DE2836527A1

DE2836527A1 - Waermerohr zur temperaturerniedrigung in thermisch belasteten bereichen von maschinen

Info

Publication number: DE2836527A1
Application number: DE19782836527
Authority: DE
Inventors: Giovanni Torazza
Original assignee: Fiat Veicoli Industriali SpA
Current assignee: Fiat Veicoli Industriali SpA
Priority date: 1977-09-27
Filing date: 1978-08-21
Publication date: 1979-03-29
Also published as: GB1603130A; IT1091239B; DE7824894U1

Description

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FIAT VEICOLI INDUSTRIALI S.p.A.
Via Puglia 35
Turin, Italien

Wärmerohr zur Temperaturerniedrigung in thermisch belasteten Bereichen von Maschinen. .

Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr zur Übertragung von Wärmeenergie und damit zur Temperaturerniedrigung in thermisch belasteten Bereichen von Maschinen. Wärmerohre sind für die Kühlung sehr heißer Bereiche von Verbrennungsmotoren von besonderer Nützlichkeit. Bekannte Wärmerohre beste- hen aus einem geschlossenen eine Flüssigkeit enthaltenden rohrförmigen Körper, der einen heißen Bereich des Motors mit einem Bereich zur Wärmeableitung verbindet. Der Körper des Wärmerohres ist mit einem rohrleitungsartigen zentralen Raum sowie an seiner Innenwandung mit einem kapillaren Zwischenraum versehen.

Die maximale Leistung, die ein Kolbenverbrennungsmotor, insbesondere ein vorverdichtendet Motor, liefern kann, ist durch die höchstzulässige Temperatur in verschiedenen kritischen Bereichen des Motors begrenzt.Ein besonders kritischer Bereich des Motors ist der Zylinderkopf. Durch die Anordnung von Wärnierohren der oben beschriebenen Art kann die Arbeitstemperatur des Motors in den mit den Wärmerohren ausgestatteten Bereichen erheblich verringert werden. Die Übertragung der Wärmeenergie durch ein Wärmerohr erfolgt bekanntlich durch die rasche Zirkulation der Flüssigkeit, die durch das Vorhandensein des kapillaren Zwischenraumes begünstigt wird, der einen Weg für die Flüssigkeit in ihrem flüssigen Aggregatzustand bildet, während der zentrale rohrleitungsartige

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Raum einen Weg für die Flüssigkeit in der Dampfphase bildet. Das Wirkungsprinzip und die Kriterien zur Bestimmung der erforderlichen Abmessungen von Wärmerohren sind an sich bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmerohr zu schaffen, das eine höhere Leistungsfähigkeit als bekannte Wärmerohre besitzt und das so geformt ist, daß es sich in der Maschine, in der es angebracht werden soll, sicher und gas- sowie wasserdicht befestigen läßt.

Ausgehend von einem Wärmerohr zur Temperaturerniedrigung in thermisch belasteten Bereichen von Maschinen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, durch Verbindung eines erhitzten Bereiches mit einer Umgebung zur Wärmeabgabe, mit einem eine Flüssigkeit enthaltenden rohrförmigen Körper, der mit einem zentralen rohrleitungsartigen Raum und an seiner Innenwandung mit einem kapillaren Zwischenraum versehen ist, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der kapillare Zwischenraum und der rohrleitungsartige Raum im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, daß die Wandung des rohrförmigen Körpers einen nach außen verdickten Bereich aufweist, der an eines seiner Enden angrenzt, und daß dieses Ende einen ringförmigen abschließenden Ansatz besitzt, der einen Tellerkopf bildet, und mittels dessen das Eindringen des rohrförmigen Körpers in eine in einer Wandung der Maschine befindliche Öffnung begrenzt ist.

Der ringförmige abschließende Ansatz an dem verdickten Ende des rohrförmigen Körpers, der den erwähnten Tellerkopf bildet, obwohl er nicht notwendigerweise die Form eines herkömmlichen Tellerkopfes aufweisen muß, ist der Verbrennungskammer zugewandt, wenn das Wärmerohr in einem Motor in Position gebracht wird. Wegen des ringförmigen abschließenden Ansatzes kann das Wärmerohr darüberhinaus im Preßsitz in einerentsprechenden Öffnung befestigt werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß es unter der Wirkung der hohen Drücke

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in der Verbrennungskammer ausgetrieben wird.

Wenn das Wärmerohr in eine Maschine anderer Art verwendet wird, wird es so angebracht, daß das verdickte Ende des rohrförmigen Körpers der Wärmequelle zugewandt ist, deren Wärme abgeleitet werden soll, während das andere Ende in einem Bereich zur Wärmeabgabe liegt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der ringförmige abschließende Ansatz einen kegelstumpfförmigen Querschnitt, der in eine entsprechend ausgeformte Auskehlung an der Mündung der in der Wandung der Maschine befindlichen Öffnung eingreift. Dadurch wird die Bruchgefahr für die Kante zwischen der Ausnehmung oder dem Sitz für das Wärmerohr und der Wandung der Verbrennungskammer des Motors ausgeschaltet oder zumindest wesentlich verringert.

Falls das Wärmerohr an einem luftgekühlten Motor verwendet werden soll ragt das dem verdickten Ende entgegengesetzte freie Ende in einen Luftraum. In diesem Fall ist die Außenwandung des Wärmerohres, die aus der Wandung des Motors herausragt zur Beschleunigung der Wärmeübertragung vorzugsweise mit Kühlrippen versehen.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert :

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bildendes Wärmerohr,

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, in welchem zwei Wärmerohre der in Fig. 1 dargestellten Art angebracht sind,

Fig. 3 zeigt eine Untersicht in Richtung des Pfeiles III von Fig. 2.

Das Wärmerohr 10 besitzt einen rohrförmigen Körper 12, in dem eine Bohrung mit einer zylindrischen Innenwandung 14

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ausgebildet ist.

Die Wandung des Wärmerohres 10 besitzt an einem Ende einen verdickten Bereich 16, der gegenüber dem Hauptteil der Wandung nach außen vorsteht. Am Ende dieses verdickten Bereiches befindet sich ein radial nach außen ragender ringförmiger abschließender Ansatz 18 mit kegelstumpfförmigem Querschnitt. Die Stirnfläche 20 des verdickten Endbereiches 16 verläuft senkrecht zur zentralen Längsachse 22 des Wärmerohres 10.

Das dem verdickten Endbereich 16 des Wärmerohres 10 abgewandte Ende j st mit Hilfe eines Stopfens 24 hermetisch verschlossen. Dieser Stopfen 24 kann entweder in dem genannten Ende des Wärmerohres 10 eingeschweißt sein oder in dem Wärmerohr selbst durch plastische Verformung der Rohrwandung eingeschlossen sein.

Im Innern des Wärmerohres 10 befindet sich in der Nähe der zylindrischen Innenwandung ein Drahtnetzgewebe oder Maschenzylinder 26, der zusammen mit der zylindrischen Innenwandung 14 einen kapillaren Zwischenraum 28 bildet. Innerhalb des genannten Maschenzylinders 26 befindet sich eine Schraubenfeder30, die den Maschenzylinder trägt und in Position hält. Der Maschenzylinder 26 trennt den kapillaren Zwischenraum 28 von dem ebenfalls zylindrischen zentralen Raum 32.

Das Innere des Wärmerohres 10 ist teilweise mit einer Flüssigkeit, z.B. mit unter Vakuum destilliertem Wasser gefüllt. Das Füllen und Verschließen des Wärmerohres 10 muß so vonstatten gehen, daß eine Verunreinigung der Arbeitsflüssigkeit durch Gas oder andere Fremdstoffe ausgeschlossen ist.

Wenn der verdickte Endbereich 16 einer Temperatur ausgesetzt ist, die hoch genug ist, um die Flüssigkeit zum Kochen zu bringen, und das andere Ende, an dem sich der Stopfen 24 befindet, auf einer niedrigeren Temperatur liegt, findet der

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Wärmetransport durch rasche Zirkulation der Flüssigkeit statt. Diese Zirkulation wird durch einen gleichförmigen Flüssigkeitsfilm in dem durch das Drahtnetzgewebe bestimmten kapillaren Zwischenraum 28 aktiviert. Die Flüssigkeit verdampft in dem verdickten Endbereich 16. Die verdampfte Flüssigkeit bewegt sich von dort in dem zentralen rohrleitungsartigen Raum 32 zu dem anderen Ende, an dem sich der Stopfen 24 befindet und gibt dort ihre Kondensationswärme an die Umgebung ab. Aus dem in dem kapillaren Zwischenraum vorhandenen Flüssigkeitsfilm fließt Flüssigkeit in den verdickten Endbereich 16 nach und wird dort verdampft.

In Fig. 2 und 3 ist ein Anwendungsbeispiel für die als Ausführungsbeispiel der Erfindung dienenden Wärmerohre dargestellt. Ein Zylinderkopf 34 eines Dieselmotors mit direkter Einspritzung besitzt eine Verbrennungskammer, in die ein Einlaßventil 36, ein Auslaßventil 38 und eine zentrale Einspritzdüse 40 münden. In der Wandung des Zylinderkopfes sind zwei Wärmerohre 10 montiert, mittels derer die Wärme aus dem Bereich des Wandteiles abgeleitet wird, der zwischen den Sitzen der beiden Ventile 36 und 38 und zwischen diesen beiden Ventilen und der Öffnung 42 liegt, in der die Einspritzdüse 40 in die Verbrennungskammer 44 mündet. Diese Bereiche sind normalerweise thermisch am meisten belastet.

Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß der verdickte Endbereich 16 des Wärmerohres 10 im Preßsitz in eine zu diesem Zweck in der Wandung 46 des Zylinderkopfes 34 angebrachte Öffnung eingepreßt ist. Jedes Wärmerohr 10 ist so in seinem Sitz befestigt, daß seine Achse 22 senkrecht zur inneren Oberfläche 48 der Wandung 46 der Verbrennungskammer 44 verläuft, so daß die Stirnfläche 20 des rohrförmigen Körpers .10 in einer Ebene mit der Oberfläche 48 der Verbrennungskammer 44 liegt,die - wie aus Fig. 2 erkennbar - gegenüber der Hauptfläche des Zylinderkopfes 34 leicht zurückgesetzt ist.

Eine konische Auskehlung 50 verbindet die in der Wandung

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angebrachte öffnung für das Wärmerohr 10 mit der Oberfläche 48 der Verbrennungskammer 44. Diese Auskehlung 50 nimmt den kegelstumpfförmigen ringartigen Ansatz an dem verdickten Endbereich 16 des rohrförmigen Körpers 12 auf und hat zusätzlich die Aufgabe.eine Bruchgefahr der Kante zwischen der Öffnung für das Wärmerohr 10 und der Oberfläche 4S der Wandung 46 der Verbrennungskammer 44 zu vermeiden. Biese Anordnung beseitigt auch die Gefahr, daß das Wärmerohr 10 infolge der während des Betriebes des Motors in der Verbrennungskammer herrschenden hohen Drücke aus der in der Wandung 46 angebrachten Öffnung herausgedrückt wird. Die konische Oberfläche der Auskehlung 50 und die des ringförmigen Ansatzes 18 müssen selbstverständlich sehr genau ineinandergreifen. Das gleiche gilt für die Wand der Öffnung, die das Wärmerohr 10 aufnimmt und die äußere Oberfläche des verdickten Endbereiches 16 des rohrförmigen Körpers 12, die mit ihr in Eerührung steht, um einen gasdichten Verschluß, einen guten thermischen Kontakt und eine wirksame Wärmeübertragung von der Wandung 46 des Zylinderkopfes 34 zu dem Wärmerohr 10 sicherzustellen.

Der mittlere Bereich 32. des rohrförmigen Körpers 12 und das durch den Stopfen 24 verschlossene Ende des Wärmerohres 10 tauchen in die normale Kühlflüssigkeit des Motors ein und zwar in einem Bereich, in dem diese, wie aus Fig. 2 erkennbar, aktiv zirkuliert. Wenn das Wärmerohr 10 bei einem Motor verwendet wird, dessen normales Kühlmedium eine Flüssigkeit ist, kann die äußere Oberfläche des mittleren Teiles 52 glatt ausgebildet sein, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Falls es sich hingegen um einen luftgekühlten Motor handelt, ist die Außenwandung des mittleren Teiles 52 vorzugsweise mit (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Kühlrippen versehen, die durch Vergrößerung der Berührungsfläche einen besseren thermischen Kontakt gewährleisten.

Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die Dicke der Wandung 46 der Verbrennungskammer lokal durch einen Vorsprung 54 verstärkt

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ist. Der Zweck dieser Wandverstärkung besteht darin, die Kontaktfläche zwischen dem Wärmerohr 10 und der Wandung 46 zu vergrößern. Es versteht sich, daß diejenigen Oberflächen des Wärmerohres 10, die Wärme an die kühlere Umgebung abgeben sollen, dem jeweiligen Zweck entsprechend groß gewählt sein müssen, indem die größtmögliche Länge des Wärmerohres dem Kühlmittel ausgesetzt wird, d.h. indem die wärmeabgebenden Teile des Wärmerohres innerhalb der durch die übrige Konstruktion gegebenen Grenzen so lang wie möglich gemacht wird.

Die Wirkung des vorangehend als Ausführungsbeispiel der Erfindung beschriebenen Wärmerohres 10 ist in zweifacher Hinsicht verbessert: Zunächst nimmt das Wärmerohr 10 Wärme direkt mit der Stirnfläche 20 auf; darüber hinaus absorbiert es Wärme durch den Wärmekontakt mit der Oberfläche der in der Wandung 46 des Zylinderkopfes 44 angebrachten Öffnung, in die es mit seinem verdickten Endbereich 16 im Preßsitz eingebracht ist und die präzise Berührung mit der konischen Auskehlung 50. Infolgedessen geben alle Wandbereiche, die in der Nachbarschaft der das Wärmerohr 10 beherbergenden Öffnung liegen, Wärme an dieses ab, so daß sich das Wärmerohr 10 wie eine außerordentlich wirksame Kühlrippe verhält, die die Temperatur des umgebenden Metalles beträchtlich herabsetzt.

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Claims

Patentansprüche

Wärmerohr zur Temperaturerniedrigung in thermisch belasteten Bereichen von Maschinen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, durch Verbindung eines erhitzten Bereiches mit einer Umgebung zur Wärmeabgabe, mit einem eine Flüssigkeit enthaltenden röhrenförmigen Körper, der mit einem zentralen rohrleitungsartigen Raum und an seiner Innenwandung mit einem kapillaren Zwischenraum versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der kapillare Zwischenraum (28) und der rohrleitungsartige Raum (32) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, daß die Wandung des rohrförmigen Körpers einen nach außen verdickten Bereich (16) aufweist, der an eines seiner Enden angrenzt, und daß dieses Ende einen ringförmigen abschließenden Ansatz (18) besitzt, der einen Tellerkopf bildet, mittels dessen das Eindringen des rohrförmigen Körpers (12) in eine in einer Wandung (46) der Maschine befindliche Öffnung begrenzt ist.

Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kapillare Zwischenraum (28) von dem zentralen rohrleitungsartigen Raum (32) durch einen z.B. aus einem Drahtnetzgewebe gebildeten maschensrtigen Zylinder getrennt -ist.

3. Wärmerohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Kaschenzylinders (26) eine lagebestirnmende Schraubenfeder (30) vorgesehen ist, mittels derer der Maschenzylinder (26) in dem rohrförmigen Körper (12) in seiner Position gehalten ist.

4. Wärmerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nach außen verdickte Bereich (16) des rohrförmigen Körpers (12) eine hinreichende Wandstärke besitzt, um der beim Einpressen in die in der Wandung der Maschine befindliche Öffnung auftre-

. tenden Kraft standzuhalten.

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5. Wärmerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der ringförmige abschliessende Ansatz (15) einen kegelstumpfförmigen Querschnitt besitzt, der in eine entsprechend ausgeformte Auskehlung (50) an der Mündung der in der Wandung der Maschine befindlichen öffnung eingreift.

6. Wärmerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nach außen verdickte Bereich (16) des rohrförmigen Körpers (12) in einer Stirnfläche (20) endet, die senkrecht zur zentralen Achse (22) des rohrförmigen Körpers (12) orientiert ist.

7. Wärmerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem verdickten Enabereich (16) gegenüberliegende Ende des rohrförmigen Körpers (12) hermetisch verschlossen ist.

8. Wärmerohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Körper (12) des Wärmerohres (10) an seiner Außenfläche mit Ausnahme des verdickten Endbereiches (16) mit Kühlrippen versehen ist.

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