zwei radial benachbarte Ringräume vorgesehen werden, die vom Kraftstoff hintereinander durchströmt werden, so daß sich die Wärmeübertragungsfläche nahezu verdoppelt. Ein anderer wesentlicher Vorteil besteht schließlich darin, daß die erfindungsgemäß eingesetzten Wellschläuche die bei Temperaturänderungen auftretenden Wärmedehnungen ohne nennenswerten Spannungsaufbau kompensieren. Die Festigkeitsbeanspruchung, insbesondere an den Schweißnähten des Kühlers wird dadurch verringert und der Kühler kann leichter ausgeführt werden.

Zweckmäßigerweise werden Wellschläuche mit etwa sinusförmigem Profil verwendet. Man vermeidet dadurch die

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bei tiefen und steilen Flanken zu befürchtende Totraumbildung im Wellental und außerdem ist bei diesem Profil der Druckverlust geringer.

Für die konstruktive Ausbildung der Strömungsräume werden zweckmäßig zwei koaxiale Wellschläuche an einem zwischengeordneten Rohrstück befestigt und die beiden mit- diesem Rohrstück gebildeten Ringräume durch endständige Öffnungen des Rohrstückes miteinander verbunden, während die radialen Anschlüsse am anderen Ende angeordnet sind. Dabei kann der äußere Wellschlauch im Abstand zum Gehäuse angeordnet sein, so daß er an seiner Außenseite vom Kühlmittel umströmt wird, d. h., daß der Kraftstoff in beiden Ringräumen, also sowohl auf dem Hinweg als auch auf dem Rückweg im Wärmeaustausch zum Kühlmittel steht.

Um die beiden benachbarten Anschlüsse mit den ihnen zugeordneten Ringräumen zu verbinden, kann der äußere Ringraum in einfacher Weise um den für den radialen Anschluß des inneren Ringraumes benötigten Platz verkürzt werden. Es besteht jedoch _{auch die} Möglichkeit, den Anschlußstutzen des inneren Ringraumes flüssigkeitsdicht durch den äußeren Ringraum hindurchzuführen und beide Ringräume gleichlang zu gestalten, wenn man die beiden Anschlüsse radial benachbart anordnen kann und ein Maximum an Austauschfläche anstrebt.

Weiterhin empfiehlt es sich, daß das die beiden Ringräume trennende Rohrstück dickwandig und/oder aus schlecht wärmeleitendem Material hergestellt ist. Dadurch wird

der für die Kühlleistung nachteilige innere Wärmeaustausch zwischen den beiden Kraftstoffströmungen im inneren bzw. äußeren Ringraum gering gehalten.

Dieser innere Wärmeaustausch kann in zweckmäßiger Weiterbildung des Erfindungsgedankens ganz ausgeschaltet werden, indem anstelle des inneren Ringraumes für den Kraftstoff ein zentral angeordneter Wellschlauch vorgesehen ist, der am einen Ende mit dem einen radialen Anschluß verbunden ist. Bei dieser Führung der Kraftstoffströmung kann zwischen der Vor- und Rückströmung keinerlei Wärmeaustausch stattfinden, da das Kältemittel dazwischen strömt. Die Wärmeübertragungsleistung ist daher noch höher als bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform.

Bildet dabei der äußere Wellschlauch zusammen mit dem Gehäuse den äußeren Ringraum, während zwischen dem äußeren Wellschlauch und dem zentralen Wellschlauch das Kühlmittel strömt, bleibt der vorerwähnte Vorteil des Wärmeaustausches sowohl auf dem Hinweg als auch auf dem Rückweg des Kraftstoffes erhalten.

Zusätzlich empfiehlt es sich, zwischen dem zentralen Wellschlauch und dem äußeren Ringraum ein zylindrisches Trennrohr anzuordnen. Dadurch wird die Kühlmittelströmung in eine innere Kernströmung, die den zentralen Wellschlauch umströmt, und in eine äußere Strömung, die entlang dem äußeren Ringraum strömt, unterteilt und jegliche thermische Beeinflussung beider Strömungen ausgeschlossen. Der Kraftstoff wird also zunächst im zentralen Wellschlauch im Gleichstrom und sodann im äußeren Ringraum im Gegenstrom gekühlt, ohne daß sich die

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stärkere Kühlmittelerwärmung längs des zentralen Wellschlauches auf die schwächere Kühlmittelerwärmung längs des äußeren Ringraumes auswirken kann.

Das Trennrohr ist zweckmäßigerweise flexibel und axial geschlitzt, so daß es bei der Montage unter elastischer Aufweitung rsdial über den zentralen Wellschlauch geschoben werden kann und sodann an dessen Enden, an der Umlenkung zum äußeren Ringraum oder an der Verbindung mit dem radialen Anschluß gehalten wird.

Wird von dem Kraftstoffkühler eine hohe Druckbeständigkeit gefordert, so empfiehlt es sich, daß die relativ flexiblen Wellschläuche durch Abstandhalter radial abgestützt werden. Die Anordnung der Abstandhalter richtet sich danach, ob im Kühlmittel- oder im Kraftstoffkreislauf der höhere Druck zu erwarten ist und stellt sicher, daß die Ringräume über ihren gesamten Querschnitt gleichmäßig durchströmt werden. Meist genügt es hierfür, wenn die Wellschläuche lokal mit Noppen od. dgl. versehen werden, durch welche sie sich an benachbarten Wänden abstützen können. Sind größere radiale Verstrebungen zur Abstandhalterung nötig, so können diese zweckmäßigerweise als schräg zur Strömungsrichtung angestellte Flügel ausgebildet sein, um die Verwirbelung der Strömung zu unterstützen und damit den Wärmeübergang zu verbessern.

Schließlich hat es sich zur kostengünstigen Herstellbarkeit des Kraftstoffkühlers als günstig erwiesen, daß jeweils das eine Ende des inneren Wellschlauches, des Trennrohres, des äußeren Wellschlauches und des zylin-

drischen Gehäuses unter axialer Abstufung an einem koaxial angeordneten, gemeinsamen Anschlußring befestigt sind, der zusätzlich die radialen Anschlüsse in Form von Querbohrungen aufweist und der die radialen Anschlüsse umgehende Längsbohrungen für die Durchleitung des Kühlmittels aufweist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung dreier Ausführungsbeispiele; dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt des Kraftstoffkühlers in einer ersten Variante;

Fig. 2 einen Längsschnitt des Kraftstoffkühlers in einer zweiten Variante und

Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt im Endbereich des Kraftstoffkühlers.

Der in Fig. 1 dargestellte 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.

Ira Inneren des Gehäuses 1 befinden sich zwei konzentrisch verlaufende Wellschläuche 4 und 5. Dazwischen ist ein zylindrisches Rohrstück 6 angeordnet, dessen Enden einerseits mit dem inneren Wellschlauch 4, andererseits mit dem äußeren Wellschlauch 5 verlötet sind, so daß zwei geschlossene, durch das Rohrstück 6 getrennte Ringräume 7 bzw. 8 entstehen. Diese beiden Ringräume sind am einen Ende des Rohrstückes durch mehrere im Rohrstück angeordnete Öffnungen 9 miteinander verbunden, während sie am anderen Ende radiale Anschlußstutzen 10 bzw. 11 für die Zu- bzw. Ableitung des zu kühlenden Kraftstoffes aufweisen.

Die Wellschlauche 4 und 5 verlaufen in hinreichendem Abstand zu dem Rohrstück 6, damit auch an den Wellenbergen noch ein ausreichend hoher Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht. Ist mit erheblicher Außendruckbeanspruchung zu rechnen, so können die Wellschläuche 4 und 5 an ihrer dem Rohrstück 6 zugewandten Seite zweckmäßig mit Abstandhaltern, etwa lokalen Noppen od. dgl. bestückt sein. Diese Noppen können unmittelbar in das Well Schlauchprofil eingeprägt v/erden und sich in eingebautem Zustand am Rohrstück 6 abstützen.

Während sich der innere Ringraum 7 über die gesamte Länge des Rohrstückes 6 erstreckt und an seinem Ende den Anschlußstutzen 10 aufweist, ist der äußere Ringraum 8 mit dem zugehörigen Wellschlauch 5 etwas kürzer ausgebildet, so daß sein Anschluß 11 axial neben dem Anschluß 10 positioniert v/erden kann. Beide Anschlüsse

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sind flüssigkeitsdicht in das Gehäuse 1 eingelötet. Hierfür ist das Gehäuse 1 im Durchtrittsbereich der Anschlüsse 10 und 11 flachgedrückt, damit man eine plane Lötzone erhält. Entsprechend kann dies auch an der Verlötung der Anschlüsse am Rohrstück 6 bzw. am äußeren Wellschlauch 5 der Fall sein.

Erfolgt die Durchströmung des Kühlers mit Kühlmittel von links nach rechts, so ist zweckmäßig der Anschlußstutzen 10 für den Kraftstoffeinlaß, der Anschlußstutzen 11 für den Kraftstoffauslaß vorgesehen. Dadurch wird der Kraftstoff im inneren Ringraum im Gleichstrom, anschließend im äußeren Ringraum im Gegenstrom zum Kühlmittel heruntergekühlt, wodurch sich die thermodynamisch günstigsten Verhältnisse einstellen.

Fig. 2 zeigt eine thermodynamisch noch etwas günstiger gestaltete Ausführungsform. Sie besteht im Prinzip aus dem gleichen zylindrischen Gehäuse 1 mit endständigen Anschlußstutzen 2 und 3 für das Kältemittel wie in Fig. 1. Jedoch sind die Strömungswege für die Hin- und Rückströmung des Kraftstoffes im Abstand zueinander angeordnet. Hierzu ist der radiale Anschlußstutzen 10 über eine Umlenkung mit einem zentral angeordneten Wellschlauch 12 verbunden. Dieser Wellschlauch mündet an seinem anderen Ende über eine radial nach außen führende Umlenkung in einen äußeren Ringraum 13, der durch die Außenwand des Gehäuses 1 und einen hierzu koaxial angeordneten Wellschlauch 14 ge-

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bildet wird. An dem der Einmündung abgewandten Ende ist der zweite radiale Anschlußstutzen 11 für den Kraftstoff angeschlossen.

Diese Anordnung der Strömungswege für den Kraftstoff bietet den Vorteil, daß zwischen der Hin- und der Rückströmung des Kraftstoffes kein Wärmeaustausch stattfinden kann, da der Zwischenraum zwischen dem zentralen "Wellschlauch 12 und dem äußeren Ringraum 13 vom Kühlmittel durchflossen wird. Zusätzlich ist in diesem Zwischenraum ein zylindrisches Trennrohr 15 angeordnet. Es stellt sicher, daß die innerhalb des Trennrohres strömende wärmere Kernströmung des Kältemittels nicht in Wärmeaustausch mit dem bereits teilweise heruntergekühlten Kraftstoff im äußeren Ringraum 13 tritt. Das Trennrohr 15 ist zweckmäßigerweise flexibel ausgebildet und mit einem Längsschlitz versehen, damit es in einfacher Weise radial auf den zentralen Wellschlauch 12 geschoben werden kann. Seine Lagesicherung erfolgt an zumindest einer radialen Durchtrittsstelle 16 des zentralen Wellschlauches 12 und/oder durch aus dem Trennrohr 15 ausgestanzte und hochgestellte Lappen.

Auch in Fig. 2 ist die einfache Möglichkeit gegeben, den Wellschlauch 14 durch lokale Erhebungen am Gehäuse 1 abzustützen, so daß der Durchflußquerschnitt im Ringraum auch bei starkem Überdruck des Kältemittels gewährleistet ist. Am zentralen Wellschlauch 12 wird dem durch entsprechende Wandstärke entgegengewirkt.

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Fig. 3 zeigt die konstruktiv besonders günstige Ausbildung an dem die radialen Anschlüsse tragenden Ende , des Kraftstoffkühlers. Hierzu dient ein Drehteil 17,

.: das als Anschlußring fungiert und hierzu mehrere von

i_f; innen nach außen axial abgestufte Befestigungsmöglich-

; keiten für die Anschlußteile bietet* Am inneren Umfang

des Drehteiles 17, nahe dessen äußerem Ende, ist unter :; Zwischenlage eines Distanzringes 18 der innere WeIl-

schlauch h angeschweißt. Hierzu axial benachbart befin-

Ä det sich eine Querbohrung 10a für den radialen Anschluß

des inneren Ringraumes 7· Axial weiter nach rechts ver- « setzt ist das Rohrstück 6 in einer entsprechenden Ein-

: drehung des Drehteiles 17 befestigt, während am inneren

Ende des Drehteiles unter Zwischenlage einer Hülse 19 ; der äußere Wellschlauch 5 befestigt ist. Dieser bildet

• mit dem Rohrstück 6 den äußeren Ringraum 8. Dieser äußere

Ringraum 8 ist durch eine Querbohrung 11a im Drehteil mit dem radialen Anschluß gemäß Fig. 1 verbunden.

Damit auch die Außenseite des äußeren WellSchlauches 5 vom Kühlmittel umströmt wird, weist das Drehteil 17 Längsbohrungen 20 auf, die seitlich an den Querbohrungen 10a und 11a vorbeigehen und am einen Ende über eine Eindrehung 21 mit der axialen Kühlmittelströmung in Verbindung stehen, während sie am anderen Ende in den Ringspalt zwischen dem äußeren Wellschlauch 5 und dem zylindrischen Gehäuse 1 münden. Letzteres schließt sich bündig an den Außenzylinder des Drehteiles 17 an und ist mit ihm verschweißt.

Selbstverständlich kann das Drehteil 17 auch so abgewandelt werden, daß es für eine andere Führung der

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Strömungswege, insbesondere ohne thermischen Kurzschluß zwischen innerem Ringraum 7 und äußerem Ringraum 8 verwendet werden kann. Hierzu braucht lediglich der Ringspalt zwischen dem äußeren Wellschlauch 5 und dem Gehäuse 1 an die Querbohrung 11a angeschlossen zu werden, wohingegen die Längsbohrungen 20 in den Ringraum zwischen dem äußeren Wellschlauch 5 und dem Rohrstück 6 münden müssen und wobei der innere Ringraum 7 an dem nicht dargestellten anderen Ende des Kraftstoffkühlers an den Ringspalt zwischen dem äußeren Wellschlauch 5 und dem Gehäuse 1 anzuschließen ist.

Zusammenfassend bietet der erfindungsgemäße Kraftstoffkühler den Vorteil einer im Vergleich zum bekannten Kühler wesentlich höheren Wärmeübertragungsleistung, da die Wellschläuche eine relativ dünne Wandstärke aufweisen können und durch ihre Profilierung eine ständige Verwirbelung der entlangströmenden Flüssigkeiten mit entsprechend hohen Wärmeübergangszahlen gewährleisten, wobei sie aufgrund ihrer Flexibilität auch bei starken Temperaturänderungen keina nennenswerten Eigenspannungen aufbauen.

Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, den beschriebenen Wärmetauscher auch für andere als die hier genannten Strömungsmedien zu verwenden. Auch hierfür wird Schutz begehrt.

Claims (14)

Schut zansprüche

1. KraftstoffKühler für den vom Tank zum IVJotor strömenden Kraftstoff zur schadstoffärmeren Verbrennung desselben, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse, das axial von einem Kühlmittel durchströmt wird, während der Kraftstoff über radiale Anschlüsse axial verlaufende Ringräume im Gehäuse durchströmt, dadurch gekennzeichnet,

daß die wärmetauschenden Flächen der Ringräume (7, 8, 13) als Wellschläuche (4, 5, 14) ausgebildet sind und die radial benachbarten Ringräume (7, 8, 13) am einen Ende durch eine Umlenkung miteinander verbunden sind.

2. Kraftstoffkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellschläuche (4, 5, 12, 14) ein etwa sinusförmiges Profil aufweisen.

3. Kraftstoffkühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei koaxiale Wellschläuche (4, 5) an einem zwischengeordneten Rohrstück (6) befestigt sind und die beiden mit diesem Rohrstück gebildeten Ringräume (7, 8) durch endständige Öffnungen (9) des Rohrstückes miteinander verbunden sind, während die radialen Anschlüsse (10, 11) am anderen Ende angeordnet sind.

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4. Kraftstoffkühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wellschlauch (5) im Abstand zum Gehäuse (1) angeordnet ist und an seiner Außenseite vom Kühlmittel umströmt wird.

5. Kraftstoffkühler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringraum (8) um den für den radialen Anschluß (10) des inneren Ringraumes (7) benö-

: tigten Platz verkürzt ist.

6. Kraftstoffkühler nach einem der Ansprüche 3 bis 5,

'% dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (6) dickwandig

c,; und/oder aus schlecht wärmeleitendem Material herge-

Ϊ stellt ist.

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7. Kraftstoff kühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geil kennzeichnet, daß anstelle des inneren Ringraumes (7)

für den Kraftstoff ein zentral angeordneter WeIl-

V schlauch (12) vorgesehen ist, der am einen Ende in den

äußeren Ringraum (13) mündet, am anderen Ende mit dem f; einen radialen Anschluß (10) verbunden ist.

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8. Kraftstoffkühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wellschlauch (14) zusammen mit dem Gehäuse (1) den äußeren Ringraum (13) bildet und daß zwischen dem äußeren Wellschlauch (14) und dem zentralen Wellschlauch (12) das Kühlmittel strömt.

9. Kraftstoffkühler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zentralen Wellschlauch (12) und dem äußeren Wellschlauch (14) ein zylindrisches Trennrohr (15) angeordnet ist.

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10. Kraftstoffkühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennrohr (15) axial geschlitzt ist.

11. Kraftstoffkühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennrohr (15) Ausnehmungen (16) für die endständigen Umlenkungen des Wellschlauches (12) aufweist.

12. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellschläuche (4, 5, 12, 14) durch Abstandhalter radial abgestützt sind.

13. Kraftstoffkühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter schräg zur Strömungsrichtung angestellt sind.

14. Kraftstoffkühler nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils das eine Ende des inneren Wellschlauches (4), des Rohrstückes (6) oder des Trennrohres, des äußeren Wellschlauches (5) und des zylindrischen Gehäuses (1) an einem koaxial angeordneten, gemeinsamen Anschlußring (17) befestigt sind, der zusätzlich die radialen Anschlüsse in Form von Querbohrungen (10a, 11a) aufweist und der die radialen Anschlüsse umgehende Längsbohrungen (20) für die Durchleitung des Kühlmittels aufweist.