DE2157876A1 - Kreuzstrom-fluessigkeitskuehler, insbesondere wasserkuehler einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Patentanwalt ' '

Dipl.-Ing. H. Sirohschänk

8 München 60 22.11.197l-SLa(6)

MusäU33traße 5 157-974P

Dipl.-Ing. Jürgen Guido Neutraubling über Regensburg^ Bo£sigstraße_4

Kreuzstrom-Flüssigkeitskühler, insbesondere Wasserkühler einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreuzstrom-Flüssigkeits- ™ kühler, insbesondere Wasserkühler einer Brennkraftmaschine, mit einer einem Axialventilator zugekehrten, etwa quadratischen Kühlfläche.

Bei solchen bekannten Kühlern wird die Kühlfläche im allgemeinen durch einen einzigen» in der Regel ein Lamellenkühlsystem aufweisenden Kühlblock gebildet, dem die zu kühlende Flüssigkeit oben über einen waagerechten Eintrittskasten zugeführt und aus dem die gekühlte Flüssigkeit unten über einen waagerechten Austrittskasten abgeführt wird. Da zur Erzielung einer im Verhältnis zur Kühlergröße möglichst großen Kühlleistung erfahrungsgemäß gewisse mittlere Mindestgeschwindigkeiten der Kühlluft und der zu küh- ä lenden Flüssigkeit eingehalten werden müssen und anderseits auch der Leistungsbedarf für den Axialventilator und gegebenenfalls auch für eine Flüssigkeits-Umwälzpumpe nicht so groß werden darf, daß beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine die Mehrleistung des Ventilators und/oder der Umwälzpumpe einen eigenen zusätzlichen Kühlleistungsbedarf nach sich zieht, der den dadurch erzielten Kühlleistungsgewinn wieder aufzehrt oder sogar übersteigt, dürfen in der Praxis auch gewisse Druckgefälle zwischen den ein- und austritt sseitigen Enden der Luft- und Flüssigkeitskanäle des Kühlers

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ORlGtHAL IMSPECTED

nicht überschritten werden. Daraus ergeben sich für ein gewähltes Kühlsystem, beispielsweise einen Lamellenkühler oder einen Plattenkühler j der in seinen Strömungskanälen auch zusätzliche Wärmeübertragungselemente aufweisen kann, sowohl für die Luft als auch für die Flüssigkeit bestimmte Längen der einzelnen Strömungskanäle, die nicht überschritten werden dürfen. In der Praxis bedeutet dies, daß der eingangs genannte bekannte Flüssigkeitskühler mit-einem einzigen Kühlblock über eine bestimmte Größe seiner quadratischen Kühlfläche hinaus nicht vergrößert werden kann, wenn die vorgenannten optimalen Druckgefälle nicht überschritten werden sollen. Mit der Vergrößerung der quadratischen Kühlfläche würden die Strömungskanäle für die Flüssigkeit so lang werden, daß der zulässige Druckabfall der Flüssigkeit überschritten wird.

Es sind zwar Flüssigkeitskühler mit einer rechteckigen Kühlfläche bekannt, deren Flüssigkeitskanäle parallel zu den kurzen Seitenkanten der Rechteckfläche verlaufen und damit trotz einer verhältnismäßig großen Kühlfläche noch einen zulässigen Druckabfall der Flüssigkeit einhalten. Sie weisen aber den neuen Mangel auf, daß sie sich von einem Axialventilator her nur über den zusätzlichen Aufwand von entsprechenden Luftführungskanälen hinreichend gleichmäßig mit Kühlluft beaufschlagen lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Kreuzstrom-Flüssigkeitskühler so zu vervollkommnen, daß seine etwa quadratische Kühlfläche trotz Einhaltung der erforderlichen, mindesten Luft- und Flüssigkeitsgeschwindigkeiten und ohne Überschreitung der höchstzulässigen Druckgefälle der beiden Strömungsmedien gegenüber den heute bekannten optimalen Abmessungen beliebig vergrößert werden kann.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Paar in an sich bekannter Weise in der Ebene der

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Kühlfläche parallel nebeneinander angeordneter Kühlblöcke des Kühlers, zwischen deren benachbarten Seitenkanten ein parallel zu diesen verlaufender mittlerer Flüssigkeitskanal angeordnet ist und denen die Flüssigkeit nach einer Verzweigung je hälftig zugeführt wird, die etwa quadratische Kühlfläche bilden und eine etwa quer zu diesem Flüssigkeitskanal verlaufende gegensätzliche Durchströmungsrichtung aufweisen und der mittlere Flüssigkeitskanal zugleich einen Ein- oder Austrittskastenfür die quer zu ihm in die beiden Kühlblöcke verzweigte bzw. aus den beiden Kühlblöcken gesammelte Flüssigkeit bildet und an den parallel zum mittleren Flüssigkeitskanal verlaufenden beiden äußeren Seitenkanten der beiden Kühlblöcke je ein äußerer, dem gegensätzlichen Zweck (Austritts- bzw. Eintrittskasten für die Flüssigkeit) dienender Flüssigkeitskanal angeordnet ist.

Durch eine vorgenannte Flüssigkeitsverzweigung in zwei benachbarte Kühlblöcke des Kühlers ist es trotz Einhaltung der vorgenannten Strömungsbedingungen möglich geworden, die etwa quadra- · tische Kühlfläche des Kühlers gegenüber dem eingangs genannten bekannten, die gleichen Strömungsbedingungen einhaltenden Kühler wesentlich, etwa bis auf das Vierfache zu vergrößern.

Durch die deutsche Patentschrift 968 19'2 ist bereits ein Kreuzstrom-Flüssigkeitskühler bekannt, bei dem die Kühlflüssigkeit zwischen zwei in der Ebene der Kühlfläche parallel nebeneinander angeordneten Kühlblöcken des Kühlers in einem parallel zu diesen benachbarten Seitenkanten verlaufenden Flüssigkeitskanal zugeführt und auf die beiden Kühlblöcke verzweigt wird. Dabei besteht der genannte Flüssigkeitskanal jedoch aus einem.dritten Kühlblock, aus dem die zugeführte Flüssigkeit unten in einen über die ganze Kühlerbreite verlaufenden Wasserkasten austritt, in dem die Flüssigkeit in gegensätzlicher Richtung verzweigt und um jeweils 180 nach den beiden weiteren Kühlblöcken umgelenkt wird. Da dort schon im mittleren Kühlblock ein Druckabfall der Flüssigkeit entsteht, der sowohl durch die genannte Umlenkung als

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auch in den beiden weiteren Kühlblöcken noch erhöht wird, kann den Strömungskanälen für die Flüssigkeit nur eine kleinere Länge als bei einem eingangs genannten Kühler mit nur einem Kühlblock gegeben werden, was in Verbindung mit den drei nebeneinander angeordneten Kühlblöcken zwangsläufig zu einer entsprechend rechteckigen Gesamtkühlfläche des Kühlers führt. Die vorliegende Erfindung konnte deshalb durch diesen bekannten Kühler nicht nahegelegt werden.

Wird der mittlere Flüssigkeitskanal nach einer konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung nach seinem aus dem Kühler herausführenden anschlußseitigen Ende hin keilförmig erweitert, dann können nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die in an sich bekannter Weise rechteckige Kühlflächen aufweisenden Kühlblöcke beiderseits des keilförmigen mittleren Flüssigkeitskanals in einer dem Keilwinkel entsprechenden Schrägstellung zueinander anschliessen, wodurch sich an den beiden Enden der Strömungskanäle für die Flüssigkeit jedes Kühlblockes jeweils nur weniger als 90° betragende Ablenkungen und dementsprechend geringe dadurch bedingte Druckabfälle der gekühlten Flüssigkeit ergeben.

Nach einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung münden bei einer Bildung der etwa quadratischen Kühlfläche aus zwei oder mehr Paaren von Kühlblöcken die ein- und austrittsseitigen Flüssigkeitskanäle außen jeweils gemeinsam in einen eintritts· seitigen bzw. austrittsseitigen Sammelkasten aus, womit ein solcher Kühler nach außen hin die Erscheinung eines bisher üblichen Kühlers mit nur einem Kühlblock aufweisen kann.

Die erfindungsgemäße Verzweigung der zu kühlenden Flüssigkeit kann selbstverständlich auch dazu ausgenutzt werden, bei einer vorgegebenen Kühlleistung den Druckabfall der Flüssigkeit im Kühler unter den bisher für erforderlich gehaltenen Wert abzusenken und dadurch den Leistungsaufwand für eine Umwälzpumpe herabzusetzen, oder eine solche Pumpe ganz weglassen zu können, oder auch dazu, bei mehr oder weniger voller Ausnutzung der

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bisher zur Verfügung stehenden Pumpleistung der Umwälzpumpe die Strömungsgeschwindigkeit der·Flüssigkeit entsprechend dem herabgesetzten Strömungswiderstand der Flüssigkeit im Kühler zu erhöhen, wodurch der Wärmeübergang von der Flüssigkeit auf die Wände der Strömungskanäle entsprechend verbessert und die Kühlleistung des Kühlers entsprechend erhöht wird.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kreuzstrom-Flüssigkeitskühler in einer das Erfindungsprinzip veranschaulichenden perspektivisch gehaltenen Seitenansicht auf die Kühlfläche; . - f

Fig. 2 eine konstruktive Ausführungsform des Kühlers in einer gleichen Seitenansicht;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des Kühlers in einer schematisch gehaltenen Seitenansicht auf die Kühlfläche.

Der in Fig. 1 dargestellte Kühler besteht aus zwei in der Ebene der Kühlfläche parallel nebeneinander angeordneten Kühlblöcken 1 und 2, zwischen denen parallel zu den benachbarten Längskanten ein in deren Richtung verlaufender Zuführungεkanal 3 für Kühlwasser angeordnet ist-. An ihren einander abgelegenen, parallel zum Flüssigkeitskanal 3 verlaufenden äußeren Seitenkanten weisen die beiden ä Kühlblöcke 1 und 2 je einen in gleicher Richtung wie der Zuführungskanal 3 verlaufenden Abführungskanal H bzw. 5 auf. Der Zuführungskanal 3 bildet für das gemäß Fig. 1 von oben in Richtung desPfeiles 6 zugeführte Kühlwasser zugleich einen Eintrittskasten, aus dem das Kühlwasser rechtwinklig gegensätzlich nach beiden Kühlblöcken 1 und 2 hin verzweigt wird. Das Kühlwasser durchströmt die beiden Kühlblöcke 1 und 2 in üblicher, nicht besonders dargestellter Weise waagerecht und gelangt in die beiden, je einen Austrittskasten bildenden Abführungskanale 4 und 5, aus denen es in Richtung der Pfeile 7 gemäß Fig. 1 nach unten austritt.

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Die.beiden Kühlblöcke 1 und 2 weisen jeweils eine rechteckige Kühlfläche 8 auf, deren parallel zum Zuführungskanal 3 verlaufende Seitenkanten eine Länge A besitzen, die etwa doppelt so lang wie die Länge B der übrigen beiden Seitenkanten ist. Damit ergibt sich für den ganzen Flüssigkeitskühler eine etwa quadratische Kühlfläche, die von der Kühlluft in Richtung der Pfeile 9 durchquert wird. Die etwa quadratische Form der gesamten Kühlfläche ist vorgesehen, damit die Kühlluft durch den Kühler in üblicher Weise mittels eines (nicht dargestellten) Axialventilators durchgesetzt werden kann, der je nach den konstruktiven Verhältnissen entweder eintrittsseitig oder austrittsseitig des Kühlers angeordnet sein kann. Durch die quadratische Gesamtkühlfläche wird in Verbindung mit dem genannten Ventilator praktisch über die ganze Kühlfläche eine gleichmäßige Durchströmungsgeschwindigkext der Luft und damit bei Einhaltung einer gewünschten Luftgeschwindigkeit eine gleichmäßige optimale Ausnutzung der Gesamtkühlfläche ermöglicht.

Damit die Antriebsleistung für den Axialventilator zur Einhaltung einer gewünschten Mindestgeschwindigkeit der den Kühler in Richtung der Pfeile 9 durchströmenden Luft nicht unwirtschaftlich groß gewählt werden muß, soll die Breite C des Kühlers in Richtung der Luftdurchströmung den dargestellten Wert nicht überschreiten können. Entsprechend soll auch die Länge der im Kühler vom Kühlwasser insgesamt durchströmten Strömungskanäle zur Vermeidung eines zu großen Druckabfalles im Kühler nicht größer als die Länge B jedes einzelnen Kühlblockes 1 bzw. 2 sein.

Während es bei vergleichbaren bekannten Kühlern mit einer quadratischen Kühlfläche, die lediglich einen Kühlblock aufweisen, bei Einhaltung einer gleichen, höchst zulässigen Länge B der Strömungskanäle für die zu, kühlende Flüssigkeit nur möglich war, der gesamten quadratischen Kühlfläche eine Kantenlänge B und damit eine nur ein Viertel so große Gesamtkühlfläche wie dem in Fig. 1 dargestellten Kühler zu geben, wenn nicht zu einer rechteckigen Gesamtkühlfläche übergegangen werden soll, die eine gleichmäßige Zuführung

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der Kühlluft von einem Axialventilator kaum zuläßt, läßt die gegenüber diesem bekannten Kühler viermal so große Kühlfläche des in Fig. 1 dargestellten Kühlers die gleichmäßige Luftbeaufschlagung mittels eines Axialventilators zu.

Die in Fig. 2 dargestellte praktische Ausführungsform eines Kühlers gemäß Fig. 1 weist zwischen den beiden Kühlblöcken 1 und 2 einen mittleren Zuführungskanal 3a auf, der nach seinem aus dem Kühler herausführenden anschlußseitigen Ende hin keilförmig erweitert ist. Dabei schließen die beiden Kühlblöcke 1 und 2 mit ihren rechteckigen Kühlflächen 8 beiderseits des mittleren Flüssigkeit skanals 3 in einer dem Keilwinkel entsprechenden Schrägstellung zueinander an. Auch die beiden Ab führung skanä le Ha und 5a sind nach ihren aus dem Kühler herausführenden anschlußseitigen Enden hin keilförmig erweitert. Gemäß dem Ausführungsbeispiel schließt an jeden Abführungskanal ein Anschlußschlauch 10a bzw. 10b an, obgleich austrittsseitig des Kühlers auch ein an beide austrittsseitigen Enden der Abführungskanäle Ha und 5a anschließender Sammelkasten vorgesehen sein könnte, von dem in üblicher Weise ein einziger Anschlußschlauch ausgeht. Über die strömungsgünstige Verzweigung des Kühlwassers aus dem Zuführungskanal 3a hinaus bietet die Schrägstellung der beiden Kühlblöcke

I und 2 auch noch den Vorteil einer nur weniger als 90 betragenden Ablenkung des Kühlwassers sowohl im Zuführungskanal,3a als auch in den beiden Abführungskanalen Ha und 5a.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist die quadratische Gesamtkühlfläche des Kühlers aus zwei Paaren von Kühlblöcken la und 2a sowie Ib und 2b gebildet, wobei die Zuführungskanäle 3b und 3c und die Abführungskanäle Hb, Hc und

II jeweils gemeinsam in einen eintrittsseitigen Sammelkasten bzw. einen austrittsseitigen Sammelkasten 13 ausmünden. Der Küh-

• kann in üblicher Weise in den Kühlwasserkreislauf Über jeweils einen eintrittsseitigen und einen austrittsseitigen Anschlußstutzen IH bzw. 15 eingeschaltet werden.

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Auch bei dem in Fig. 3 dargestellten Flüssigkeitskühler könnten die Zu- und Abführungskanäle gemäß Fig. 2 keilförmig ausgebildet sein und die Kühlblöcke an diese Kanäle in einer entsprechenden Schrägstellung anschließen. Die dargestellten und beschriebenen Kühler könnten von der Kühlflüssigkeit auch in einer gegenüber den Ausführungsbeispielen umgekehrten Richtung durchströmt werden. Auch ist die Erfindung nicht etwa an solche Kühler gebunden, die eine viermal so große Kühlfläche wie vergleichbare vorbekannte Kühler aufweisen, da die beschriebene und dargestellte Verzweigung mit einer kleiner werdenden Gesamtkühlfläche den Vorteil einer entsprechenden Verkleinerung des Druckabfalles des Kühlwassers im Kühler bzw. bei Ausnutzung des zulässigen Druckabfalles einer entsprechenden Vergrößerung der Durchströmungsgeschwindigkeit des Kühlwassers im Kühler und damit des entsprechend verbesserten Wärmeüberganges mit sich bringt.

Im übrigen könnte der beschriebene und dargestellte Kühler statt zur Kühlung von Kühlwasser auch zur Ölkühlung, bei Luftkompressoren beispielsweise zur Rückkühlung des in die verdichtete Luft eingespritzten, durch diese erwärmten und danach wieder ausgeschiedenen Öles, und schließlich auch zur Kühlung irgendeiner anderen Flüssigkeit dienen.

Patentansprüche

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Claims (3)

1. Kreuzstrom-Flüssigkeitskühler,insbesondere Wasserkühler einer Brennkraftmaschine, mit einer einem Axialventilator zugekehrten etwa quadratischen Kühlfläche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar in an sich bekannter Weise in der Ebene der Kühlfläche (8) parallel nebeneinander angeordneter Kühlblöcke (1 und 2 bzw. la und 2a sowie Ib und 2b) des Kühlers, zwischen deren benachbarten Seitenkanten ein parallel zu diesen verlaufender mittlerer Flüssigkeitskanal (Zuführungskanal 3 bzw. 3a, 3b, 3c) angeordnet ist und denen die Flüssigkeit nach einer Verzweigung je hälftig zugeführt wird, die etwa quadratische Kühlfläche " bilden und eine etwa quer zu diesem Flüssigkeitskanal verlaufende gegensätzliche Durchströmungsrichtung aufweisen und der mittlere Flüssigkeitskanal (3 bzw, 3a, 3b, 3c) zugleich einen Ein- oder Austrittskasten für die quer zu ihm in die beiden Kühlblöcke (1 und 2 bzw. la und 2a sowie Ib und 2b) verzweigte bzw. aus den beiden Kühlblöcken gesammelte Flüssigkeit bildet und an den parallel zum mittleren Flüssigkeitskanal (3 bzw. 3a, 3b, 3c) verlaufenden beiden äußeren Seitenkanten der beiden Kühlblöcke (1 und 2 bzw. la und 2a, Ib und 2b) je ein äußerer, dem gegensätzlichen Zweck (Austritts- bzw. Eintrittskasten für die Flüssigkeit) dienender Flüssigkeitskanal (4 und 5 bzw. "+a und 5a bzw. Hb und 11 bzw. 4c und 11) angeordnet ist. . ä
2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   der mittlere Flüssigkeitskanal (Zuführungskanal 3 bzw; 3a, 3b, 3c) nach seinem aus dem Kühler herausführenden anschlußseitigen Ende hin keilförmig erweitert ist.
3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in an sich bekannter Weise rechteckige Kühlflächen (8)auf-

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   weisenden Kühlblöcke (1 und 2) beiderseits des keilförmigen mittleren Flüssigkeitskanals (Zuführungskanal 3a) in einer dem Keilwinkel entsprechenden Schrägstellung zueinander anschließen (Fig. 2)

   4·. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Bildung der etwa quadratischen Kühlfläche aus zwei oder mehr Paaren von Kühlblöcken (la und 2a sowie Ib und 2b) die ein- und austrittsseitigen Flüssigkeitskanäle (3b und 3c bzw. 11 und 4b und 4c) außen jeweils gemeinsam in einen eintrittsseitigen bzw. austrittsseitigen Sammelkasten (12 bzw. 13) ausmünden.

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