DE3805692A1 - Waermetauscher mit oel als waermeabgebendes medium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit Öl als wärmeabgebendes Medium gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In vielen Einsatzfällen, insbesondere bei Hochleistungs­ brennkraftmaschinen, werden Ölwärmetauscher zur Kühlung des Schmier- bzw. Kühlöls oder als Heizungswärmetauscher eingesetzt.

Im allgemeinen werden Wärmetauscher aus Wirtschaftlich­ keitsgründen leicht und kompakt gebaut. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen treten bei den Wärmetauschern soge­ nannte "Kaltölverstopfungen" ein. Dadurch kann die für die Motorfunktion unerläßliche Ölversorgung der Schmierung bzw. Kühlung während der Start- und Kaltlaufphase er­ heblich gestört werden oder sogar ganz ausbleiben, wodurch u.a. erhöhter Lagerungsverschleiß oder Kühlungsmangel auftreten kann. Versucht man dagegen die ölführenden Kanäle zu entdrosseln, um einer "Kaltölverstopfung" ent­ gegenzuwirken, so durchströmt später das warm gewordene Öl den Wärmetauscher so schnell, daß der gewünschte Kühl­ effekt nicht oder nur in begrenztem Maß erreicht werden kann. Eine Hilfsmaßnahme schaffen Turbulenzeinlagen, die innerhalb der ölführenden Kanäle eingesetzt werden konnen, um den Wärmeübergang auf das kühlende Medium zu steigern (vergleiche die Konstruktion schnellaufender Verbrennungs­ motoren, H. Mettig, Bild 200 auf Seite 299).

Die oben beschriebenen Turbulenzeinlagen verbessern zwar im warmen Ölzustand die Kühlintensität des Wärmetauschers weitgehend, sind jedoch in der Startphase bei kaltem Öl nachteilig, da sie die Bildung von "Kaltstopfen" innerhalb der ölführenden Kanäle begünstigen und wirken darüber hinaus strömungsverhindernd, gerade in dieser kalten Öl­ phase, wo das Öl schnell und rasch zum Motor hin ab­ transportiert werden muß. Fließt endlich nach der Warm­ laufphase etwas Öl durch den Ölkühler, so kann diese Menge so gering, und die Verweildauer innerhalb des Wärme­ tauschers so lang sein, daß aufgrund der Rückkühlung durch das Kühlmedium nicht auszuschließen ist, daß die Ver­ stopfung bestehen bleibt und somit auch bei heißem Motor keine ausreichende Kühlung zustande kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakt eingebauten Wärmetauscher zu schaffen, dessen ölführende Kanäle bei kaltem Öl einen zufriedenstellenden Öldurchfluß erlauben, ohne auf eine positive Turbulenzwirkung bei warmem Ölzustand zu verzichten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kenn­ zeichnende Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die innerhalb der ölführenden Kanäle eingesetzten Turbu­ latoren sind erfindungsgemäß ganz oder zum Teil aus temperaturabhängig sich verformendem Werkstoff (Bi-Metall oder Memory-Legierung) hergestellt, und bilden in ihrer Ausgangsform bei kaltem Anfahrzustand des Motors bzw. bei niedrigen Öltemperaturen und hoher Ölviskosität mit der Innenwand des jeweiligen Ölkanals eine ebene Fläche auf, so daß deren Turbulenzwirkung unterbunden bleibt, und der Strömungswiderstand für das kalte Öl im Wärmetauscher auf ein Minimum herabgesetzt wird. Auf diese Weise bleibt im kalten Zustand des Motors die Bildung von "Kaltstopfen" aus, und das kalte Öl kann dann mit relativ geringem Druck den Wärmetauscher sogar ohne Zuhilfenahme von Kurzschluß­ leitung passieren, und ohne dabei wegen zu langsamer Durchströmung durch das wärmeaufnehmende Medium wieder auf den kalten Zustand im Wärmetauscher zurückgekühlt zu werden.

Tritt nun nach der ersten Laufphase vermehrt erwärmtes Öl in den Wärmetauscher ein, so reagieren die temperatur­ abhängigen Einsätze darauf, indem sie sich von dem ebenen Zustand hochheben und erhöhen somit die Verweildauer des Öls innerhalb des Wärmetauschers mit dem Ergebnis eines wirkungsvollen Wärmeübergangs auf das kühlende Medium.

Bei extrem kalten Umgebungstemperaturen kann man alle ölführenden Kanäle gemäß Anspruch 2 mit Turbulatoren, die sich temperaturabhängig verformen, ausrüsten. Vorteilhaft ist dabei insbesondere die Tatsache, daß die gesamten Strömungsquerschnitte der ölführenden Kanäle zum einen bei kaltem Ölzustand widerstandsarm bleiben, so daß ein zügiger Öldurchlauf erreicht werden kann, und zum anderen bei Erreichen einer hohen Öltemperatur die steigende Verweildauer durch in Aktion auftretende Turbulatoren eine ausreichende Wärmeübertragung ermöglichen, ohne daß zu­ sätzlicher Bauraum benötigt wird oder zusätzliche Ventile erforderlich sein müssen.

Je nach Einsatzort des Wärmetauschers sowie je nach Öl­ viskositätsklasse kann zugunsten einer wirtschaftlichen Herstellung eine Gruppe der ölführenden Kanäle gar ohne Turbulatoren belassen werden, während die andere Gruppe wahlweise mit festen Turbulatoren oder mit Turbulatoren aus Bi-Metall oder Memory-Legierungen ausgerüstet werden.

Der Einsatz von Bi-Metallen ist relativ einfach zur Dar­ stellung eines etwa gleichen ölseitigen Druckabfalles im Wärmetauscher, da das Temperaturverhalten der Verformung annähernd linear ist, d. h. die Turbulenzwirkung der Bi-Metalleinsätze nimmt etwa linear mit der Öltemperatur zu und kompensiert dabei den Viskositätsabfall durch die Temperaturerhöhung.

Bei Einsatz von Turbulatoren aus Memory-Legierungen muß mit sprunghafter Formänderung bei bestimmten Temperaturen gerechnet werden, da diese bei Erreichen einer dafür charakteristischen Temperatur ihre bisherige Form sprung­ haft ändern, d. h. ausgehend von niedrigen Öltemperaturen im Wärmetauscher bis zu diesen Temperaturen wird mit zu­ nehmenden Öltemperaturen der Widerstand zunächst abnehmen und dann nach der Formänderung ebenfalls infolge der plötzlich vorliegenden Turbulenzen ansteigen und dann mit weiter steigender Öltemperatur wieder abfallen.

Die Abstimmung dieser bestimmten Formänderungs-Temperatur erfolgt sinnvollerweise derart, daß sie auf einen Punkt nach Erreichen einer ausreichenden ölseitigen Durch­ strömung gelegt wird, die keine Rückkühlung des Öls im Wärmetauscher auf Temperaturen mit kritischen Viskositäten und dementsprechend unzulässig hohem Widerstand ermöglicht.

Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, mehrere Memory-Metall-Einsätze mit unterschiedlichen, aufeinander abgestimmten Formänderungstemperaturen zu verwenden, der­ art, daß die einzelnen Einsätze jeweils nur einen Teil der turbulenzerzeugenden Einrichtungen aufweisen, womit mehrere kleinere Drucksprünge über den Bereich der steigenden Öltemperatur verteilt vorliegen und damit die Widerstandsoptimierung besser gelingen kann.

Eine Abstimmung der zu erwartenden Ölviskosität in der Kälte und den turbulenzfreien Widerständen des Wärme­ tauschers sowie der daraus resultierenden Durchflußmengen im Hinblick auf die Ausbildung des Wärmetauschers ist derart zu vollziehen, daß das Verhältnis zwischen turbulenzfreien Strömungsquerschnitten in der Kälte und turbulenzbehaftetem Betrieb in der Wärme, wo eine hohe Leistung mit hohem Wärmetauscherwirkungsgrad verlangt wird, ein Optimum ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­ nungen verwiesen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einem Ölkreislauf einer Brennkraftmaschine mit Ölwärmetauscher und Bypassventil,

Fig. 2 Kennlinien der Maschine, des Ölwärme­ tauschers und des Bypassventils,

Fig. 3 einen Schlangenrohrwärmetauscher mit inner­ halb der Rohrschlange verteilten Bereichen mit hohem und mit niedrigem Öldurchfluß­ widerstand,

Fig. 4 eine Wärmetauschereinheit mit temperatur­ abhängig wirkendem Turbulenzeneinsatz bei kaltem und bei warmem Ölzustand,

Fig. 5 einen schematischen Aufbau temperatur­ abhängig wirkenden Turbulatoreinsatz mit Bi-Metallwirkung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung von einem Turbulatoreinsatz mit Memory-Legierungseffekt,

Fig. 7 Diagramm zur Darstellung der Wirkungsweise eines Turbulatoreinsatzes aus Bi-Metall, wo die Wärmetauscherfunktion vom Start der Brennkraftmaschine an über einer Zeit t dargestellt ist,

Fig. 8 wie Fig. 7, jedoch einen Wärmetauscher, dessen Kanäle mit Turbulatoreinsätzen mit Memory-Legierungseffekt bestückt sind.

In Fig. 1 ist eine Ölwanne 13 einer Brennkraftmaschine dargestellt, von der aus über eine Zuflußleitung 9 Öl zum Zuflußraum 7 eines Wärmetauschers 1 hinfließt. Das durch die Kanäle der Wärmetauscher-Teile 2 und 3 fließende Öl gibt einen Teil seiner Wärme an das am Wärmetauscher quer­ strömende wärmeaufnehmende Medium ab und gelangt dann im gekühlten Zustand zum Abflußraum 8 des Wärmetauschers, um von dort über die Leitung 10 wieder zur Ölwanne zu fließen. Die Anlage ist mit einem Drosselventil 6 und mit einer mit Sicherheitsventil 12 ausgerüsteten Bypassleitung 11 abgesichert, was jedoch für die Funktion des erfindungsmäßigen Wärmetauschers nicht relevant ist. Eine Ausrüstung der ölführenden Kanäle mit Turbulenzeinlagen ist vorgesehen, um den Wärmeübergang bei heißgewordenem Öl zu verbessern und somit die Kühlung desselben zu inten­ sivieren. Die ölführenden Kanäle der beiden Teile 2 und 3 des Wärmetauschers sind mit Turbulatoren aus Bi-Metall oder aus Memory-Legierung ausgerüstet, die in ihrer An­ fangsform bei kaltem Ölzustand in einer Ebene mit der Innenwandung der ölführenden Kanäle liegen und keinerlei Turbulenzwirkung verursachen. Die Strömung des kalten Öls im Wärmetauscher wird dadurch wesentlich begünstigt und die durchfließende Ölmenge kann mit einen relativ geringen Druck aus dem Wärmetauscher herausgedrückt werden. Das Öl kann somit innerhalb kürzester Zeit in ausreichender Menge den Wärmetauscher öfter und schneller passieren ohne dabei aufgrund zu langsamer Durchströmung durch das kühlende Medium auf den kalten Zustand im Wärmetauscher vollends zurückgekühlt werden.

Eine solche Wärmetauscherausführung ist insbesondere beim Einsatz unter extrem kalten Bedingungen sehr vorteilhaft, da hiermit die für die Brennkraftmaschine lebensnotwendige Ölversorgung unter diesen Umständen gewährleistet werden kann. Hierbei sind alle ölführenden Kanäle zum einen in der Kälte widerstandsarm und ermöglichen zum anderen bei Erreichen einer ausreichenden Öltemperatur durch die hohe Turbulenz, durch die bei allen Kanälen in Aktion getretene Turbulatoren, eine ausreichende Wärmeübertragung bei einem kompakt gebauten Wärmetauscher, ohne daß zusätzlicher Bauraum mit geringem Wirkungsgrad benötigt wird oder zu­ sätzliche Ventile erforderlich sind.

Entsprechend den Motorumgebungstemperaturen, sowie unter Berücksichtigung der Ölviskosität können die ölführenden Kanäle des Wärmetauschers nur teilweise mit Turbulatoren aus Bi-Metall oder Memory-Legierung bestückt werden. Dabei kann ein Teil der ölführenden Leitung frei bleiben oder mit herkömmlichen Turbulatoren ausgerüstet werden.

Fig. 2 zeigt mögliche Kennlinien der Ölvolumenströme bei geöffnetem Drosselventil 6, wobei der aus der Maschine austretende Ölstrom (Kurve 22) mit einem Betriebszustand, hier ist die Drehzahl angenommen, linear für den kalten und warmen Betriebszustand ansteigt, der Ölvolumenstrom des Ölwärmetauschers herkömmlicher Bauart steigt steil, parabolisch mit dem Druckgefälle bei warmem, niedrig­ viskosem Öl (Kurve 23) und flach, parabolisch bei kaltem, hochviskosem Öl (Kurve 24) während bei der erfindungs­ gemäßen Ausführung der Ölvolumenstrom gemäß Kurve 31 ver­ läuft. Der Verlauf des Ölvolumenstroms des Bypassventils (Kurve 25) ist sehr steil und annähernd viskositäts­ unabhängig, wobei der Öffnungsdruck 27 des Ventils im Bereich des maximal zulässigen Betriebsdruckes des Öl­ wärmetauschers liegt. Der Auslegungszustand für den Nenn­ betriebszustand des Wärmetauschers liegt für den zu­ lässigen Druck 26 und den sich daraus ergebenden Öl­ volumenstrom fest.

Das Zusammenspiel der 3 Komponenten Maschine-Ölwärmetauscher-Bypassventil ist zur Ver­ deutlichung in dem unteren Diagramm dargestellt. Hier liegt für die Maschine der Nennbetriebszustand mit n _nenn und dem sich daraus ergebenden Ölvolumenstrom 28 vor, der für den vorliegenden warmen Zustand einen Druck oberhalb des Öffnungsdruckes des Bypassventiles ergibt und somit das Bypassventil öffnet und seinerseits parallel zum Ölwärmetauscher einen Ölstrom passieren läßt, der den Ölvolumenstrom im Wärmetauscher auf einen niedrigeren Wert 29 absenkt; dabei ist der resultierende Druck 30 am Ölwärmetauscher vernachlässigbar größer als der zulässige Druck 26.

Im kalten Zustand weisen Wärmetauscher herkömmlicher Bauart (mit herkömmlichen Turbulatoren) oft den Nachteil hohen Widerstandes auf, derart, daß der Druck 32 am Wärme­ tauscher im Zusammenspiel mit dem Bypassventil erheblich über dem zulässigen Wert 26 liegt und der Durchfluß er­ wärmten Öles durch den Wärmetauscher 33 unterhalb eines Grenzwertes 34 liegt, unterhalb dessen infolge zu langer Verweilzeiten des erwärmten Öles im Wärmetauscher dieses auf den kalten Zustand des kühlenden Mediums zurückgekühlt wird und damit keine Verminderung im Widerstandsverhalten des Wärmetauschers auftritt. Parallel hierzu fließt der Großteil des erwärmten Öls ungekühlt über das Bypassventil in die Maschine zurück, führt hier zu einer schnelleren Warmlaufphase und aufgrund der mangelnden Kühlung im Nenn­ betriebszustand zu einer Überhitzung, welche Schäden oder sogar die Zerstörung der Maschine zur Folge hat. Die er­ findungsgemäße Ausführung weist in der Anfangsphase bei kaltem Öl einen niedrigeren Druck 35 auf mit einer er­ heblich höheren Durchflußmenge im Wärmetauscher (zugehöriger Punkt 36 auf Kurve 31), die erfindungsgemäß zur schnellen Erwärmung des gesamten Wärmetauschers führt und somit bei schnellem Warmlauf der Maschine eine aus­ reichende Kühlung ermöglicht.

Eine andere Verteilung der ölführenden Kanäle ist in Fig. 3 bei einem Schlangenrohrwärmetauscher gezeigt, wo die Bereiche mit den Bi-Metall- oder Memory-Legierungsturbulatoren in Abwechslung mit den Bereichen ohne Turbulatoren angeordnet sind. Dabei wird ein Öldurchfluß erreicht, wo der Gesamtwiderstand bei kaltem Öl gerade so gering ist, daß eine ausreichende Durchströmung vorliegt und bei erwärmtem Öl noch eine ausreichende Kühlung ermöglicht wird.

Fig. 4 zeigt einen Wärmetauscherkanalteil mit temperatur­ abhängig wirkendem Turbulenzeinsatz bei kaltem und warmem Ölzustand. Bei noch kaltem Öl liegen die im Einsatz ge­ stanzten Teile an der Rohrwandung flach und verursachen keine oder nur eine geringe Widerstandserhöhung (Pos. 14), wobei sie bei erwärmtem Öl eine zunehmende Turbulenz­ wirkung durch Hervorheben von dem ursprünglichen Zustand verursachen und als Turbulatoren innerhalb des ölführenden Kanals wirken.

Fig. 5 zeigt einen möglichen kostengünstigen Aufbau für eine zweiseitig wirkende Bi-Metallausführung eines Turbulenzeinsatzes, wobei der in Richtung der erwünschten Verformung der Turbulatoren liegende Werkstoffpartner als Blech 14 mit Ausstanzungen 16 vorliegt und beiderseitig mit einem bestimmten Versatz oder einer bestimmten Ver­ drehung zueinander auf einem Grundmaterial 15 aufplattiert oder mittels eines sonstigen geeigneten Verfahrens auf­ gebracht wird, wobei die vorliegenden Ausstanzungen in einem weiteren Arbeitsgang derart ausgeformt sind, daß sie als Bi-Metallzungen 17 vorliegen und dabei beiderseitig bei zunehmender Temperatur als Turbulatoren wirken. Die Zustände der Zungen bei einer niedrigen 17 und einer hohen 18 Öltemperatur sind hier dargestellt. Unterschiedliche Formen und Anordnungen der Turbulatoren sind den jeweiligen Gegebenheiten innerhalb der Strömungsquerschnitte anpaß­ bar.

Fig. 6 zeigt den Ausgangszustand für einschichtige Memory-Metall-Turbulatoren, die als Blech oberhalb einer bestimmten Umwandlungstemperatur eine bestimmte turbulenz­ erzeugende Verformung aufweisen (Pos. 37) und unterhalb dieser den widerstandsarmen Zustand (Pos. 38) zeigen. Der turbulenzerzeugende Zustand wird ab einer für die Memory-Legierung charakteristischen Temperatur erreicht. Form und Anordnung dieser Turbulatoren sind den jeweiligen Gegebenheiten der Strömungsquerschnitte anpassbar.

Durch Kombinationen verschiedener derartiger Bleche mit unterschiedlichen Umwandlungstemperaturen lassen sich Widerstandskennlinien darstellen, die über der zurück­ zukühlenden Öltemperatur im Wärmetauscher ein gegenüber Turbulatoren mit Bi-Metall-Wirkung angeglichenes Verhalten aufweisen, d. h. der Strömungswiderstand des Öls wird sich nicht schlagartig, sondern in abgestimmten Stufen ver­ ändern.

Fig. 7 zeigt das Verhalten eines Wärmetauschers bei Bi-Metall-Einsätzen von der Kaltstartphase bis zum Warm­ laufen der Maschine an über der Zeit t, wobei erfindungs­ gemäß durch Abstimmung des Wärmetauschverhaltens des Öles mit der temperaturabhängigen Verformung der Turbulatoren innerhalb des Wärmetauschers ein etwa konstanter Wider­ stand bei gleichem ölseitigem Durchflußvolumen darstellbar ist. Der Öffnungsdruck des Bypass- oder Sicherheits­ ventiles liegt bei der Stelle P _ö .

Im oberen Teil sind die Verformungszustände eines Turbu­ lators im Wärmetauscher dargestellt, darunter mit durch­ gezogener Linie der Druckabfall d _p am Wärmetauscher, gestrichelt die Öleintrittstemperatur t _Öl in den Wärme­ tauscher und strichpunktiert die Öldurchflußmenge Q _Öl im Wärmetauscher über der Zeit t bis zu der Temperatur­ stabilisierung der Brennkraftmaschine dargestellt.

Bild 8 zeigt das Wärmetauscherverhalten analog zu Bild 7 jedoch bei Turbulatoren mit Memory-Metall-Effekt vom Start der Maschine an bis die Öltemperatur sich stabilisiert hat über der Zeit t, wobei erfindungsgemäß durch Abstimmung des Wärmetauschverhaltens des Öles mit der temperatur­ abhängigen Verformung, d. h. mit dem Umwandlungs­ temperaturbereich t _u der Turbulatoren der Durchfluß­ widerstand bei kaltem Öl niedrig gehalten wird und mit zunehmender Öltemperatur im Wärmetauscher ein Öldurchfluß­ anstieg bis zur Verformung der Turbulatoren vorliegt und anschließend nach einer Öldurchflußverringerung wieder ein Öldurchflußanstieg bis zum konstanten Zustand erreicht wird. Der Öffnungsdruck des Bypass- oder Sicherheits­ ventiles liege bei p _ö .

Im oberen Teil sind wiederum analog zu Fig. 7, die Ver­ formungszustände eines Memory-Legierungsturbulators im Wärmetauscher dargestellt, darunter mit durchgezogener Linie der Druckabfall d _p am Wärmetauscher, gestrichelt die Ölteintrittstemperatur t _Öl in den Wärmetauscher und strichpunktiert die Öldurchflußmenge Q _Öl im Wärme­ tauscher über der Zeit t dargestellt.

Durch Kombination mehrerer Turbulenzeinsätze aus ver­ schiedenen Memory-Legierungen mit unterschiedlichen Um­ wandlungstemperaturen lassen sich Druck- und Durchfluß­ verhalten des Öles denen der Turbulatoren mit Bi-Metallwirkung annähern.

Mit dem Einsatz von Turbulatoren innerhalb der ölführenden Teile des Wärmetauschers, die aus temperaturabhängig sich verformenden Werkstoffen hergestellt sind, kann man inner­ halb des Wärmetauschers bei kaltem Öl einen zufrieden­ stellenden Öldurchfluß erreichen ohne auf eine positive Turbulenzwirkung bei warmem Ölzustand zu verzichten.

Claims (7)

1. Wärmetauscher mit Öl als wärmeabgebendes Medium, insbesondere als Ölkühler für eine Brennkraftmaschine, mit zwischen einem Zufluß- (7) und einem Abflußraum (8) an­ gebrachten, ölführenden Kanälen, die zumindest zum Teil mit Turbulenzeinlagen bestückt und von außen von einem kühlenden Medium durchströmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Turbulenzeinlagen aus temperaturabhängig sich verformendem Werkstoff bestehen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle ölführenden Kanäle des Wärmetauschers mit Turbulatoren aus temperaturabhängig sich verformendem Werkstoff ausgerüstet sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der ölführenden Kanäle des Wärmetauschers mit Turbulatoren aus temperatur­ abhängig sich verformendem Werkstoff ausgerüstet ist.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängig sich verformenden Turbulatoren aus Bi-Metall hergestellt sind.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängig sich verformenden Turbulatoren aus Memory-Legierung hergestellt sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulatoren aus Memory-Legierung aus unterschiedlichen Legierungseinsätzen bestehen.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalteil mit den Bi-Metall- oder Memory-Legierungsturbulatoren im Eintrittsbereich des kühlenden Mediums angeordnet ist.