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Vorrichtung zum Kühlen von mit ringförmigen Kühlrippen ausgestatteten
umlaufenden Maschinengehäusen, z. B. von Flüssigkeitsgetrieben Die Erfindung bezieht
sich auf die Kühlung von ringförmigen umlaufenden Maschinengehäusen, wie z. B. von
Flüssigkeitsgetrieben od. dgl., mittels Luft oder anderen gasförmigen Kühlmitteln.
Die in derartigen Maschinenanlagen auftretende Reibungswärme muß abgeleitet werden,
wenn verhindert werden soll, -daß die Arbeitstemperatur allzu hoch ansteigt. Die
Erfindung bezieht sich :besonders auf die Kühlung der umlaufenden Gehäuse von Flüssigkeitsmomentwandlern
und wird demzufolge an Hand einer derartigen Anlage beschrieben, wobei die Anwendung
auf andere gleich- oder ähnlich geartete Anlagen, wie Pumpen, Kompressoren od.dgl.,
nicht beschränkt ist.
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Bekanntlich arbeiten derartige Maschinenanlagen mit einem Wirkungsgrad
von unter rooo/o, und der eingetretene Energieve@rlustwandeltsich zumgrößten Teil
in Wärme um, die abgeleitet werden muß, wenn allzu hohe Arbeitstemperaturen vermieden
werden sollen. Man hat schon vorgeschlagen, eine Kühlung so durchzuführen, daß man
einen Teil der Arbeitsflüssigkeit abzweigt und durch eine besondere Kühlvorrichtung
leitet und dann diese gekühlte Flüssigkeit wieder in den Arbeitskreislauf zurückführt.
Obwohl diese Art der Kühlung hinsichtlich ihrer Wirkung als zufriedenstellend bezeichnet
werden kann, war doch die Verwendung besonderer Kühlsysteme mit äußerlich angeordneten
Rohrleitungen notwendig, die die Herstellungskosten und die Gewichte nicht unbeträchtlich
erhöhen. Hinzu kommt noch, daß diese Systeme einer laufenden Wartung bedurften,
da sie oftmals erheblichen Drucken ausgesetzt
sind, die leicht
zum Undichtwerden der Leitung führen.
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Um diese Nachteile zu überwinden, hat man bereits die Gehäuse solcher
Maschinen umlaufend ausgebildet und mit einer vergrößerten Kühlfläche in Form von
auf ihr angeordneten Kühlrippen versehen, wobei zur Erhöhung der Kühlwirkung ein
besonders zugeordnetes Gebläse für die Bewegung der Luft oder anderer Kühlmittel
vorgesehen war. Eshat sich aber gezeigt, daß die Kühlwirkung-dieser Vorrichtungen
zumeist nicht ausreichend war; sie konnte nur durch Verwendung besonderer Ventilatoren,
d. h. mit einem zusätzlichen, verhältnismäßig großen Energieverbrauch erreicht werden.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, neue Kühlvorrichtungen zu
schaffen, bei denen die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden werden und
die mit einem verhältnismäßig geringen Energieaufwand zum Antrieb der Kühlvorrichtung
auskommen.
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Die neuen Vorrichtungen sollen diabei in ihrer Ausführung kräftig
und, besonders in der Massenfertigung, billig herzustellen sein und im laufenden
Betrieb keiner Wartung bedürfen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt:
Fig. i zeigt einen zentralen Längsschnitt durch einen Momentwandler; Fig.2 zeigt
einen Schnitt durch den Momentwandler nach der Linie 2-2, und Fig. 3 zeigt einen
Längsschnitt durch eine Vorrichtung ähnlich der Vorrichtung in Fig. i, jedoch mit
einem anders ausgebildeten Gehäuse; Fig. 3 a bis 3 d zeigen die verschiedenen Einzelausführungen
der Rippen und ihrer Befestigung, die an einem Gehäuse nach Fig. 3 angeordnet sein
können; Fig. 4 zeigt den Längsschnitt durch ein Gehäuse anderer Form als die Gehäuse
nach Fig. i bis 3.
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In der Darstellung ist ein umlaufend angeordnetes Gehäuse io mit einem
Zahnkranz 12 versehen, durch den das Gehäuse von dem Schwungrad 14 eines Motors
mit dessen Umdrehungsgeschwindigkeit angetrieben wird. Das Gehäuse io umschließt
einen ringförmigen Arbeitskreislauf 16 zum Umlauf der Arbeitsflüssigkeit. In der
vorliegenden Darstellung sind die Pumpenschaufeln r8 am Gehäuse io selbst befestigt,
das den treibenden Teil des Momentwandlers bildet. Ein drehbarer Turbinenteil 2o
besteht im vorliegenden Fall, aus dem Turbinenrad 22 und .dem Schaufelkranz 24,
der über den Innenring 26 mit einem zweiten Schaufelrad 28 verbunden ist. Zwischen
den Schaufelkränzen 24 und 28 ist ein Kranz von Leitschaufeln 3o angeordnet, der
auf einem radförmigen Teil 32 angeordnet und mit dem äußeren feststehenden Gehäuse
34 verbunden ist, das seinerseits wiederum an dem feststehenden Motorenteil 36 angeordnet
ist. Der vorbeschriebene Teil der Vorrichtung ist von normaler Bauart und stellt
ein Zweistufengetriebe dar, in dem die Leistung durch den Umlauf eines Arbeitsmittels
durch das Schaufelsystem des Kreislaufes in der Richtung des Pfeiles 38 übertragen
wird. Für die Erfindung ist die Form des hydraulischen Umlaufs belanglos und kann
beliebig viele Stufen für die Momentwandlung durch die Pumpen und Turbinenaggregate
für Kupplungsgetriebe aufweisen.
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In einer Vorrichtung gemäß der Erfindung kann das umlaufende Gehäuse
an Stelle der Pumpenschaufeln Turbinenschaufeln tragen und stellt dann eine bekannte
Ausführungsform der Bauart dar, ist aber aus den nachstehend aufgezeigten Gründen
weniger vorteilhaft als eine Ausführungsform, bei der das umlaufende Gehäuse die
Pumpenschaufeln trägt.
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Das im Ausführungsbeispiel gezeigte Pumpengehäuse io besteht aus einem
scheibenförmigen Teil 40, in dem die Pumpenschaufeln 18 angeordnet sind, der die
motorseitige Wand des Arbeitskreislaufes 16 bildet und einem zweiten Bauteil 42,
der die abtriebsseitige Wand dieses Kreislaufes bildet, sowie aus dem ringförmigen
Bauteil 44, der die beiden Bauteile 40, 42 miteinander verbindet. Der ringförmige
Bauteil 44 weist in seinem äußeren Umfang eine Reihe radial angeordneter Kühlrippen
46 mit dazwischenliegenden Vertiefungen 48 auf. Die Rippen 46 und die Vertiefungen
48 sind konzentrisch um die Rotationsachse des Gehäuses io angeordnet.
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Der Bauteil 44 weist an seiner inneren Seite eine zylindrische Fläche
5o auf, die in einem bestimmten Abstand von einer ähnlichen äußeren Fläche des Bauteiles
42 angeordnet ist. Zwischen diesen beiden Flächen befindet sich eine zylindrische
Zwischenwand bzw. eine Trommel 54, die sich in einem bestimmten Abstand von den
beiden vorgenannten Flächen ihält und dadurch flache Ringräume 56 und 58 bildet,
die miteinander durch Öffnungen 6o in der Zwischenwand resp. Trommel 54 verbunden
sind. Der Ringraum 56 steht außerdem mit dem Arbeitskreislauf 16 durch eine Reihe
an deren Umfang angeordneter Bohrungen 62 in Verbindung, während der Ringraum 58
mit dem Arbeitskreislauf 16 durch Bohrungen 64 verbunden ist, die, radial gesehen,
zwischen den Bohrungen 62 angeordnet sind. Da der Druck des Arbeitsmittels in dem
Kreislauf 16 am Einlaufende der Kanäle 62 größer ist als am Auslaufende der Kanäle
64, führt dieser Druckunterschied zum Umlauf eines Teiles des Arbeitsmittels durch
diese Bohrungen und Kanäle, etwa in der Reihenfolge 62, 56, 58, 64, und bildet so
praktisch einen inneren Kühlumlauf. Dadurch wird die durch den hydraulischen Umlauf
entstandene Wärme auf diese Weise sowohl durch das Gehäuse des Arbeitskreislaufes
16 direkt wie auch über die vorbeschriebenen Leitungen zu den Kühlrippen 46 mit
Hilfe eines Teiles des Arbeitsmittels selbst abgeführt. Die Kühlrippen 46 reichen
jedoch normalerweise nicht aus, um die auftretende Wärmemenge an die Luft abzuleiten,
es sei denn, daß man der Wärmeübertragungsfläche eine für die praktische Anwendbarkeit
unmöglich große Ausdehnung gibt. Der Hauptgrund für diese mangelhafte Wärmeübertragungsleitung
ist darin zu suchen, daß die bei einer durch Kühlrippen vergrößerten Fläche auftretende
Reibung zwischen der Kühlfläche und den Wänden
der Rippen eine wirbelartige
Strömung am Umfang hervorruft, die zu einer relativ kleinen Geschwindigkeit der
Kühlluft an den Flanken der Rippen und damit zu einem verhältnismäßig niedrigen
Wärme-Übertragungskoeffizienten führt. Diese begrenzte und beschränkte Kühlwirkung
macht diese Anordnung praktisch unverwendbar.
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Nach der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß eine
regelbare Kühlmittelströmung auf den zu kühlenden Flächen erzeugt wird, die zu einer
verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit zwischen dem Kühlmittel und den Kühlflächen
führt. Dadurch wird eine hohe Intensität der Wärmeübertragung sichergestellt, aber
gleichzeitig nur eine verhältnismäßig niedrige absolute Geschwindigkeit des Kühlmittels
erforderlich, die einen entsprechend niedrigen Energieaufwand benötigt, um das Kühlmittel
zu beschleunigen bzw. wieder an die Umgebung abzuführen.
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Zu diesem Zweck wird die fortwährend mitumlaufende Strömung des Kühlmittels
mit Hilfe besonderer Leitorgane unterbrochen, die in die Zwischenräume der Rippen
eingeschoben werden und so angeordnet sind, daß eine Rotationsbewegung entsteht,
die zu einer im voraus bestimmbaren Luftströmung zwischen den Rippen entsprechend
der Umdrehung der Teile gegeneinander führt.
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Bei der dargestellten Ausführungsform wird dies durch die Form und
Anordnung des äußeren feststehenden Gehäuses 34 erreicht, das' die Rippen 46 und
Vertiefungen 48 des umlaufenden Gehäuses mit käfigartigen und in einer Vielzahl
längs des Umfangs verteilten in axialer Richtung angeordneten Blechen 66 umgibt.
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Zwischen diesen Blechen 66 ist eine entsprechende Anzahl von Querträgern
68 angeordnet, die mit nach innen gerichteten Flügeln oder Fingern 72 ausgestattete
Teile 70 tragen, deren Form vorteilhaft dem Profil der Vertiefungen 48 mit
entsprechenden Zwischenräumen angepaßt ist, so daß die Flügel oder Finger 72 praktisch
die Räume der Vertiefungen 48 ausfüllen.
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Die Bleche 6f> und die Träger 68 mit ihren Tragorganen 7o bilden zwischen
sich zwei Reihen von Öffnungen 74. 76, durch die das Kühlmittel einerseits in die
Zwischenräume 48 hinein und anderseits aus den Zwischenräumen 48 heraus in Richtung
der Pfeile 78 (Fi:g.2) geführt wird.
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Die Umdrehungsrichtung des Gehäuses ist durch den Pfeil 8o angegeben.
Wie in Fig. 2 dargestellt, werden die Finger 72 vorteilhafterweise in Form von Schaufeln
ausgebildet, die in der Umdrehungsrichtung nach vorn so gekrümmt sind, daß eine
gleichmüßige Kühlniittelströmung entsteht, Die Ausbildung nach dieser Fig. 2 zeigt
beiSpielsweise die Anzahl von sechs Tragorganen 70 mit den zugeordneten Linlaß-
und Auslaßöffnungen, deren Zahl jedoch entsprechend den im Einzelfall gestellten
Anforderungen variiert werden kann, die jedoch nicht nur von der relativen Umdrehungsgeschwindigkeit
abhängig ist, mit der die Wärme abgeleitet werden muß. Wie aus den Darstellungen
zu entnehmen ist, wird (las Kühlmittel, das durch die ()ffnungeii 74 einströmt,
eine hohe Umdrehungsgeschwindigkeit gegenüber den Rippen 46 aufweisen, derzufolge
eine schnelle Wärmeübertragung erreicht wird. Das Kühlmittel wird durch die entsprechende
Reibung mitgerissen, wodurch sich nicht nur eine geringe Wärmeübertragung ergibt,
sondern es ist dann auch ein immer .größer werdender Energieaufwand erforderlich,
um das Kühlmittel auf eine entsprechend höhere Geschwindigkeit zu bringen. Aus diesem
Grunde wird das Kühlmittel, bevor der Wärmeübertragungseffekt niedriger und dementsprechend
der Energieaufwand höher wird, durch die Austauschöffnungen abgeführt und .durch
einen zugeleiteten Strom frischen Kühlmittels ersetzt. Da die Beschleunigung des
frischen Kühlmittels nicht nur von der relativen Umdrehungsgeschwindigkeit und von
der Oberfläche der an der Umdrehung teilnehmenden Flächen, die die Reibung hervorrufen,
sondern auch von anderen Faktoren, wie z. B. dem Temperaturunterschied abhängig
ist, erscheint es verständlich, daß für die einzelnen Fälle verschieden geformte
Segmente oder Strömungsbogen für -die jeweiligen kalten Kühlmittelströme ganz bestimmte
Wirkungen ergeben und daß möglicherweise in einzelnen Fällen mit je einer Einlaß-
und Auslaßöffnung je Vertiefung 48 auszukommen ist.
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In den meisten Fällen wird durch Berechnung zu ermitteln sein, daß
sieh durch eine Reihe einzelner in sich geschlossener Kühlmittelströme durch Vertiefungen
die beste Wärmeableitung im Verhältnis zur aufgewandten Energie ergibt. Es hat sich
beispielsweise gezeigt, daß die erforderliche Kühlung für einen Momentwandler mit
einem solchen. Durchinesser, daß sich eine Umfangsgeschwindigkeit von etwa 40 m/sec
bei 2ooo U/min und einer Kraftübertragung von etwa 50 PS ergibt, mit einer
Vorrichtung der beschriebenen Art gekühlt werden kann, die eine Kühlfläche von praktisch
durchführbarer Abmessung und eine relative Strömungsgescliwindigkeit von etwa aufweist.
Diese relative Strömungsgeschwindigkeit kann mit der dargestellten Vorrichtung erzeugt
werden, weil bei den angegebenen Verhältnissen das kalte Kühlmittel nur auf eine
verhältnismäßig niedrige absolute Geschwindigkeit von etwa io m/sec beschleunigt
wird, so daß ein verhältnismäßig kleiner Energieaufwand von etwa '/4 PS erforderlich
ist.
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In der Ausführungsform nach Fig. i ist der äußere Bauteil in dem rotierenden
Gehäuse mit den Kühlrippen zusammen in einem Stück gegossen oder geschmiedet. Geschmiedete
Bauteile sind aber verhältnismäßig teuer und gegossene Konstruktionen können besonders
dann, wenn sie aus relativ weichen Metallen wie z. B. Aluminium bestehen, keinen
zu hohen Zentrifugalbeanspruchungen ausgesetzt werden, wenn sie bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten
arbeiten müssen. Es ist jedoch nicht notwendig, gegossene oder geschmiedete Konstruktionen
zu verwenden. Die Fig.3 zeigt eine praktisch verwendbare Ausführungsform, die aus
gepreßten Teilen zusammengesetzt ist. Die Bauart ähnelt im großen und ganzen der
vorbeschriebenen,
und .da die entsprechenden Teile die gleichen
Bezugszeichen erhalten haben, ist eine ins einzelne ge'hend'e Beschreibung nicht
notwendig. Bei dieser Ausführungsform ist der äußere ringförmige Teil 44a des Gehäuses
als Preßstück hergestellt, an dem die Kühlrippen 46a aus Blech in geeigneter Weise
befestigt sind.
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Andere Befestigungsarten werden in .der Fig. 3 a bis 3 d dargestellt.
Fig. 3 a zeigt radial artgeordnete Kühlrippen 4611, die an dem ringförmigen Teil
44a mit Schweißnähten am Fuß der Rippen befestigt sind.
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Fig. 3 b zeigt eine ähnliche Ausführung, bei der die Kühlrippen 46b
an ihren inneren Seiten abgewinkelt sind, so daß sich eine breitere Schweißfläche
ergibt. Bei dieser Art der Anordnung können die Rippen mit oder ohne Schweißung
auf dem ringförmigen, Bauteil .angebracht werden.
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In Fig. 3 c ist der ringförmige Teil 44a mit schwalbenschwanzförmigen
Nuten versehen, und die am Fuß hakenförmig aufgebogenen Rippen 46c werden vermittels
eines .in die Nut bzw. in den hakenförmigen Fuß eingetriebenen Metallringes 82 gehalten.
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In Fig. 3d ist der ringförmige Teil 44a mit Nuten praktisch der gleichen
Form versehen wie in Fig. 3 c, und der aufgebogene Fuß der Kühlrippe wird in diese
Nut eingebracht ,und zum Zwecke der Festklemmung eingewalzt.
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Die Ausführungsformen, die in den Fig.3c und 3d dargestellt sind,
sind besonders für solche Bauarten geeignet, bei denen *es wünschenswert erscheint,
den ringförmigen Teil .des Gehäuses aus Stahl oder einem anderen Werkstoff hoher
Festigkeit herzustellen, während die Kühlrippen aus einem leichteren und weicheren
Werkstoff mit hohem Wärmeableitungsvermögen gefertigt werden müssen, die nicht ohne
weiteres am Gehäuse selbst angeschweißt werden können.
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Wie bereits erwähnt, kann -der Aufbau des Strömungsgetriebes geändert
werden, ohne daß die Erfindung hierdurch beeinträchtigt wird. Das umlaufende Gehäuse
trägt jedoch vorteilhafterweise die Pumpe oder den treibenden Teil, da bei Konstruktionen,
bei denen das Gehäuse den Turbinenteil trägt, die Umlaufgeschwindigkeit des Gehäuses
von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges oder der Maschine, die von dem Getriebe 'bewegt
wird, abhängig ist. Der treibende Teil arbeitet normalerweise mit höherer Umdrehungszahl
als der getriebene Teil, so daß demzufolge eine bessere Kühlwirkung erreicht wird.
Die mit -der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu erzielende Kühlwirkung reicht aus,
um eine Maschinenanlage zu kühlen, bei der das Rotationsgehäuse den angetriebenen
Teil bildet.
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Bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen erstrecken :sich die Kühlrippen
radial von der äußeren Fläche des trommelförmigen Bauteiles aus, das einen Teil
des Gehäuses bildet und das außerdem einen inneren Kreislauf zur Kühlung des Arbeitsmittels,
im Anschluß an den eigentlichen Arbeitskreislauf, aufweist. Die Erfindung ist nicht
auf die dargestellten Bauformen beschränkt, zumal eine wirksame 'Kühlung auch bei
anders angeordneten Kühlrippen, wie z. B. hydraulischen Kupplungen, und in ähnlichen
Fällen erhalten wird, bei denen aber der innere Kühlkreislauf in Wegfall kommen
kann.
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In Fig.4 ist eine Abänderung der Gehäuseform dargestellt, die als
Teil einer hydraulischen Kupplung oder eines Momentwandlers dienen kann. Die Pumpen
und Antriebsteile sind nicht gezeichnet. Bei dieser Bauart ist das rotierende Gehäuse,
das angetrieben oder treibend sein kann, mit einer Anzahl erhöhter äußerer, zur
Rotationsachse konzentrisch angeordneter Kühlrippen 46e versehen, die der äußeren
Form des Gehäuses entsprechend den Arbeitskreislauf 16 der Vorrichtung umschließen.
Wie in den vorbeschriebenen Formen dargestellt, ist auch hier der käfigartige Rahmen
mit einer Zahl in bestimmtem Abstand voneinander angeordneter Querträger 68 und
Tragorganen versehen wie in Fig. z. Bei dieser Ausführungsform wird die Wärme unmittelbar
durch die Wandung des Gehäuses vom Arbeitskreislauf zu den Kühlrippen albgeleitet.
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Aus den Darstellungen ist ferner zu entnehmen, daß der Erfindungsgedanke
in einer Reihe verschiedener Ausführungsformen Anwendung finden kann, um die erfindungsgemäße
Vorrichtung den im Einzelfall auftretenden Anforderungen anpassen zu können.