DE3319521C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für flüssige Me­ dien, bestehend aus zwei scheibenförmigen Kanalräumen beider­ seits einer gemeinsamen Trennwand.

Für Wärmeaustauscher, bei denen die Warmeübertragung zwischen zwei flüssigen Medien erfolgt, sind eine Fülle von Anwendungs­ beispielen, auch solche mit stationärem Einsatz, bekannt. Bei­ spielsweise sind derartige Wärmeaustauscher Motoren, Verdich­ tern und Pumpen zugeordnet oder werden in der Getriebetechnik eingesetzt. Sie finden ferner Verwendung bei ölhydraulischen und pneumatischen Antrieben, bei Bremsen, in der Verfahrens­ technik und selbstverständlich für Kühl- und Heizzwecke.

Die Grundbedingungen, die an die Konstruktion eines jeweils ge­ eigneten Wärmeaustauschers gestellt werden müssen, sind im we­ sentlichen gleich und seit langem bekannt. So ist im allgemei­ nen ein möglichst niedriges Bauvolumen/Wärmeaustauschflächen- Verhältnis, also eine möglichst kompakte Bauform mit einem ho­ hen wärmetechnischen Wirkungsgrad bzw. einer hohen Wärmeüber­ tragungsleistung bei möglichst geringen Druckverlusten anzu­ streben.

Offensichtlich ist jedoch eine konstruktive Optimierung solcher Wärmeaustauscher bezüglich der genannten Bedingungen, aber auch bezüglich einer vielseitigen Verwendbarkeit und einer aufwand­ minimierten Fertigung bisher deshalb noch nicht in der erfor­ derlichen konsequenten Weise erfolgt, weil derartige Wärmeaus­ tauscher vielfach als untergeordnete Aggregate, sozusagen als notwendiges Übel, angesehen worden sind und nicht als eigen­ ständiges Produkt.

So ist beispielsweise ein Wärmeaustauscher bekannt, der ein Ge­ häuse mit quer zur Gehäuseachse ausgebildeten Anschlußöffnungen für den Kühlkreislauf, einen vom Kühlmedium umspülten, als Rohrbündel ausgebildeten und in Achsrichtung im Gehäuse ange­ brachten Einsatz sowie den Rohröffnungen zugeordnete Ein- und Ausströmöffnungen für den Warmkreislauf aufweisende Flansche vorsieht. Eine andere Ausführungsform eines Wärmeaustauschers ist gemäß der DE-A 31 07 141 dadurch gekennzeichnet, daß in ein erstes Rohr ein zweites Rohr eingefügt ist, wobei zwischen den beiden Rohren ausreichend Raum für vorzugsweise den Warm­ kreislauf besteht, während der Kaltkreislauf im Innenrohr strömt und daß die beiden Rohre gemeinsam zu einer Spüle geformt sind.

Die beiden genannten Ausführungen sind nun, insbesondere weil sie unübliche und bei ein und demselben Produkt teilweise weit­ gehend voneinander verschiedene Fertigungsverfahren erfordern, nicht nur fertigungs- und montagetechnisch aufwendig und daher bestenfalls für Kleinserien geeignet, sie sind auch aufgrund ungünstiger Form in ihrer Handhabung am Einbauort unhand­ lich und sperrig, in gewissen Einbausituationen im Kraftfahr­ zeug auch schwingungsempfindlich und entsprechen in keiner Weise der technisch ästhetischen Gestalt, die von einem eigen­ ständigen Produkt erwartet wird. Außerdem treten insbesondere beim letztgenannten Ausführungsbeispiel funktionelle Mängel auf, die auf unkontrollierbare Querschnittsverengungen bei der Her­ stellung der Rohr in Rohr Spule beruhen.

Mit der US-B-27 36 533 ist ein Wärmetauscher bekannt geworden, welcher im Vergleich mit den vorstehenden Lösungen infolge einer kompakteren, scheibenförmigen Bauform eine günstigere Einbaufähigkeit bietet. Dabei sind beidseitig einer Trenn­ wand spiralig umlaufende Kanäle ausgebildet, welche stirn­ seitig durch Seitenwangen unter Zwischenlage von geeigneten Dichtungen abgedichtet sind. Durch die Vielzahl von mitein­ ander zu verbindenden Bauteile eignet sich diese Lösung ebenfalls nicht für eine Serienfertigung. Ferner ist der thermische Kontakt zwischen den beiderseits der Trennwand befindlichen und sich lediglich in der Spiralebene berühren­ den Kanäle ungünstig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, einen Wärmeaus­ tauscher zu schaffen, der, um einem möglichst breiten Anwendungsbereich gerecht zu werden, sowohl funktionell eine Leistungssteigerung gegenüber dem Stand der Technik bietet, als auch in Großserie, d. h. zu einem wesentlichen Teil gießtechnisch herstellbar und möglichst auch mechanisch montierbar sein soll.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß die Kanalräume durch quer zur Trennwand angeordnete, mehrfach spiralig umlaufende Stege in jeweils zwei trennwandparallel verlaufende Känäle aufgeteilt sind und daß jeweils ein Kanal des einen Kanal­ raumes mit einem Kanal des anderen Kanalraumes durch eine Öffnung in der Trennwand fluidisch gekoppelt ist.

In Ausgestaltung der gefundenen Lösung wird vorgeschlagen, daß die Kanalräume einem Rahmen zugeordnet sind, derart daß sich in der Mittenebene des Rahmens die Trennwand befindet, daß die Stirnflächen der beiderseits an der Trennwand angeformten Stege und die Stirnflächen des Rahmens jeweils in einer trenn­ wandparallelen Ebene liegen und daß jeder Stirnseite des Rah­ mens eine dichtende Stirnwand zugeordnet ist.

Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegen­ standes sieht vor, daß die den Kanälen zugeordneten Ein- und Ausströmöffnungen trennwandparallel den Kanalräumen zugeordnet sind.

Der entscheidende Vorteil, den die gefundene Lösung bietet, ist einerseits in der Vermeidung komplizierter Gehäuseformen, also in dem weitestgehend vereinfachten, konstruktiven Aufbau für einen derartigen Wärmeaustauscher, andererseits aber auch in der strömungstechnisch günstigen, inneren Gestaltung sowie einer einbaufreundlichen, äußeren Form zu sehen. Aufwendi­ ge Fertigungs- und Montageverfahren (Löten, Biegen u. a.) sind vermieden, und das Aggregat kann auch in Großserie gut repro­ duzierbar gefertigt und maschinell montiert werden. Von beson­ derer Bedeutung ist daher die Tatsache, daß zur Komplettierung des Wärmeaustauschers an dem als ein einziges Teil spritz­ oder druckgußtechnisch herstellbaren Kanalkörper lediglich zwei plattenförmige Deckel bzw. Seitenwände mit zwischengelagerten Dichtungen angebracht werden müssen. Dabei lag dieser Gestal­ tung die Erkenntnis zugrunde, daß, da die Wärmeabgabe durch Ab­ strahlung und durch Wärmeleitung nach außen vernachlässigbar ist, für die Wärmeübernahme durch das kältere Medium nicht not­ wendigerweise ein hochwärmeleitfähiger Werkstoff erforderlich ist, sondern daß möglichst große Kontaktflächen an den von je­ weils beiden Medien berührten Kanalwänden entscheidend sind. Diese Erkenntnis führte, abgesehen davon, daß der Wärmeaus­ tauscher in bestimmten Anwendungsfällen auch aus einem geeig­ neten Kunststoff hergestellt sein kann, zu einer konsequenten Optimierung des Bauraum/Wärmeaustauschflächen-Verhältnisses, d.h. bei einem gegebenen wärmetechnischen Wirkungsgrad zu einem Wärmeaustauscher mit niedrigem Kanalquerschnitt und dem­ gemäß einem überraschend geringen Bauraum. Dabei bietet die konstruktive Gestaltung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers durch die gewählte, spiralige Kanalführung, bei der Strömungs­ hindernisse, wie Sackbohrungen und Verschneidungen vermieden sind, die Voraussetzung für eine weitgehend laninare Strömung der beiden Medien und somit die Gewähr für relativ niedrige Druckverluste. Außerdem eignet sich die gefundene Lösung für eine Batterieanordnung, mit der die Druckverluste noch weiter reduzierbar wären.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise angeschnittene Ansicht des vorgeschlagenen Wärmeaustauschers,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Kanalkörpers mit einem Ausschnitt gemäß der Schnittlinien A, B in Fig. 1.

Wie Fig. 1 zeigt, ist mit 1 ein Kanalkörper bezeichnet, dem beidseitig jeweils eine Dichtung 2 und eine Abdeckplatte 3 zu­ geordnet und mittels geeigneter Schraubverbindungen - eine der verwendeten Schrauben ist mit 4 bezeichnet - mit dem Kanalkör­ per 1 fest und lecksicher verbunden sind. Vier Gewindeeinsätze, von denen in Fig. 1 zwei, 5 und 6, sichtbar sind, dienen dem Anbringen von in den anzuschließenden Schlauchleitungen des Warm- und des Kühlkreislaufes vormontierten, mit einer Über­ wurfmutter versehenen, der Vollständigkeit halber strichpunk­ tiert angedeuteten Schlauchanschlußstutzen.

Der Kanalkörper 1, der im folgenden anhand der Fig. 2 näher be­ schrieben sein soll, weist einen mit einem niedrigen U-Profil ausgebildeten Rahmen 7 und eine in der Mittenebene des Rah­ mens 7 ausgebildete Trennwand 8 auf, die den durch den Rahmen 7 umrissenen Bauraum in zwei nicht näher bezeichnete Kanalräume trennt. Jedem der Kanalräume sind zwei Gewindebohrungen 9, 10, 11 und 12 für die Aufnahme der bereits erwähnten Gewindeein­ sätze 5, 6 zugeordnet, d.h. daß diese Gewindebohrungen in vor­ teilhafter Weise jeweils in Ebenen parallel zur Trennwand 8 ausgebildet sind und somit eine flache Bauform des Wärmeaus­ tauschers sowie eine relativ einfache und übersichtliche Mon­ tierbarkeit auch der Leitungsanschlüsse erzielt ist. Beider­ seits der Trennwand 8, und zwar im rechten Winkel zu dieser, sind, wie der Fig. 2 weiter entnommen werden kann, um 180° ge­ geneinander versetzt jeweils zwei relativ dünnwandige Stege 13 und 14 bzw. 15 und 16 angeformt. Die Stege 13, 14, 15, 16 ge­ hen jeweils aus vom Rahmen 7 und enden nach mehreren spirali­ gen Windungen an einem innenliegenden Kern 17 des Kanalkör­ pers 1. Mit 18 ist eine in dem Kern 17 vorgesehene, zentrale Durchgangsöffnung für eine weitere die Abdeckplatten 3, die Dichtungen 2 und den Kanalkörper 1 verbindende Schraube 4 be­ zeichnet. Ebenso sind die in den nicht näher bezeichneten Schenkeln des Rahmens 7 ausgebildeten Öffnungen - stellvertre­ tend seien zwei einander zugeordnete, mit 19 und 20 bezeich­ net - den Schrauben 4 der Schraubverbindungen zugeordnet, wäh­ rend durch die Trennwand 8 hindurchgreifende Öffnungen 21 und 22 das Übertreten der Flüssigkeitsströme von dem einen Kanalraum des Kanalkörpers 1 in den anderen ermöglichen.

Anhand der Fig. 2, also des offenen Kanalkörpers 1, soll der Flußverlauf im folgenden näher beschrieben werden: Wird bei­ spielsweise der Warmkreislauf an der Einströmöffnung 9 ange­ schlossen, strömt die zu kühlende Flüssigkeit in eine in dem Kanalkörper 1 ausgebildete Kammer 23, die sich zu einem Kanal 24 verjüngt. Der Kanal 24, dessen seitliche Begrenzung zunächst durch die Innenwand des Rahmens 7 und den Steg 13 gegeben ist, wird in seinem weiteren Verlauf von den Stegen 13 und 14 be­ grenzt und endigt in der Öffnung 21. Über die Öffnung 21 ge­ langt nun die zu kühlende Flüssigkeit durch die Trennwand 8 hindurch in einen auf der Gegenseite der Trennwand 8 gelegenen, durch die Stege 15 und 16 begrenzten, deckungsgleich mit dem Kanal 24 umlaufenden Kanal 25. In diesem strömt die zu kühlen­ de Flüssigkeit von innen nach außen und verläßt (Pfeil) den Wär­ meaustauscher durch die Ausströmöffnung, nachdem sie eine der Kammer 23 deckungsgleich gestaltete, jedoch nicht näher be­ zeichnete Kammer passiert hat. Desgleichen wird, wenn der Kühl­ kreislauf an der Einströmöffnung 12 angeschlossen wird - der Betrieb erfolgt vorzugsweise im Gegenstrom - die Kühlflüssig­ keit über eine der Kammer 23 entsprechende Kammer 26 in den sich anschließenden Kanal 28 einströmen, der ebenfalls durch die Stege 15 und 16 geformt wird. Die Kühlflüssigkeit wird durch den Kanal 28 auf einer spiraligen Bahn und, wie der Zeichnung entnommen werden kann, in engem Kontakt mit dem Warmkreislauf nach innen geführt und tritt über die in der Trennwand 8 befindliche Öffnung 22 in den durch die Stege 13 und 14 gebildeten Kanal 29 auf der entgegengesetzten Seite der Trennwand ein. Der Kanal 29 endet seinerseits in einer deckungsgleich mit der Kammer 26 ausgebildeten Kammer 27, wel­ cher die Ausströmöffnung 11 des Kühlkreislaufes zugeordnet ist.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß die nicht nä­ her bezeichneten Stirnflächen der Stege 13 und 14 bzw. 15 und 16 sowie jeweils eine Stirnfläche des Rahmens 7 in jeweils einer Ebene liegen und daß die Dichtungen 2, die beispielsweise an den Abdeckplatten 3 anvulkanisiert sein können, diesen Ebenen zugeordnet sind.

Selbstverständlich wäre eine Lösung denkbar, deren Kanalkörper lediglich dem einen Kanalraum des beschriebenen Kanalkörpers 1, möglicherweise in einer tieferen Ausführung, entspricht. Aller­ dings wäre damit eine wiederum relativ sperrige Ausführungsform in Kauf zu nehmen, da zwei Leitungsanschlüsse senkrecht zu dem im allgemeinen scheibenförmigen Kanalkörper zugeführt werden müßten.

Ebenso könnte auch die technische Umkehr der vorgeschlagenen Lösung realisiert werden, d.h. es wären zwei Gehäuseschalen in einer den beiden Kanalräume des Kanalkörpers 1 entsprechenden Ausbildung unter Zwischenlage einer geeigneten Dichtung zusam­ menzufügen. Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch, daß zwei spiegelbildliche Formen erforderlich sind, wenn, wie im vor­ stehend beschriebenen Falle, die spiralig verlaufenden Kanäle im zusammengebauten Zustand deckungsgleich verlaufen sollen.

Claims (4)

1. Wärmeaustauscher für flüssige Medien, bestehend aus zwei scheibenförmigen Kanalräumen beiderseits einer gemeinsa­ men Trennwand, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kanalräume durch quer zur Trennwand (8) angeord­ nete, mehrfach spiralig umlaufende Stege (13, 14, 15, 16) in jeweils zwei trennwandparallel verlaufende Kanäle (24, 25, 28, 29) aufgeteilt sind und
daß jeweils ein Kanal (24 bzw. 29) des einen Kanalraumes mit einem Kanal (25 bzw. 28) des anderen Kanalraumes durch eine Öffnung (21 bzw. 22) in der Trennwand (8) fluidisch gekoppelt ist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kanalräume einem Rahmen (7) zugeordnet sind, der­ art daß sich in der Mittenebene des Rahmens (7) die Trennwand (8) befindet,
daß die Stirnflächen der beiderseits an der Trennwand (8) angeformten Stege (13, 14, 15, 16) und die Stirnflächen des Rahmens (7) jeweils in einer trennwandparallelen Ebene liegen und
daß jeder Stirnseite des Rahmens (7) eine dichtende Stirnwand (2, 3) zugeordnet ist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kanälen (24, 25, 28, 29) zugeordneten Ein­ und Ausströmöffnungen (9, 10, 11, 12) trennwandparallel den Kanalräumen zugeordnet sind.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Rahmen (7) aus Kunststoff hergestellt ist.