SE455535B - Vermevexlare med partiell genomstromning - Google Patents

Description

455 10 15 20 25 30 35 535 2 Genom dessa oljekylare ledes endast en del av motorns totala kylvattentröm. Då enligt det första av de ovan nämnda sätten oljekylare placeras i motorns luft-vatten-kylares samlings- låda, är det svårt att undvika att antingen funktionen hos den för motorns kylning primärt viktiga luft-vatten-kylaren störs eller att förutsättningarna för oljekylningen försämras.

Då enligt det andra av de ovan nämnda sätten i stället olje- vatten-kylarna placeras i närheten av de komponenter vilkas olja skall kylas, blir utrymmesbehovet för kylarna vid använd- ning av dagens konventionella olje-vatten-kylare stort, var- jämte en omfattande och besvärande ledningsdragning erfordras för kylvattnet till dessa. Dessutom kräver dessa konventionella olje-vatten-kylare ett besvärande högt tryckfall för kyl- vattenströmmen, vilket är till nackdel för motorns kylvatten- kretslopp. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstad- komma en värmeväxlare, som med speciell fördel kan användas för kylning av motor- och transmissionsolja i motorfordon med användning av motorns kylvattenström, genom att den kan utfor- mas med en liten total volym och trots detta en hög värme- växlingseffekt och vidare kan anordnas på lämpligt önskat ställe i motorns kylvattenkretslopp med en mycket ringa ökning av tryckfallet i kylvattenströmmen som följd.

Det i första hand_kännetecknande för värmeväxlaren enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Då en värmeväxlare enligt uppfinningen användes som olje- kylare i motorfordon, kan även en mycket stor kylvattenström, exempelvis motorns hela kylvattenström, passera rakt igenom värmeväxlaren med mycket små strömningsförluster och ett mycket litet tryckfall, varvid endast den för det aktuella värmeväx- lingsbehovet erforderliga delen av denna kylvattenström ledes genom den på insidan om den rörformiga skiljeväggen belägna värmeväxlingskammaren, medan oljan genomströmmar den utanför den rörformiga skiljeväggen belägna värmeväxlingskammaren. En sådan oljekylare kan kopplas in i en slangledning för kyl- vattenströmmen, varvid kylaren om så önskas kan utformas med en ytterdiameter, som är obetydligt större än slangens ytter- diameter. En oljekylare utformad enligt uppfinningen kan även lÛ 15 20 25 30 35 455 535 3 integreras med eller byggas in i motorn vid ett ställe där kylvatten strömmar. Det blir därvid möjligt att eliminera behovet av speciella yttre ledningar i form av rör eller slangar. Vid kylning av transmissionsolja kan, i de fall då motor och transmission är sammanbyggda till en stel enhet, er- forderliga ledningar utgöras av stela rörledningar, vilket eliminerar behovet av flexibla slangar.

Vid en värmeväxlare enligt uppfinningen kan båda värme- växlingskamrarna vara utformade för turbulent strömning hos det genomströmmande mediet enligt dagens konventionella värme- växlingsprincip. Med speciell fördel kan emellertid vid en värmeväxlare enligt uppfinningen den ena eller båda värmeväx- lingskamrarna utformas för en laminär strömning hos det genom- strömmande mediet och arbeta enligt den värmeväxlingsprincip som finnes beskriven i den internationella patentansökningen PCT-SEBU/0O2U5. Denna värmeväxlingsprincip ger en mycket hög värmeväxlingseffekt per volymenhet hos värmeväxlaren. Detta kan uppnås även med en relativt liten volymström och även med ett lågt tryckfall hos det genomströmmande mediet.

Vid användning av en värmeväxlare enligt uppfinningen som en vatten-olje-kylare har den värmeväxlarens yttre värme- växlingskammare genomströmmande oljan ogynnsamma egenskaper ur värmeväxlingssynpunkt och föreligger vanligtvis även med en förhållandevis liten volymström, varför det är speciellt för- delaktigt att utforma den yttre värmeväxlingskammaren för la- minär strömning hos oljan och enligt värmeväxlingsprincipen enligt den ovan nämnda internationella patentansökningen. Vid exempelvis en förbränningsmotor bestämmas oljevolymströmmen av behovet för motorns smörjning och är så relativt liten att en konventionell värmeväxling med användning av turbulent strömning leder till en opraktiskt stor volym hos en värme- växlare enligt uppfinningen. Vid automatiska växel1àdor_be- stämmes oljevolymströmmen av behovet för växlingsautomatiken och är speciellt i detta fall så liten att behovet av volym i en värmeväxlare enligt uppfinningen blir opraktiskt stort om den konventionella värmeväxlingsprincipen med turbulent strömning hos oljan användes. Då kylbehovet ligger nära det med hänsyn till oljevolymströmmen maximalt möjliga, bör bästa 455 535 10 15 20 25 30 35 ä möjliga värmeväxlingsprincip användas. Beträffande det för oljans kylning använda motorkylvattnet har detta ur värmeväx- lingssynpunkt mycket gynnsamma egenskaper och finnes vidare tillgängligt med en stor volymström, varför man för den inre värmeväxlingskammaren i värmeväxlaren enligt uppfinningen kan använda antingen den konventionella värmeväxlingsprincipen med turbulent strömning eller den ovan nämnda värmeväxlingsprínci- pen med laminär strömning enligt den nämnda internationella patentansökningen. Den konventionella värmeväxlingsprincipen med turbulent strömning kräver en större volymström genom den inre värmeväxlingskammaren, dvs. att en större del av den totala kylvattenströmmen ledes genom den inre värmeväxlings- kammaren, och därmed en större volym hos den inre värmeväx- lingskammaren, samtidigt som även ett större tryckfall erford- ras över den inre värmeväxlingskammaren. Strömningsareorna i en sådan värmeväxlingskammare blir dock förhållandevis stora med åtföljande liten risk för igensättning. Värmeväxlings- principen med laminär strömming å andra sidan kräver en betyd- ligt mindre volymström genom den inre värmeväxlingskammaren med åtföljande mindre volym hos denna och även ett lägre tryck- fall över denna inre värmeväxlingskammare. Genomströmnings- areorna hos strömningskanalerna i en sådan värmeväxlingskam- mare blir dock mindre med åtföljande större risk för igensätt- ning och högre krav på-renhet hos kylvattnet.

I det följande skall uppfinningen ytterligare beskrivas i anslutning till bifogad ritning, vilken schematiskt och såsom exempel visar ett fördelaktigt utförande av en värme- växlare enligt uppfinningen, varvid fig. l visar en sidovy, delvis i axiellt snitt, genom värmeväxlaren; och fig. 2 visar ett radiellt snitt genom värmeväxlaren.

Den i ritningen såsom exempel visade värmeväxlaren_enligt uppfinningen är utformad att användas exempelvis som kylare för transmissionsolja i ett motorfordon med användning av fordonsmotorns kylvatten som kylande medium.

Värmeväxlaren innefattar en inre ringformad värmeväxlings- kammare allmänt betecknad med l, vilken är avsedd att genom- strömmas av kylvatten, och en yttre ringformad värmeväxlings- 10 15 20 25 30 35 455 535 5 kammare allmänt betecknad med 2, vilken är avsedd att genom- strömmas av oljan, varvid dessa båda värmeväxlingskamrar är vätsketätt åtskilda av en cylindriskt rörformad skiljevägg 3.

Denna rörformade skiljevägg 3 är vid sin ena ände försedd med en inloppsstuds 4 och vid sin andra ände med en utloppsstuds 5 för inkoppling av värmeväxlaren i en slangledning 6 för motorns kylvattenström. Hela kylvattenströmmen ledes sålunda genom värmeväxlaren, såsom markerat medelst pilar 7, varvid endast en för värmeväxlingen erforderlig del av denna kylvattenström ledes genom den inre värmeväxlingskammaren l i värmeväxlande kontakt med skiljeväggen 3, medan den övriga delen av kyl- vattenströmmen strömmar förbi den inre värmeväxlingskammaren l innanför denna utan att i nämnvärd grad deltaga i värmeväx- lingen. Detta uppnås, genom att den direkta, innanför den inre värmeväxlingskammaren l belägna strömningsvägen för kyl- vattenströmmen från inloppsstudsen H till utloppsstudsen 5 är så utformad, att det i denna direkta strömningsväg uppstår en zon med ett relativt högre tryck, i vilken zon inloppet till den inre värmeväxlingskammaren l är beläget, och en annan zon med ett relativt lägre tryck, i vilken zon utloppet från den inre värmeväxlingskammaren 1 är belägen. Detta kan åstadkommas på ett flertal olika sätt, exempelvis genom att nämnda direkta strömningsväg för kylvattnet innehåller en fast eller ännu hellre en variabel, exempelvis elastisk, till kylvattnets volymström sig anpassande strypning, så att det uppströms om denna strypning föreligger en zon med ett relativt högre tryck, i vilken zon inloppet till den inre värmeväxlingskammaren l kan förläggas, medan det nedströms om strypningen uppträder en zon med ett relativt lägre tryck, till vilken zon utloppet från den inre värmeväxlingskammaren l kan förläggas. Vid den de efter- inlopps- i ritningen visade föredragna utföringsformen uppnås strävade zonerna med inbördes olika tryck, genom att ökande och det statiska trycket ökar. Koaxiellt innanför den inre värmeväx- studsen H är utformad som en diffusor med en gradvis strömningsarea, så att strömningshastigheten sjunker lingskammaren 1 är vidare en i riktning mot utloppet koniskt avsmalnande vägg anordnad, vilken är allmänt betecknad med 8 och som delvis bildas av en silduk 9, vilken tjänar som in- 455 10 15 20 25 30 35 535 5 lopp till den inre värmeväxlingskammaren l, såsom närmare skall beskrivas i det följande. Den koniskt avsmalnande väggen 8 bildar en ejektor, som ökar hastigheten och sänker det statiska trycket och vid vars nedströms belägna ände ut- loppet från den inre värmeväxlingskammaren l är beläget, såsom närmare skall beskrivas i det följande. Vidare är utlopps- studsen 5 utformad som en diffusor med gradvis ökande area för återvinning av en så stor del som möjligt av den i nämnda i så att det totala tryck- fallet för kylvattenströmmen genom värmeväxlaren blir lågt. ejektor alstrade rörelseenergin, Vid det visade fördelaktiga utföringsexemplet på en värmeväxlare enligt uppfinningen är såväl den inre värmeväx- lingskammaren l som den yttre värmeväxlingskammaren 2 utfor- made att arbeta med laminär strömning hos det strömmande mediet enligt den i den tidigare nämnda internationella patent- ansökningen beskrivna värmeväxlingsprincipen.

Den yttre, av oljan genomströmmade värmeväxlingskammaren 2 ligger mellan den rörformiga skiljeväggen 3 och en denna koaxiellt och på radiellt avstånd omslutande, hylsformad yttervägg 10, vars axiella ändar är vätsketätt anslutna till skiljeväggens 3 utsida. Ytterväggen 10 är utformad med en axiellt förlöpande inloppskammare ll, som är försedd med en inloppsstuds 12 för oljan och som sträcker sig över värme- växlingskammarens 2 halva axiella längd, och vidare med en i linje med denna inloppskammare ll liggande, axiellt förlö- pande utloppskammare lö, som är förbunden med en utloppsstuds ln för oljan och som sträcker sig över den andra halvan av värmeväxlingskammarens 2 axiella längd. Diametralt mittemot inloppskammaren ll och utloppskammaren 13 är ytterväggen 10 vidare utformad med en axiellt förlöpande förbindningskammare 15, som sträcker sig över värmeväxlingskammarens 2 hela axiella längd. På sin utsida är skiljeväggen 3 försedd med ettmstort antal periferiellt förlöpande, i ett stycke med skiljeväggen utformade flänsar 16, som mellan sig bildar periferiellt för- löpande, spaltformiga strömningskanaler, i vilka oljan kan strömma laminärt. Mittför ínloppskammaren ll och utloppskam- maren 13 är dessa flänsar 16 avbrutna av en axiellt förlöpande kanal l7, som medelst en tvärvägg l7a är uppdelad i tvâ hal- 10 15 20 25 30 35 455 535 7 vor, varav den ena är belägen innanför inloppskammaren ll och den andra innanför utloppskammaren 13. Mittför förbindelse- kanalen 15 är flänsarna 16 på liknande sätt avbrutna av en axiellt förlöpande kanal 18, som sträcker sig obruten över värmeväxlingskammarens 2 hela axiella längd. Oljan strömmar således in genom inloppsstudsen 12 till inloppskammaren ll och från denna till den i fig. 1 vänstra delen av kanalen 17, från vilken oljan fördelar sig i de spaltformiga, periferiellt för- löpande strömningskanalerna mellan flänsarna lö, i vilka oljan strömmar laminärt i periferiell riktning till den axiellt för- löpande kanalen l8 och förbindelsekanalen 15. I förbindelse- kanalen 15 strömmar oljan turbulent till den i fig. l högra delen av värmeväxlaren, där oljan åter fördelas från den axiella kanalen 18 till de periferiella, spaltformiga ström- ningskanalerna mellan flänsarna 16, i vilka oljan strömmar laminärt i periferiell riktning, såsom markerats medelst pilar i fig. 2, upp till den i fig. l högra halvan av den axiella kanalen 17 och den utanför denna belägna utloppskammren l3, för att slutligen lämna värmeväxlaren genom utloppsstudsen lä.

Den yttre värmeväxlingskammaren 2 är sålunda uppdelad i två seriekopplade halvor, som genomströmmas i tur och ordning av oljan, vilket ger en ur värmeväxlingssynpunkt gynnsammare temperaturdifferens mellan oljan och det i den inre värmeväx- lingskammaren 1 strömmande kylvattnet.

Den inre värmeväxlingskammaren l är avgränsad mellan den rörformade skiljeväggen 3 och en koaxiellt och på avstånd innanför skiljeväggen 3 anordnad, i huvudsak cylindrisk plåt 19, vilken vid sin ena axiella ände är omböjd till att bilda den smalaste delen av den tidigare nämnda ejektorytan 8. Även skiljeväggens 3 insida är försedd med periferiellt förlöpande, i ett stycke med skiljeväggen utformade flänsar 20, vilka mellan sig avgränsar spaltformiga strömningskanaler, i vilka kylvattnet strömmar laminärt. Flänsarna 20 är avbrutna av fyra, runt omkretsen jämnt fördelade, axiellt förlöpande kanaler 21, till vilka kylvattnet strömmar in via den koniska silduken 9 och häl 22 i plåten l9, såsom markerat medelst pilar i fig. l.

Från de axiella kanalerna 2l fördelar sig kylvattnet till de periferiellt förlöpande, spaltformiga strömningskanalerna 455 535 8 mellan flänsarna 20 och strömmar periferiellt i dessa, såsom markerat medelst pilar i fig. 2, till axiellt förlöpande, flänsarna 20 avbrytande kanaler 23. Innanför dessa kanaler 23 är den cylindriska plåten 19 utformad med inåtbuktade, axiellt 5 förlöpande kanaler 24, som har en i riktning mot utloppsstud- sen 5 gradvis ökande strömningsarea och i vilka kylvattnet efter passagen genom värmeväxlingskammaren 1 samlas upp och ledes ut till kanalernas 24 öppna ändar nedströms om den tidi- gare nämnda ejektorn. Såsom tidigare beskrivits drives en del 10 av den totala kylvattenströmmen genom värmeväxlingskammaren l under inverkan av den tryckskillnad som föreligger uppströms om ejektorn respektive nedströms om denna.

Den som en del av ejektorn fungerande sílduken 9 stödjes mot de inåt riktade kammarna hos de kanalerna 2U bildande 15 inbuktningarna hos plåten 19. Kylvattnets inströmning till värmeväxlingskammaren l genom sílduken 9 sker sålunda i en riktning som är i huvudsak vinkelrät mot kylvattnets direkta strömningsväg från inloppsstudsen 4 till utloppsstudsen 5.

Silduken 9 bör med fördel ha en sådan genomströmningsarea, att 20 strömningshastigheten genom densamma är klart lägre än den direkta kylvattenströmmens strömningshastighet längs sildukens yta, och så att tryckfallet över silduken 9 är lågt i för- hållande till tryckfallet över den inre värmeväxlingskammaren l liksom i förhållande till det dynamiska trycket i den direkta 25 kylvattenströmmen från inloppsstudsen H till utloppsstudsen 5.

Om dessa villkor är uppfyllda, kommer partiklar och förore- ningar som kan tänkas täppa till strömningskanalerna i värme- växlingskammaren l ej att pasera genom silduken 9, och ej heller kommer partiklar att fastna på sildukens insida och 30 täppa till denna. I stället spolas sådana partiklar och föro- reningar bort längs silduken 9. Det inses att silduken 9 na- turligtvis kan ersättas med någon annan yta försedd med genom- strömningsöppningar för kylvattnet. _ Såsom fig. 2 visar, är såväl flänsarna 16 i den yttre 35 värmeväxlingskammaren 2 som flänsarna 20 i den inre värmeväx- lingskammaren l avbrutna medelst ett antal ytterligare, smala, axiellt förlöpande slitsar, vilkas funktion finnes närmare beskriven i den tidigare nämnda internationella patentansök- 455 535 ningen.

Ehuru värmeväxlaren enligt uppfinningen i det föregående beskrivits i första hand utformad som en vatten-olje-kylare lämplig att användas för kylning av motorolja och trans- missionsolja i motorfordon, inses det, att en värmeväxlare enligt uppfinningen naturligtvis med fördel kan komma till användning även för många andra ändamål.

Claims (9)

455* 535 10 Patentkrav

1. Värmeväxlare för värmeväxling mellan två vätskeformiga medier, innefattande två vätsketätt åtskilda värmeväxlings- kamrar (l, 2), vilka är avsedda att genomströmmas av var sitt av medierna och som har en gemensam vätsketät skiljevägg (3), k ä n n e t e c k n a d av att nämnda skiljevägg (3) är vä- sentligen rörformig med i huvudsak cirkulär tvärsektion och öppna axiella ändar bildande inlopp respektive utlopp för det ena mediet, varvid den ena värmeväxlingskammaren (1) för nämnda ena medium är anordnad ringformigt på insidan av den rörformiga skiljeväggen (3) och omsluter en direkt strömningsväg för nämnda ena medium från nämnda inlopp (H) till nämnda utlopp (5) vid skiljeväggens axiella ändar och står i förbindelse med denna direkta strömningsväg på sådant sätt att endast en del av det genom nämnda inlopp (R) inströmmande ena mediet passerar genom nämnda ena värmeväxlingskammare (1), medan den övriga delen strömmar genom nämnda direkta strömningsväg till utloppet (5) utan att passera genom nämnda ena värmeväxlingskammare (l), varjämte den andra värmeväxlingskammaren (2) för nämnda andra medium är anordnad ringformigt runt den rörformiga skilje- väggens (3) utsida.

2. Värmeväxlare enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda direkta strömningsväg har en sådan form att det vid nämnda ena mediums strömning genom densamma uppstår ett rela- tivt högre tryck respektive ett relativt lägre tryck i medium- strömmen vid olika ställen utmed strömningsvägen, varvid nämnda ena värmeväxlingskammare (l) har en eller flera inloppsöpp- ningar belägna vid ett ställe med nämnda högre tryck och en eller flera utloppsöppningar belägna vid ett ställe med nämnda lägre tryck.

3. Värmeväxlare enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda direkta strömningsväg är över en del av sin längd utformad som en ejektor (8), varvid nämnda ena värmeväxlings- kammares (1) inloppsöppningar är belägna uppströms om nämnda ejektor, medan dess utloppsöppningar är belägna nedströms om ejektorn. 455 535 ll

4. Värmeväxlare enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda direkta strömningsväg är utformad som en diffusor (5) nedströms om utloppsöppningarna från nämnda ena värmeväx- lingskammare (1).

5. Värmeväxlare enligt något av kraven l - H, k ä n n e - t e c k n a d av att nämnda ena värmeväxlingskammares (l) inloppsöppningar är så anordnade att den genom desamma in- strömmande delen av nämnda ena medium har en strömningsrikt- ning riktad i huvudsak tvärs mediets strömningsriktning i den direkta strömningsvägen.

6. Värmeväxlare enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ejektor (8) är bildad av en koaxiellt innanför nämnda ena värmeväxlingskammare (l) anordnad, i riktning mot nämnda axiella utlopp koniskt avsmalnande yta (9), i vilken inloppsöppningarna till nämnda ena värmeväxlingskammare (l) är anordnade.

7. Värmeväxlare enligt krav B, k ä n n e t e c k n a d av att den med nämnda inloppsöppningar försedda delen av nämnda koniska yta är utformad som en silyta (9).

8. Värmeväxlare enligt något av kraven l - 7, k ä n n e - t e c k n a d av att nämnda skiljevägg (3) är pà sin insida utformad med ett stort antal periferiellt förlöpande flänsar (20), vilka mellan sig-avgränsar periferiellt förlöpande, spaltformiga strömningskanaler för nämnda ena medium, varvid nämnda flänsar (20) är avbrutna av ett antal axiellt förlöpande, runt periferin jämnt fördelade slitsar (2l, 23) tjänande växelvis som fördelningskanaler (21) respektive samlingskana~ ler (23) för nämnda första medium till respektive från nämnda periferiellt förlöpande strömningskanaler, varjämte fördel- ningskanalerna (21) står i förbindelse med nämnda direkta strömningsväg genom öppningar (22) i en innanför nämnda flän- sar (20) anordnad och mot flänsarnas radiellt inre kanter an- liggande, cylindrisk hylsa (19), och samlingskanalerna (23) stàr i förbindelse med nämnda direkta strömningsväg genom axiellt förlöpande, i nedströms riktning öppna inbuktningar (24) i nämnda cylindriska hylsa (19). 455 535 12

9. Värmeväxlare enligt något av kraven l - 8, k ä n n e - t e c k n a d av att nämnda skiljevägg (3) är på sin utsida utformad med ett stort antal periferiellt förlöpande flänsar (l6), vilka mellan sig avgränsar periferiellt förlöpande, spaltformiga strömningskanaler för nämnda andra medium, varjämte dessa flänsar omgives av en mot flänsanfis radiellt yttre kanter anliggande, cylindrísk hylsa (10), vilken är utformad med tvâ, axiellt förlöpande, i linje med varandra liggande och sig över var sin halva av skiljeväggens (3) axiella längd sträckande utbuktningar (ll, 13) försedda med ett inlopp (12) respektive ett utlopp (14) för nämnda andra medium och vidare diametralt mittemot nämnda utbuktningar (ll, 13) med en tredje, axiellt förlöpande, sig över skiljeväggens(3) hela axiella längd sträckande utbuknting (l5).