DE3874730T2

DE3874730T2 - Waermeaustauschanordnung zur kuehlung eine maschine.

Info

Publication number: DE3874730T2
Application number: DE8888901966T
Authority: DE
Inventors: Stig Stenlund
Original assignee: Stenhex AB
Current assignee: Stenhex AB
Priority date: 1987-02-24
Filing date: 1988-02-18
Publication date: 1993-02-04
Anticipated expiration: 2008-02-19
Also published as: SE455716B; JPH01502520A; EP0346371B1; AU621289B2; EP0346371A1; ATE80698T1; HUT50517A; DE3874730D1; CA1305128C; US5072784A; SE8700774D0; AU1390088A; WO1988006678A1; JP2704283B2; BR8807379A; HU206533B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung zum Kühlen einer Maschine. Der im vorliegenden Zusammenhang verwendete Begriff "Maschine" dient als Sammelbezeichnung für Maschinen oder Maschineneinheiten einer Bauart, die ein Gehäuse umfassen, in dem bewegliche Bestandteile, die im Betrieb der Maschine angetrieben werden, untergebracht sind und das ein flüssiges Medium, normalerweise ein Schmiermittel oder Hydraulikmittel, umschließt. Beispiele von Maschinen dieser Art umfassen Brennkraftmaschinen, Getriebeeinheiten, Automatikgetriebe, mechanische und hydraulische Kupplungen, andere Arten von Transmissionselementen, hydraulische Pumpen, hydraulische Motoren, Kompressoren etc.
Bei vielen dieser Maschinen besteht die Notwendigkeit, die in der Maschine arbeitende Flüssigkeit zu kühlen. Ein Beispiel einer Anordnung zum Kühlen eines flüssigen Mediums in einem Gehäuse ist in der DE-B-1127668 beschrieben. Diese Anordnung umfaßt einen Wärmetauscher, der in der Außenwand des Gehäuses angeordnet ist und eine äußere Kammer umfaßt, die außerhalb einer Trennwand im Wärmetauscher angeordnet ist. Die äußere Kammer soll von Kühlluft durchströmt werden.
Herkömmlich ausgebildete Wärmetauscher, die für diesen Einsatzzweck als geeignet angesehen werden könnten, arbeiten mit einer turbulenten Strömung. Wenn man einen mit einer turbulenten Strömung arbeitenden Wärmetauscher einsetzen will, der ein geringes Gewicht und ein kleines Volumen besitzt und trotzdem einen hohen Wärmetauschwirkungsgrad aufweist, dann muß der Wärmetauscher mit einem relativ hohen Druckabfall und in vielen Fällen mit einem relativ hohen volumetrischen Durchfluß des zu kühlenden umschlossenen flüssigen Mediums arbeiten. Folglich muß eine Pumpe vorgesehen sein, um den erforderlichen hohen Druckabfall und einen ausreichend großen Volumenstrom des Mediums zu erzeugen. Viele der vorstehend erwähnten Maschinen besitzen jedoch keine Pumpe zum Antreiben des umschlossenen zu kühlenden flüssigen Mediums, oder in denjenigen Fällen, in denen eine Pumpe vorgesehen ist, muß die Pumpe andere Hauptaufgaben erfüllen und kann daher den Anforderungen des Wärmetauschers in bezug auf den Druck und den Volumenstrom der entsprechenden Flüssigkeit nicht gerecht werden. Ein diesbezügliches Beispiel betrifft die Automatikgetriebeeinheiten von Kraftfahrzeugen, bei denen die Hauptaufgabe der vorgesehenen Pumpe darin besteht, das hydraulische Getriebesystem mit dem erforderlichen Druck und dem erforderlichen Strömungsmitteldurchsatz zu versehen. Die Entwicklung von Maschinen der vorstehend beschriebenen Art zielt auch auf solche Maschinen ab, die eine zunehmend höhere Leistung und kompaktere Konstruktion und somit ein geringes Volumen oder eine geringe Masse sowie kleinere Oberflächenbereiche besitzen. Als Folge hiervon besitzen derartige Maschinen geringe eigene Kühlfähigkeiten. Beispiele hiervon sind die Getriebekomponenten von Motorfahrzeugen, bei denen der Bedarf zum Kühlen von einfachen mechanischen Zahnrädern und Getriebeeinheiten zunehmend größer geworden ist. Wenn man solche Maschinen, die entweder keine Pumpe für ihre Hauptfunktion benötigen oder eine Pumpe besitzen, die nur einen relativ begrenzten Druck und nur einen relativ kleinen Volumenstrom erzeugt, mit einer separaten Pumpe versieht, um den Anforderungen eines herkömmlichen Wärmetauschers auf der Basis einer turbulenten Strömung zum Erreichen der gewünschten Kühlung der Maschine gerecht zu werden, entstehen beträchtliche technische Komplikationen,und die Gesamtkosten werden stark erhöht. Aufgrund dieser Tatsache sind Maschinen dieser Art bislang normalerweise nicht mit separaten Kühlanordnungen versehen worden, so daß es daher erforderlich war, sehr hohe Maschinentemperaturen und die hiermit verbundenen Probleme zu akzeptieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmetauscheranordnung zum Kühlen von Maschinen der vorstehend erwähnten Art zu schaffen, die eine einfache und billige Konstruktion besitzt und deren Betrieb nicht die Anordnung einer separaten Pumpe zum Bewegen des zu kühlenden flüssigen Mediums durch den Wärmetauscher erfordert, die jedoch trotzdem einen sehr hohen Wärmetauschwirkungsgrad und damit einen wirksamen Kühlbetrieb ermöglicht.
Die kennzeichnenden Merkmale einer erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscheranordnung sind in den nachfolgenden Patentansprüchen wiedergegeben.
Die Erfindung wird nunmehr in Verbindung mit der schematischen Zeichnung, die eine Reihe von Ausführungsbeispielen der Erfindung zeigt, im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 eine Schnittansicht entlang Linie III-III in Figur 1; und
Figur 4 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die Figuren 1 und 3 zeigen sehr schematisch und beispielhaft eine Ausführungsform der Erfindung. Figur 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Maschine der vorstehend beschriebenen Art, die ein Gehäuse 1 umfaßt, in dem bewegliche mechanische Elemente 2 angeordnet sind. Diese Elemente werden im Betrieb der Maschine angetrieben. Das Gehäuse umschließt ein flüssiges Medium 3, beispielsweise ein Schmiermittel oder Hydraulikmittel. Da die tatsächliche Konstruktion der Maschine für die vorliegende Erfindung keine Bedeutung besitzt, muß diese nicht im einzelnen beschrieben werden, so daß die Maschine daher nur schematisch und im Prinzip erläutert wird. Die Maschine kann beispielsweise aus einem Getriebe oder irgendeiner anderen Form von Transmissionskomponente eines Kraftfahrzeuges bestehen, wobei dieses Getriebe oder diese Transmissionskomponente rotierende Zahnräder und Wellen sowie Schmieröl enthält.
Erfindungsgemäß wird die Maschine durch eine erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung, die allgemein mit 4 bezeichnet ist, gekühlt, welche in einer der Außenwände 5 des Maschinengehäuses 1 untergebracht ist. Die Wärmetauscheranordnung 4 besitzt zwei Kammern 6 und 7, die durch eine flüssigkeitsundurchlässige Trennwand 8, welche einen Teil der flüssigkeitsundurchlässigen Wand des Maschinengehäuses 1 bildet, voneinander getrennt sind. Die Wärmetauschkammer 7, die innerhalb der Trennwand 8 angeordnet ist, wird von der vom Gehäuse 1 umschlossenen Flüssigkeit 3 durchströmt und dient zum Kühlen der Maschine, während die Kammer 6, die außerhalb der Trennwand 8 angeordnet ist, von einem Kühlmittel, d. h. Wasser, durchströmt wird, das über einen Einlaß 9 der Kammer 6 zugeführt wird und diese über einen Auslaß 10 verläßt. Die Wärmeübertragung zwischen der Flüssigkeit 3 und dem Kühlmittel findet somit über die flüssigkeitsundurchlässige Trennwand 8 statt. Diese Wärmeübertragung von der Flüssigkeit 3, wenn die Flüssigkeit durch die Kammer 7 im Wärmetauscher und an der Trennwand 8 entlang strömt, findet nach dem in der internationalen Patentanmeldung PCT/SE 84/00245 beschriebenen Wärmetauschprinzip mit laminarer Strömung der Flüssigkeit 3 in der Wärmeaustauschkammer 7 statt. Hierzu ist die Innenfläche der Trennwand, die zur Kammer 7 weist, mit einer großen Zahl von Rippen 11 versehen, die dazwischen eine große Zahl von Strömungskanälen 12 bilden, die einen länglichen rechteckförmigen schlitzähnlichen Querschnitt besitzen und parallel in bezug auf die hindurchströmende Flüssigkeit (siehe Figur 3) verbunden sind. Die Kammer 7 besitzt einen Einlaß 13, durch den die Flüssigkeit 3 in die Kammer eindringt und aus dem die Flüssigkeit über Verteiler- oder Hilfskanäle 14 mit relativ großer Strömungsfläche zu einer sehr großen Zahl von engen Strömungskanälen 12 geleitet wird, welche durch benachbarte Rippen 11 gebildet werden. Nach dem Passieren der engen Strömungskanäle 12 wird die Flüssigkeit 3 durch Hilfskanäle oder Sammelkanäle 15 mit relativ großen Strömungsquerschnitten zu einem Auslaß 16 geführt, durch den die Flüssigkeit die Kammer 7 verläßt. Die Flüssigkeitsströmung durch die 25 Kanäle 12 ist laminar, und die Kanäle besitzen eine kurze Länge, beispielsweise von 5 - 20 mm. Aufgrund der großen Zahl an vorhandenen Strömungskanälen führt jeder einen sehr geringen Volumenstrom an Flüssigkeit, so daß nur ein kleiner Flüssigkeitsabfall erreicht wird. Die relativ großen Hilfskanäle 14, 15 führen nicht zu einem merklichen Druckabfall. Infolge der sehr großen Zahl von vorgesehenen engen Strömungskanälen 12 wird, relativ gesehen, ein sehr großer Gesamtvolumenstrom durch die Kammer 7 mit einem sehr niedrigen Gesamtdruckabfall vom Einlaß 13 zum Auslaß 16 erreicht. Infolge dieses relativ großen Gesamtvolumenstromes und der extrem guten Wärmeaustauscheigenschaften eines auf diese Weise konstruierten Wärmetauschers wird ein vollständig zufriedenstellender Wärmetauschwirkungsgrad erhalten, ohne daß eine getrennte Pumpe vorgesehen werden muß, um die Flüssigkeit 3 durch die Kammer 7 des Wärmetauschers zu treiben. Somit kann der erforderliche Durchfluß der Flüssigkeit 3 durch die Kammer 7 des Wärmetauschers in der in Figur 1 dargestellten Art und Weise erreicht werden, indem der Wärmetauscher so angeordnet wird, daß der Einlaß 13, durch den die Flüssigkeit 3 in die Kammer 7 eindringt, auf einem höheren Niveau angeordnet ist als der Kammerauslaß 16, und so, daß im Betrieb der Maschine die Flüssigkeit 3 unter dem Einfluß der Bewegung der beweglichen mechanischen Elemente 2, d. h. infolge der Drehbewegung eines rotierenden Zahnrades oder entsprechenden Elementes, zum höheren Niveau des Einlasses 13 gefördert wird. Die auf diese Weise erhaltene hydrostatische Druckdifferenz zwischen dem Einlaß 13 und dem Auslaß 16 reicht vollständig aus, um das erforderliche Flüssigkeitsvolumen durch die Kammer 7 des Wärmetauschers zu treiben. Die Bewegung der Flüssigkeit 3 durch den Wärmetauscher wird darüber hinaus durch den Dichteanstieg unterstützt, den die Flüssigkeit erfährt, wenn sie während ihres Durchtritts durch die Kammer 7 allmählich gekühlt wird.
Die außen angeordnete Wärmetauschkammer 6, durch die das Kühlmedium strömt, kann in herkömmlicher Weise für eine turbulente Strömung ausgebildet sein, da normalerweise Zugang zu einer Pumpe besteht, die den erforderlichen Druck zum Antrieb eines ausreichenden Volumens des Kühlmediums durch eine Wärmetauschkammer mit turbulenter Strömung erzeugen kann. Folglich kann die Trennwand 8 des Wärmetauschers 4 mit einer Vielzahl von parallelen Rippen versehen sein, die sich vom Einlaß 9 zum Auslaß 10 erstrecken und dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen für das Kühlmedium bilden, die sich vom Einlaß 9 bis zum Auslaß 10 des Kühlmediums erstrecken. Hierdurch wird der Wärmeaustauschwirkungsgrad zwischen dem Kühlmedium und der Trennwand 8 in herkömmlicher Weise gesteigert. Es versteht sich jedoch, daß die äußere Wärmetauschkammer 6 für das Kühlmedium auch für eine laminare Strömung des Kühlmediums ausgebildet sein kann, und zwar gemäß dem in der internationalen Patentanmeldung PCT/SE 84/00245 beschriebenen Wärmetauschprinzip.
Das zu kühlende und im Maschinengehäuse untergebrachte flüssige Medium kann ferner durch die innen angeordnete Wärmetauschkammer, die für eine laminare Strömung ausgebildet ist, getrieben werden, und zwar unter dem Einfluß einer hydrodynamischen Druckdifferenz, die durch Bewegung der beweglichen mechanischen Maschinenelemente im Betrieb der Maschine erzeugt wird. Eine solche Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in Figur 2 dargestellt, in der die gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 zur Bezeichnung von entsprechenden Teilen verwendet wurden.
Bei den in den Figuren 1 - 3 dargestellten beispielhaften Ausführungsformen sind die Hilfskanäle 14, 15 in der inneren Wärmetauschkammer 7, die für eine laminare Strömung des Kühlmediums 3 ausgebildet sind, in der Kammer 7 in der Form von Unterbrechungen in den Rippen 11, die dazwischen die laminaren Strömungskanäle 12 bilden, angeordnet. Alternativ dazu können jedoch diese Hilfskanäle 14, 15, die als Verteiler- und Sammelkanäle dienen, in der einwärts von der Kammer 7 vorgesehenen Gehäusewand 5 angeordnet sein, und zwar in der schematisch in Figur 4 dargestellten Art und Weise. Hierdurch müssen keine entsprechenden Unterbrechnungen in den Rippen 11 vorgesehen sein, die die Kanäle 12 für die laminare Strömung bilden, so daß daher eine größere Rippenlänge und somit auch eine größere Strömungskanallänge erreicht wird, was zu einem größeren Wärmetauschwirkungsgrad führt.
Wie in der vorstehend erwähnten internationalen Patentanmeldung beschrieben, können die Rippen 11 für den in dieser internationalen Patentanmeldung beschriebenen Zweck mit kurzen schlitzförmigen Unterbrechungen versehen sein, die in Figur 4 mit 17 bezeichnet sind.

Claims

1. Anordnung zur Kühlung einer Maschine, die ein Gehäuse (1) aufweist, in dem bewegliche mechanische Elemente (2) angeordnet sind, die angetrieben werden, wenn sich die Maschine im Betrieb befindet, und das ein flüssiges Medium (3), insbesondere ein Schmiermittel oder Hydraulikmittel, umschließt, mit einem Wärmetauscher (4), der in einem Teil einer Außenwand (5) des Gehäuses (1) angeordnet ist und eine Trennwand (8) sowie eine außerhalb der Trennwand (8) angeordnete Kammer (6) umfaßt, die von einem Kühlmedium durchströmt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (4) zwei Kammern (6, 7) aufweist, die durch die Trennwand (8) voneinander getrennt sind, wobei diese Trennwand eine flüssigkeitsundurchlässige Wand ist und einen Teil der flüssigkeitsundurchlässigen Wand des Gehäuses (1) bildet; daß die innerhalb der Trennwand (8) angeordnete Kammer von dem vom Gehäuse (1) umschlossenen flüssigen Medium (3) durchströmt werden soll; daß die innerhalb angeordnete Kammer (7) eine große Zahl von Strömungskanälen (12) aufweist, die parallel zur Durchströmung des flüssigen Mediums angeschlossen sind; daß die Strömungskanäle (12) eine enge rechteckige Querschnittsform besitzen, die für eine laminare Durchströmung des flüssigen Mediums dimensioniert ist, und die durch Rippen (11) gebildet sind, welche einstückig mit der Trennnwand (8) ausgebildet sind; daß die einen Enden der Strömungskanäle mit einem Einlaß (13) zur Kammer (7) über Verteilerkanäle (14) in Verbindung stehen, während die anderen Enden der Strömungskanäle mit einem Auslaß (16) von der Kammer (7) über Sammelkanäle (15) in Verbindung stehen; und daß der Wärmetauscher (4) so im Gehäuse (1) angeordnet ist, daß der Einlaß (13) und der Auslaß der innerhalb der Trennwand (8) angeordneten Kammer (7) eine solche Position relativ zueinander besitzen, daß im Betrieb der Maschine das flüssige Medium (3) unter dem Einfluß der Bewegung der im Gehäuse angeordneten mechanischen Elemente (2) durch die Kammer 7 vom Kammereinlaß (13) zum Kammerauslaß (16) strömt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (13) zur Kammer (7) auf einem höheren Niveau angeordnet ist als der Auslaß (16) und daß das flüssige Medium (3) unter dem Einfluß der Bewegung des mechanischen Elementes (2) zum Einlaß (13) angehoben wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der mechanischen Elemente (2) eine hydrodynamische Druckdifferenz zwischen dem Einlaß (13) und dem Auslaß (16) der Kammer (7) erzeugt.