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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Innenrohr, welches vom zu kühlenden Medium durchströmbar ist, einem Außenrohr und einem zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordneten Schraubenkörper, dessen Innendurchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Innenrohrs entspricht und dessen Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Außenrohres entspricht, wobei die Schraubengänge des Schraubenkörpers zwischen dem Innenrohr und dem Schraubenkörper vom zu kühlenden Medium durchströmt sind und der Schraubenkörper vom Kühlmedium umströmt ist.
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Derartige Kühlvorrichtungen dienen in Kraftfahrzeugen beispielsweise als Abgaskühler zur Reduzierung von Schadstoffen. Der Vorteil solcher Schraubenkühler ist der relativ geringe vorhandene Druckverlust, der zu einer möglichen Erhöhung des Durchflusses bei gegebenen Druckverhältnissen führt. Bekannt sind Kühlvorrichtungen, bei denen Kühlschlangen als gewundene Rohre um das Innenrohr angeordnet sind. Diese weisen jedoch aufgrund der relativ geringen Wärmeübertragungsflächen einen unzureichenden Wirkungsgrad auf.
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Aus
FR 2 304 884 A1 ist ein Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, der ein Innenrohr aufweist, um welches zwei aufeinander liegende geformte Bleche angeordnet sind, die gemeinsam einen schraubenförmig verlaufenden Kanal bilden, der von einem Kühlmedium durchströmt ist. Diese Bleche sind von einem Außenrohr umgeben, so dass zwischen den vom Kühlmedium durchströmten Schlangen und dem Innenrohr beziehungsweise dem Außenrohr zwei schraubenförmige Kanäle für das zu kühlende Medium gebildet werden. In einer weiteren Ausführungsform werden mehrere Bleche entsprechend umeinanderliegend angeordnet, so dass zusätzliche Kanäle für das Kühlmittel und für das zu kühlende Medium gebildet werden. Bei einer derartigen Ausführung sind jedoch mehrere Kühlmitteleinlass und -auslassstutzen erforderlich, um die Kühlmittelkanäle zu versorgen. Hierdurch wird zwar der Wirkungsgrad des Wärmetauschers verbessert, jedoch erhöht sich hierdurch die radiale Ausdehnung des Wärmetauschers deutlich, so dass dieser in modernen Verbrennungsmotoren zu viel Bauraum einnehmen würde. Zusätzlich müssen die Bleche aneinander befestigt, beispielsweise verlötet werden, wodurch der Aufwand zur Herstellung eines derartigen Wärmetauschers extrem groß wird.
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Aus der
DE 1 111 654 A ist ein rohrförmiger Wärmeaustauscher mit einem Innenrohr und einem Außenrohr bekannt, wobei zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr ein Schraubenkörper angeordnet ist, der vom Innenrohr beabstandet ist. Zwischen dem Innenrohr und dem Schraubenkörper strömt das zu kühlende Fluid, während zwischen dem Außenrohr und dem Schraubenkörper eine Kühlflüssigkeit strömt. Nachteilig ist, dass sich in den Schraubengängen strömungsfreie Zonen ausbilden, da ein Kurzschlussstrom ohne Strömungswiderstände zwischen dem Schraubenkörper und dem Innenrohr möglich ist. Die axiale Ausdehnung ist relativ groß.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, welche einen hohen Wirkungsgrad bei geringem Druckverlust aufweist, leicht zu montieren ist und bei der gleichzeitig insbesondere bezüglich der radialen Ausdehnung ein möglichst geringer Bauraum benötigt wird.
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Diese Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben dadurch gelöst, dass der Schraubenkörper mehrgängig ausgeführt ist, wobei die Schraubengänge axial hintereinander angeordnet sind, wobei entsprechend der Anzahl der Schraubengänge Eintrittsöffnungen am ersten axialen Ende des Schraubenkörpers und Austrittsöffnungen am zweiten axialen Ende des Schraubenkörpers angeordnet sind. Es ergeben sich somit im Querschnitt jeweils mehrere zueinander parallel liegende vom zu kühlenden Medium durchströmte Schraubengänge, welche über die Trennwand des Schraubenkörpers in Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium stehen. Dies bedeutet, dass eine große Menge heißen Abgases gleichzeitig durch eine entsprechende Menge kalten Kühlmittels gekühlt wird. Da in diesem Bereich der Temperaturgradient zwischen den beiden Medien am höchsten ist, entfaltet sich hier die höchste Kühlwirkung. Gleichzeitig bleibt der in radialer Richtung verwendete Bauraum unverändert zu einem eingängigen Schraubenkörper. Da der Wärmetauscher im Wesentlichen aus nur drei Teilen besteht, ist der Herstellungsaufwand sehr gering.
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Vorzugsweise sind am Außenrohr ein Kühlmitteleinlassstutzen und ein Kühlmittelauslassstutzen angeordnet. Somit strömt das Kühlmittel im äußeren Bereich, wodurch die Kühlmittelstutzen auf einfache Weise am Außenrohr befestigt werden können. Ein Durchdringen eines weiteren äußeren Gehäuseteils ist entsprechend nicht erforderlich, wodurch Abdichtungsprobleme vermieden werden. Bei entsprechender Ausführung insbesondere des Kühlmitteleinlassstutzens können somit die axial hintereinander liegenden Schraubengänge, welche gleichzeitig vom zu kühlenden Medium durchströmt werden, auch im Wesentlichen gleichzeitig mit dem noch kalten Kühlmedium beaufschlagt werden.
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In einer bevorzugten Ausführung ist der Schraubenkörper im Druckgussverfahren hergestellt, wobei der Innendurchmesser in axialer Richtung konisch zulaufend ausgeführt ist und der Außendurchmesser konstant ist. Dies erleichtert die Herstellung des Schraubenkörpers, da das formende Werkzeug bei der Herstellung des Schraubenkörpers mit einer kleinen Verdrehung im Werkstück gelöst werden kann. Diese Drehung erfolgt bereits in einer frühen Erstarrungsphase, das heißt vor dem Öffnen der äußeren Form. Die äußere zylindrische Form des Schraubenkörpers hat den Vorteil, dass für das Außenrohr ein Standardohr verwendet werden kann.
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In einer hierzu alternativen Ausführung ist der Schraubenkörper aus geformtem Blech hergestellt. Eine solche Ausführung zeichnet sich insbesondere durch die kostengünstige Herstellung aus.
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In einer weiterführenden Ausführungsform ist am zweiten axialen Ende des Schraubenkörpers ein Deckel befestigt, wobei zwischen dem Deckel und dem axialem Ende des Schraubenkörpers ein Raum ausgebildet ist, über den das zu kühlende Medium in das Innenrohr und in Richtung zum ersten axialen Ende des Schraubenkörpers zurückströmt, an dem ein Auslassstutzen für das zu kühlende Medium angeordnet ist. Entsprechend können Einlass und Auslass in einer gemeinsamen Flanschebene angeordnet werden.
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In einer hierzu alternativen Ausführungsform ist am zweiten axialen Ende des Schraubenkörpers ein Auslassstutzen für das zu kühlende Medium angeordnet, in den die Auslässe des Schraubenkörpers und des Innenrohres münden, wobei das Innenrohr als Bypasskanal zur Umgehung des Schraubenkörpers dient. Somit werden beide vom zu kühlenden Medium durchströmbaren Kanäle in der gleichen Richtung durchströmt. Durch eine entsprechend angeordnete Klappe wäre es somit möglich, eine Abgastemperatur zu regeln. Zusätzlich kann ein Verbrennungsmotor durch die Anordnung des Bypasskanals bei der Verwendung der Kühlvorrichtung als Abgaskühler schneller aufgeheizt werden.
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Vorzugsweise ist das Innenrohr doppelwandig ausgeführt. Die Doppelwandigkeit des Innenrohres dient dabei als Isolierung zum radial außen liegenden heißen vom zu kühlenden Medium durchströmbaren Kanal, so dass eine Aufheizung nach dem Kühlvorgang beim U-förmig durchströmten Kühler ebenso verhindert werden kann wie ein Wärmeverlust im Bypasskanal.
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Es wird somit eine Kühlvorrichtung geschaffen, deren radiale Ausdehnung und deren Druckverlust bei hohem Kühlerwirkungsgrad sehr gering sind. Die Anzahl der notwendigen Herstellungsschritte und somit die Montagekosten werden gleichzeitig im Vergleich zu bekannten Ausführungen deutlich reduziert.
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Zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kühlvorrichtungen sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit Vorlauf und Rücklauf des zu kühlenden Mediums in geschnittener Darstellung.
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2 zeigt eine Kopfansicht der Kühlvorrichtung aus der 1.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer zweiten Ausführung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit Bypass in geschnittener Darstellung.
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Die in 1 dargestellte Kühlvorrichtung besteht aus einem zu beiden axialen Enden offenem Innenrohr 2, um welches ein Schraubenkörper 4 derart angeordnet ist, dass die radial innen liegenden Enden der Wände 8 des Schraubenkörpers 4 an der Außenwand 10 des Innenrohres 2 anliegen.
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Der Schraubenkörper 4 ist aus Druckguss hergestellt. Zur leichteren Entformung des Schraubenkörpers 4 bei der Herstellung weisen die radial innen liegenden Enden der Wände 8 in axialer Richtung eine geringe Konusform auf, während die radial außen liegenden Enden der Wände 8 eine zylindrische Form aufweisen. Durch den Innenkonus kann das Werkzeug mit einer kleinen Verdrehung im Werkstück gelöst werden. Dies erfolgt bereits in einer frühen Erstarrungsphase, bevor die äußere Form geöffnet wird. Selbstverständlich ist das Innenrohr 2 oder zumindest deren Außenwand 10 mit einem entsprechenden Außenkonus zu versehen, um das Innenrohr 2 in den Schraubenkörper 4 einschieben zu können, ohne dass größere Spalte nach dem Zusammenbau vorhanden bleiben.
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Der Schraubenkörper 4 ist umgeben von einem Außenrohr 12, dessen begrenzende Rohrwand 14 gegen die radial außen liegenden Enden der Wände 8 des Schraubenkörpers 4 anliegt und entsprechend zur äußeren zylindrischen Form des Schraubenkörpers 4 ebenfalls zylindrisch ausgeführt ist, so dass ein Standardrohrstück verwendet werden kann. Kurz vor einem ersten axialen Ende 16 des Schraubenkörpers 4 weist das Außenrohr 12 an der Rohrwand 14 eine Öffnung auf, von deren begrenzenden Seitenwänden aus sich ein Kühlmitteleinlassstutzen 18 radial erstreckt, über den eine fluidische Verbindung zu einem außen liegenden Schraubenkanal 20 hergestellt wird, der zwischen dem Außenrohr 12 und dem Schraubenkörper 4 ausgebildet ist. Kurz vor einem zweiten gegenüberliegenden axialen Ende 22 des Schraubenkörpers 4 weist die Rohrwand 14 des Außenrohrs 12 eine weitere Öffnung auf, von deren begrenzenden Seitenwänden sich ein Kühlmittelauslassstutzen 24 radial erstreckt.
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An den axialen Enden 16, 22 weist der Schraubenkörper 4 jeweils eine flanschförmige Erweiterung 26, 28 auf, gegen die die axialen Rohrenden des Außenrohrs 12 anliegen. Hier wird das Außenrohr 12 beispielsweise durch Schweißen oder Löten mit dem Schraubenkörper 4 verbunden. An seinem axialen Ende 22 ist an der zum Außenrohr 12 gegenüberliegenden Seite der flanschförmigen Erweiterung 28 ein Deckel 30 an der flanschförmigen Erweiterung 28 befestigt, der eine Topfform aufweist, so dass zwischen Innenrohr 2 beziehungsweise Schraubenkörper 4 und dem Deckel 30 ein nach außen geschlossener Raum 32 gebildet wird.
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Aus 2 wird deutlich, dass der Schraubenkörper 4 am ersten axialen Ende 16 drei Eintrittsöffnungen 34, 36, 38 aufweist, die jeweils fluidisch mit einem zugehörigen Schraubengang 40, 42, 44 verbunden sind, die im Schraubenkörper 4 durch die Wände 8 und die Außenwand 10 des Innenrohres 2 gebildet werden.
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Dies bedeutet, dass in der 1 jeder dritte sichtbare Schraubengang 40, 42, 44 vom gleichen Fluidstrom durchströmt wird, also ein Fluidstrom durch die Eintrittsöffnung 34 durch den Schraubengang 40 strömt, während der in die Eintrittsöffnung 36 einströmende Fluidstrom lediglich den Schraubengang 42 durchströmt. Es handelt sich somit erfindungsgemäß um einen dreigängig ausgeführten Schraubenkörper 4, dessen verschiedene Schraubengänge 40, 42, 44 axial hintereinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass im Vergleich zu bekannten Ausführungen eine sehr geringe axiale Ausdehnung bei gleicher Durchströmung erreicht wird.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der Kühlvorrichtung gemäß der 1 am Beispiel einer Verwendung der Kühlvorrichtung als Abgaskühler beschrieben. Das zu kühlende Medium ist somit das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine.
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Das Abgas strömt über eine nicht dargestellte Abgasleitung um das Innenrohr 2 herum zu den Eintrittsöffnungen 34, 36, 38. Selbstverständlich ist hierzu vor dem Eintritt in den Abgaskühler ein entsprechend geformter Einlasskonus ausgebildet, der fluidisch vom Innenrohr 2 getrennt ausgeführt ist.
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Das Abgas strömt von der Eintrittsöffnung 34 in den Schraubengang 40, von der Eintrittsöffnung 36 in den Schraubengang 42 und von der Eintrittsöffnung 38 in den Schraubengang 44. Gleichzeitig strömt Kühlmittel über den Kühlmitteleinlassstutzen 18 in den Schraubengang 20. In der 1 ist zu erkennen, dass der kalte Kühlmittelstrom etwa gleichzeitig die vorderen Schraubengänge 40, 42, 44 erreicht und somit eine etwa gleiche Kühlwirkung auf die drei Schraubengänge 40, 42, 44 ausübt. In diesem Bereich ist der Temperaturgradient zwischen dem Kühlmittel und dem Abgas am höchsten, so dass hier der höchste Kühlerwirkungsgrad erreicht wird. Das Abgas strömt nun parallel zum Kühlmittelstrom in den Schraubengängen 20 weiter durch die Schraubengänge 40, 42, 44 in Richtung zum zweiten axialen Ende 22 des Schraubenkörpers 4. Während der Kühlmittelstrom über den Kühlmittelauslassstutzen 24 die Kühlvorrichtung verlässt, strömt das Abgas aus drei Austrittsöffnungen 46, 48, von denen zwei in der Figur ersichtlich sind, in den Raum 32 im Deckel 30. Hier erfährt das Abgas eine Umkehrung und strömt durch das Innenrohr 2 zurück zum ersten axialen Ende 16 des Schraubenkörpers 4, von wo aus es schließlich über einen nicht dargestellten Auslassstutzen die Kühlvorrichtung wieder verlässt und von hier beispielsweise zurück zum Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine geführt werden kann. Zur Vermeidung einer wärmenden Wirkung auf das über das Innenrohr zurückgeleitete Abgas kann das Innenrohr selbstverständlich auch doppelwandig ausgeführt werden, wie es bei der Ausführung gemäß der 3 dargestellt ist.
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Es wird ersichtlich, dass durch die Form der Schraubengänge 40, 42, 44 durch die Wände 8 eine deutlich größere Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung gestellt wird als dies beispielsweise bei einer gewundenen Rohrschlange der Fall wäre. Somit erhält man einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad. Gleichzeitig ist durch die hohe Ausführung der einzelnen Schraubengänge nur ein geringer Druckverlust vorhanden. Die axial hintereinander liegenden Schraubengänge 40, 42, 44 sorgen gleichzeitig dafür, dass trotz des erhöhten Kühlerwirkungsgrades nur ein geringer radialer Bauraum benötigt wird.
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Die in der 3 dargestellte Kühlvorrichtung ist zu großen Teilen baugleich mit der bereits beschriebenen Kühlvorrichtung aus der 1. Entsprechend sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Entsprechend wird im Folgenden auf die Unterschiede im Vergleich zur ersten Ausführungsform eingegangen.
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Die Kühlvorrichtung gemäß der 3 weist am zweiten axialen Ende 22 des Schraubenkörpers 4 einen Deckel 50 auf, an welchem ein Auslassstutzen 52 ausgebildet ist. Zusätzlich ist in das Innenrohr 2 ein weiteres Rohr 54 eingeschoben, welches unter Zwischenlage von Dichtungen 56 im Bereich der beiden axialen Enden 16, 22 des Schraubenkörpers 4 beabstandet vom Innenrohr 2 angeordnet ist. Dieses Rohr 54 dient als Bypasskanal 58 der Kühlvorrichtung.
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Vor diesem Bypasskanal 58 beziehungsweise den Eintrittsöffnungen 34, 36, 38 des Schraubenkörpers 4 ist ein nicht dargestelltes Bypassventil angeordnet, so dass einströmendes Abgas wahlweise in das als Bypasskanal 58 dienende Rohr 54 oder über die Eintrittsöffnungen 34, 36, 38 in den Schraubenkörper 4 strömt. Ist nun der Bypasskanal 58 durch das Bypassventil geschlossen strömt das Abgas in der bereits zu 1 beschriebenen Weise unter der Kühlwirkung des Kühlfluids durch die Schraubengänge 40, 42, 44 zum zweiten axialen Ende 22 der Kühlvorrichtung und tritt über die Austrittsöffnungen 46, 48 aus dem Schraubenkörper 4 in den Raum 32 aus. Von hier gelangt das Abgas zum Auslassstutzen 52 und strömt aus der Kühlvorrichtung heraus.
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Verschließt das Bypassventil die Eintrittsöffnungen 34, 36, 38 des Schraubenkörpers 4 strömt das Abgas durch den Bypasskanal 58 ebenfalls in den Raum 32 und kann über den Auslassstutzen 52 ausströmen. Hierbei wird ein Wärmeeinfluss auf das Abgas durch die vorhandene Doppelwandigkeit nach dem Zusammenbau der beiden Rohre 2, 54 verhindert, da die Luft zwischen den beiden Rohren 2, 54 als Isolator dient. Selbstverständlich wäre es möglich, den Raum zwischen den beiden Rohren 2, 54 zu evakuieren oder mit einem Isolationsstoff zu versehen um diese Isolationswirkung zu verstärken. Bei dieser Stellung des Bypassventils wird somit ungekühltes Abgas zum Verbrennungsmotor zurückgeführt, so dass die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors verkürzt werden kann.
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Es sollte deutlich sein, dass durch die beschriebenen Ausführungen eine radial sehr klein bauende Kühlvorrichtung geschaffen wird, die bei hoher vorhandener Kühlwirkung nur geringe Druckverluste aufweist. Zusätzlich ist diese Kühlvorrichtung kostengünstig herzustellen und mit wenigen Schritten zu montieren.
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Selbstverständlich sind im Vergleich zu den beschriebenen Ausführungen verschiedene Modifikationen möglich, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. So kann beispielsweise der Schraubenkörper aus Aluminium- oder VA-Blechen hergestellt werden. Auch ist es selbstverständlich möglich, eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung mit zwei oder mehr als drei Schraubengängen und somit Eintrittsöffnungen auszuführen. Insbesondere ist es auch sinnvoll, die Kühlvorrichtung mit Rückströmung mit einem doppelwandigen Innenrohr auszuführen, da auf diese Weise ein nachträglicher Wärmeverlust des bereits gekühlten Abgases durch den Kontakt zum ungekühlten Abgas im Schraubengang vermieden wird. Weitere konstruktive Änderungen beispielsweise bezüglich der Anbindung der Einzelteile aneinander sind ebenfalls denkbar.
