DE69311789T2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher und insbesondere Wärmetauscher zur Verwendung als Ölkühler, das heißt zum Kühlen des Öls in Verbrennungsmotoren.
• Sogenannte "ringförmige" Ölkühler sind vor ca. 20 Jahren erfunden worden. Bei diesem Ölkühler handelt es sich um einen runden Wärmetauscher mit durchgehender mittlerer Öffnung. Das vielleicht früheste Beispiel ist in dem 1973 in den USA erteilten Gemeinschaftspatent No. 3 743 011 von Donald J. Frost zu finden. Im Laufe der Zeit erfreuten sich ringförmige Ölkühler wegen ihres relativ hohen Wirkungsgrades und der kleinen Abmessungen steigender Beliebtheit. Ein weiterer wichtiger Vorzug dieser Konstruktion besteht in der Möglichkeit, diese Ölkühler direkt auf dem Motorblock des Verbrennungsmotors an der Steile zu montieren, an der normalerweise der Ölfilter angebracht ist. Der Ölfilter wird in einem solchen Fall auf dem ringförmigen Ölkühler befestigt, und zwar auf dessen dem Motorblock abgewandten Seite. Zwei Schläuche werden dann an dem ringförmigen Ölkühler angebracht und mit dem Kühlsystem des Fahrzeugs verbunden.
• Im Innern des ringförmigen Ölkühlers befinden sich eine Wärmetauschergruppe. Motoröl fließt durch den ringförmigen Kühler zum Ölfilter und anschließend wieder durch den ringförmigen Ölkühler direkt durch den Motorblock hindurch in den Motor zurück. Während eines Durchlaufes durch den ringförmigen Ölkühler, vorzugsweise vor der Filterpassage, fließt das Öl durch die einzelnen Wärmetauschelemente.
• Motorkühlmittel läuft über die Oberfläche dieser Wärmetauschergruppe damit die im Öl enthaltene Wärme von dem Kühlmittel aufgenommen werden kann.
• Aufgrund des einfachen Aufbaus, der Kompaktheit und des leichten Einbaus erfreuen sich die ringförmigen Ölkühler einer steigenden Beliebtheit und ihr Einsatzbereich scheint noch gar nicht voll einschätzbar.
• Die vorliegende Erfindung ist auf eine Verbesserung eines ringförmigen Ölkühler gerichtet und insbesondere darauf, die Verwendung externer Kühlmittelleitungen zwischen dem ringförmigen Ölkühler und dem Motorkühlsystem überflüssig zu machen.
• Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen, verbesserten ringförmigen Ölkühlers Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines ringförmigen Ölkühlers, der noch einfacher aufgebaut ist als die seither bekannten.
• Gemäß der Erfindung sind ein Wärmetauscher nach Anspruch 1 und ein Ölkühler nach Anspruch 6 vorgesehen.
• Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung erreicht die vorgenannten Ziele in einem Ölkühler, der so aufgebaut ist, daß er auf dem Motorblock eines Verbrennungsmotors montiert werden kann. Der Ölkühler besitzt ein Gehäuse mit einem Sockel. An dem Sockel sind Kühlmittelöffnungen in Abständen angeordnet. Auf dem Gehäuse, auf der dem Sockel gegenüberliegenden Seite, befindet sich eine Filterbefestigungsfläche und innerhalb des Gehäuses ist ein Wärmetauscherstapel angeordnet. Der Stapel hat eine Ölzulauf- und -ablauföffnung an der Basis und eine Ölzulauf- und -ablauföffnung an der Filterbefestigungsfläche. Ein Durchlaufkanal erstreckt sich durch das Gehäuse bis zu der Filterbefestigungsfläche.
• Diese Konstruktion macht es möglich, daß das zu kühlende Öl in herkömmlicher Weise durch die Öffnungen an der Basis und durch die Wärmetauschergruppe fließen und danach durch eine andere Öffnung in den Motorblock zurückfließen kann, wodurch die Notwendigkeit einer äußeren Schlauchverbindung zum Fahrzeugkühlsystem entfällt.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stapel zwischen den Kühlmittelöffnungen angeordnet. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform sind die Basis und das Gehäuse in Form eines Parallelogramms konstruiert und die Filterbefestigungsfläche ist ringförmig gestaltet. Die Kühlmittelöffnungen befinden sich auf einander entgegengesetzten Ecken der parallelogrammförmigen Basis.
• In einer speziell bevorzugten Ausführungsform besteht der Stapel aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen, aber im Abstand zueinander angeordneten Wärmetauschereinheiten.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Wärmetauscher mit einem Stapel Wärmetauschereinheiten vorgesehen. Jedes Element besteht aus einem Paar in einem Abstand angebrachter Platten, die an ihren peripheren Kanten mit dem Element im Stapel verbunden sind. Mittel, sind vorhanden, die einen ersten Durchgangskanal durch den Stapel bilden, wobei dieser erste Durchgangskanal den
• Wärmetauschereinheiten gegenüber abgedichtet ist. Mittel zur Bildung eines zweiten Durchgangskanals, der in Fluidverbindung mit dem Innern der Wärmetauschereinheiten steht, sind vorgesehen. Der zweite Durchgangskanal ist über eine Öffnung mit einem Ende des Stapels verbunden.
• Weitere Mittel sind vorgesehen, die einen dritten Durchgangskanal bilden, der in Fluidverbindung mit dem Innern der Wärmetauschereinheiten steht. Der dritte Durchgangskanal ist dem zweiten Durchgangskanal gegenüber in einem Abstand angeordnet und ist über eine Öffnung mit dem entgegengesetzten Ende des Stapels verbunden.
• Ein Gehäuse enthält den Stapel und das Gehäuse besitzt eine Basis, an der eine Versorgung zweier Wärmetauscherflüssigkeiten angeschlossen werden können, und eine Gegenseite. Ein Paar erster Öffnungen sind vorgesehen. Eine der ersten Öffnungen befindet sich in der Basis, die andere ist an der entgegengesetzten Seite des Gehäuses angebracht und die beiden Öffnungen bilden einander entgegengesetzte Enden des ersten Durchgangskanals. Eine zweite Öffnung ist in der Basis vorgesehen und steht in Fluidverbindung mit der Öffnung für den zweiten Durchgangskanal. Eine dritte Öffnung befindet sich auf der entgegengesetzten Seite des Gehäuses und steht in Fluidverbindung mit der Öffnung des dritten Durchgangskanals. Vierte und fünfte Öffnungen befinden sich an der Basis und sind im Abstand voneinander im allgemeinen an einander entgegengesetzten Seiten des Stapels vorgesehen.
• Auf diese Weise können beide Wärmetauscherflüssigkeiten aus den Öffnungen in der Grundplatte austreten, wodurch die Notwendigkeit äußerer Verbindungen mit einer oder mit mehreren Zuleitungen der Wärmetauscherflüssigkeit entfällt.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Basis Dichtmittel zur Abdichtung gegenüber dem Element, an welchem der Wärmetauscher montiert werden soll.
• Weitere Ziele und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor, in welchen:
• Figur 1 einen teilweise abgebrochenen Schnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers auf dem Motorblock eines Verbrennungsmotors mit darauf montiertem Ölfilter zeigt,
• Figur 2 eine Draufsicht des Wärmetauschers ist, und
• Figur 3 eine Seitenansicht des Wärmetauschers ist.
• Eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers zeigt Figur 1 in Form eines Ölkühlers für das Motorenöl eines Verbrennungsmotors, weil dies vermutlich die meistverwendete Form des Wärmetauschers sein wird. Es ist jedoch davon auszugehen, daß der Wärmetauscher außer für die Kühlung von Motorenöl und Motorkühlmittel allgemein für den Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten eingesetzt werden kann.
• Figur 1 zeigt schematisch den Motorblock eines Verbrennungsmotors, der allgemein mit der Ziffer 10 bezeichnet ist. Dieser besitzt eine Motorenölauslaßöffnung 12, aus der das Motorenöl in einen konventionellen Ölfilter gefördert werden soll. Weiterhin ist eine Öl-Rückleitung 14 in dem Motorblock enthalten, die in einem Gewindenippel 16 endet, auf dem ein Ölfilter in konventioneller Weise befestigt werden kann.
• Auf einer Seite des Öldurchflußkanals 12 enthält der Motorblock 10 eine Kühlmittelauslaßöfffnung 18, während auf der entgegengesetzten Seite der Durchflußkanäle 12 und 14 eine Kühlmitteleinlaßöffnung 20 angebracht ist.
• Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher ist auf dem Motorblock 10 mit Hilfe eines Zwischenstücks/Verlängerung 22 befestigt. Es sei darauf hingewiesen, daß das Zwischenstück/Verlängerung 22 in der Form gestaltet sein kann, wie es in dem US-Gemeinschaftspatent 4,360,055, das am 23.11.1982 an Donald J. Frost erteilt worden ist und dessen Details hier Referenz eingebracht sind, offenbart ist. Es genügt festzustellen, daß das Zwischenstück/Verlängerung 22 eine Bohrung mit Innengewinde 24 aufweist, die man auf den Nippel 16 aufschrauben kann. Auf der gegenüberliegenden Seite besitzt das Zwischenstück/Verlängerung 22 einen Sechskantkopf 26 und einen Gewindenippel 28. Ein konventioneller Ölfilter 30, in Figur 1 durch gestrichelte Linien angedeutet, kann auf den Nippel 28 aufgeschraubt werden.
• Die Grundkomponenten des Wärmetauschers sind ein im allgemeinen mit der Ziffer 32 bezeichnetes Gehäuse und ein im allgemeinen mit der Ziffer 34 bezeichneter Wärmetauscherstapel, der innerhalb des Gehäuses 32 angeordnet sind.
• In bekannter Weise kann der Stapel 34 aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen, aber im Abstand zueinander angeordneten Wärmetauschereinheiten 36 bestehen. Die Wärmetauschereinheiten 36 ihrerseits bestehen aus einem Paar in einem Abstand zueinander angebrachter Platten 38 und 40, die an ihren Peripherien 42 abgedichtet sind, zum Beispiel durch Kaltnieten. Abstandsstücke 44, von konventioneller Konstruktion, können zwischen den einzelnen Einheiten 36 angebracht werden, um den gewünschten Abstand einzuhalten, während im Innern der Einheiten 36 teilweise strangförmige Turbulenzverstärker 46 in bekannter Weise eingesetzt werden können.
• Wie aus Figur 2 ersichtlich, bildet der Stapel 34 im allgemeinen einen zylindrischen Mantel. In der Mitte besitzt jedes der Einheiten 36 des Stapels 34 eine Mittelöffnung 50, welche einen ersten Durchflußkanal bildet, der sich durch den gesamten Stapel 34 erstreckt. Teile der Abstandsstücke 44 trennen den durch die Öffnung 50 gebildeten Durchflußkanal vom Innern der einzelnen Elemente 36. Die Größe des Durchgangskanals, der durch die Öffnungen 50 gebildet wird, sind so ausgebildet, daß sie den Nippel 16 auf dem Motorblock 10 sowie das Zwischenstück/Verlängerung 22 aufnehmen können. Der Durchflußkanal wird auch an einem Ende durch eine Öffnung 62 in einer Basis 64 des Gehäuses 32 begrenzt. An seinem anderen Ende wird der durch die Öffnungen 50 gebildete Durchgang oder der Durchgangskanal durch eine Öffnung 66 in einer Filterbefestigungsfläche 68 auf der Seite des Gehäuses 32 gegenüber der Basis 64 begrenzt.
• Es ist ersichtlich, daß der Sechskantkopf 26 auf dem Zwischenstück/Verlängerung 22 die Fläche 68 überdeckt, und wenn man das Zwischenstück/Verlängerung 22 aufschraubt, dient der Sechskantkopf 26 dazu, den Wärmetauscher auf dem Motorblock 10 festzuklemmen.
• Üblicherweise begrenzt eine Kombination von Öffnungen in den Abstandsstücken 44 und in den Platten 38 und 40 auf einer Seite der mittleren Öffnung einen zweiten Durchgangskanal 70, der in Fluidverbindung mit dem Innern der Wärmetauschereinheiten 36 steht. Der zweite Durchgangskanal 70 endet an einem Ende der Wärmetauschergruppe 34 in einer Öffnung 72 der Basis 64.
• Ein dritter Durchgang 74 ist von Öffnungen in den Platten 38 und 40 sowie von Abstandsstücken 44 begrenzt und steht in Fluidverbindung mit dem Innern der Wärmetauschelemente 36 auf der Seite der mittigen Öffnung 50 gegenüber dem zweiten Durchgangskanal 70. Der Durchgangskanal 74 mündet in eine Öffnung 76 in der Fläche 68.
• Die Fläche 68 des Gehäuses 32 ist von einer ringförmigen Struktur 80 umgeben, die typischerweise mit dem Gehäuse 32 hartverlötet ist und die eine ringförmige, im allgemeinen flachere, dichtende Oberfläche 82 besitzt, welche mit der herkömmlichen Dichtung 84 des Filters 30 dichtend abschließt.
• Die Basis 64 besitzt eine ringförmige Dichtrille 86 zur Aufnahme der Dichtung 88. Die Rille 86 ist mittig auf die mittlere Öffnung 50 ausgerichtet und so angeordnet, daß sie die Grenzflächen der Basis 64 und der Öldurchflußkanäle 12 und 14 umfaßt. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der Öldurchflußkanal 12 im Motorblock 10 einen Teil- oder Vollring 90 besitzt, der sich auf die Öffnung 72 ausrichtet, wenn das Gehäuse 32 montiert wird, so daß das Motorenöl durch den zweiten Durchgangskanal 70 in den Wärmetauscher einlaufen kann.
• Die Basis 64 besitzt in der Nähe ihrer Peripherie eine oder mehrere Rillen 92 zur Aufnahme einer entsprechenden Anzahl von O-Ring-Dichtungen 94. Die Dichtungen 94 befinden sich außerhalb der Kühlmitteleinlaß- und -auslaßöffnungen 18 und 20 und dienen zusammen mit der Dichtung 88 zur Beschränkung des Kühlmittels auf einen bestimmten Bereich der Grenzfläche zwischen der Basis 64 und dem Motorblock 10. Zu diesem Zweck besitzt die Basis 64 eine Öffnung 96 auf der Seite des Stapels 34, der sich auf die Kühlmittelauslaßöffnung 18 ausrichtet, um Kühlmittel aufzunehmen und es in das Innere des Gehäuses 32 einzuleiten. Eine Kühlmittelauslaßöffnung 98 für den Wärmetauscher befindet sich in der Basis 64 auf der dem Stapel 34 entgegengesetzten Seite und dient dazu, das Kühlmittel vom Wärmetauscher in die Kühlmittelinlaßöffnung 20 einzuleiten.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind das Gehäuse 32 und dessen Basis 64 parallelogrammförmig, noch genauer gesagt, in der Form eines leicht abgerundeten Rhombus, ausgebildet, wie in Figur 2 gezeigt. Die Rhombenform besitzt entgegengesetzt angeordnete Punkte 100 und 102, an welchen jeweils die Öffnungen 96 und 98 angebracht sind. Die Öffnungen 96 und 98 befinden sich also auf den einander entgegengesetzten Seiten des Stapels 34 und gewährleisten auf diese Weise eine gleichmäßige Durchströmung der einzelnen Wärmetauschelemente, um den Wirkungsgrad zu maximieren.
• Der Öldurchfluß erfolgt in gleicher Weise wie in ringförmigen Ölkühlern üblich. Wie bereits erwähnt, wird das zu kühlende Öl in den zweiten Durchlaufkanal 70 eingeleitet. Öl gelangt also in das Innere der einzelnen Einheiten 36 und fließt dann um die mittlere Öffnung 50 in jeder derselben in den dritten Durchlaufkanal 74. Das Öl wird in dem dritten Durchlaufkanal 74 gesammelt und wird über die Öffnung 76 dem Einlaß des Ölfilters 30 zugeführt. Nachdem es gefiltert worden ist, fließt das Öl durch die Ölauslaßöffnung 14 über das Zwischenstück/Verlängerung 22 in den Motorblock zurück.
• Wie aus dem vorhergehenden ersichtlich, kann ein erfindungsgemäß gestalteter Wärmetauscher ideal vielseitig eingesetzt werden, insbesondere als ein Ölkühler für das in Verbrennungsmotoren eingesetzte Öl. Aufgrund der einzigartigen Lage der Fluidöffnungen in einer einfachen, im allgemeinen flacher ausgeführten Basis wie der Basis 64 ist es möglich, ohne externe Kühlmittelleitungen auszukommen, wie sie seither für Ölkühler dieser Art erforderlich waren. Es erübrigt sich, festzustellen, daß hierdurch vorteilhaft Stellen möglicher Leckagen sowie die Verwendung von Schläuchen, die von Zeit zu Zeit ersetzt werden müssen, wegfallen. Die Montage wird vereinfacht.
• Weiterhin ist es möglich, eine größere Menge Kühlmittel über einen gegebenen Zeitraum in den Wärmetauscher einzufüllen als man einfüllen könnte, wenn die sonst üblichen äußeren Leitungen verwendet würden. Eine größere Kühlmittelmenge vergrößert natürlich die Wärmeableitung.
• Außerdem wird man aus Figur 1 ersehen, daß der Ölstrom durch die einzelnen Wärmetauschereinheiten 36 im allgemeinen von rechts nach links erfolgt, während der Ölfluß innerhalb des Wärmetauschers im allgemeinen von links nach rechts verläuft. Es erfolgt also ein echter Gegenstromdurchfluß der beiden Fluids, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird. In konventionellen ringförmigen Ölkühlern wird nur ein teilweiser Gegenstromdurchfluß erzielt.
• Es ist also ersichtlich, daß ein gemäß der Erfindung gefertigter Wärmetauscher eine Reihe von Vorteilen gegenüber den seither bekannten Konstruktionen bietet.

Claims (11)

1. Wärmetauscher, mit:

einem Stapel Wärmetauschereinheiten, von denen jede Einheit ein Paar beabstandeter Platten (38, 40) aufweist, die an ihren Umfangsrändern miteinander verbunden sind, und die in dem Stapel in einem Abstand voneinander angeordnet sind;

Mitteln (50), die einen ersten Durchgang durch den Stapel bilden, welcher erste Durchgang gegenüber den Wärmetauschereinheiten abgedichtet ist;

Mitteln (70), die einen zweiten Durchgang in Fluidverbindung mit dem Inneren der Wärmetauschereinheiten bilden und eine Öffnung an einem Ende des Stapels besitzen;

Mitteln (74), die einen dritten Durchgang in Fluidverbindung mit dem Inneren der Wärmetauschereinheiten in einem Abstand zum zweiten Durchgang bilden und eine Öffnung (76) am anderen Ende des Stapels besitzen;

einem Gehäuse (32), das den Stapel beinhaltet und das einen Sockel (64), der an eine Versorgung mit zwei Wärmetauscherfluids anlegbar ist, und eine gegenüberliegende Seite aufweist;

einem Paar erster Öffnungen (62, 66), von denen die eine (62) im Sockel und die andere (66) in der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist und die gegenüberliegende Enden des ersten Durchganges bilden;

einer zweiten Öffnung (72) im Sockel, die in Fluidverbindung mit dem zweiten Durchgang (70) ist;

einer dritten Öffnung (76) in der gegenüberliegenden Seite, die in Fluidverbindung mit dem dritten Durchgang (74) ist; und

vierten und fünften Öffnungen (96, 98) im Sockel, die in einem Abstand voneinander an im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Stapels angeordnet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel mit Abdichtmitteln zum Abdichten gegenüber einem Element, an dem der Wärmetauscher befestigbar ist, versehen ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegende Seite eine ringförmige Dichtfläche aufweist, die die erste Öffnung und die dritte Öffnung umgibt und die mit einer Dichtung abdichtbar in Verbindung ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel mit Dichtmitteln zum Abdichten gegenüber einem Element, an dem der Wärmetauscher befestigbar ist, versehen ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel im Wesentlichen zylindrisch ist und dass der Sockel rautenförmig mit zwei einander abgewandt gerichteten Bereichen ausgebildet ist, wobei der Stapel zentriert auf dem Sockel und die vierte und fünfte Öffnung in dem jeweiligen der genannten Bereiche angeordnet sind.

6. Ölkühler, der an einen Block (10) einer Verbrennungskraftmaschine befestigbar ist, enthaltend:

ein Gehäuse (32) mit einem Sockel (64);

im Abstand angeordnete Kühlöffnungen (96, 98) im Sockel;

eine Filterbefestigungsfläche (68) am Gehäuse und im Abstand vom Sockel;

einen Wärmetauscherstapel (34) innerhalb des Gehäuses, wobei der Stapel eine Oleinlass- oder -auslassöffnung (12, 14) im Sockel und eine Ölauslass- oder einlassöffnung (76) in der genannten Fläche aufweist; und

einen Durchgang (70), der sich durch das Gehäuse vom Sockel zur genannten Fläche erstreckt.

7. Ölkühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel zwischen den Kühlöffnungen angeordnet ist.

8. Ölkühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen, jedoch beabstandeten Wärmetauschereinheiten (36) aufgebaut ist.

9. Ölkühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichent, dass der Sockel im Wesentlichen eben ist.

10. Ölkühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel und das Gehäuse parallelogrammartige Formen aufweisen und dass die Fläche eine Ringfläche ist.

11. Ölkühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlöffnungen an gegenüberliegenden Ecken der Parallelogrammform des Sockels liegen.