(19)
(11) EP 0 197 168 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
15.10.1986  Patentblatt  1986/42

(21) Anmeldenummer: 85104244.0

(22) Anmeldetag:  09.04.1985
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)4F28D 1/03, F28F 3/04
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE CH DE FR GB IT LI LU NL SE

(71) Anmelder: Ing. Walter Hengst GmbH & Co. KG
D-48147 Münster (DE)

(72) Erfinder:
  • Baumann, Dieter
    D-4402 Greven-Gimbte (DE)

(74) Vertreter: Schulze Horn, Stefan, Dipl.-Ing. M.Sc. 
Goldstrasse 50
48147 Münster
48147 Münster (DE)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Kühler für Verbrennungsmotoren


    (57) Kühler für Verbrennungsmotoren, Kühlaggregate, Kompressoren und andere einen Wärmeaustausch erfordernde Analgen, in dem ein flüssiges Kühlmittel in parallelen, vorzugsweise vertikal verlaufenden Kanälen geführt wird, deren wärmeleitende wandungen mit oberflächenvergrößernden Mitteln versehen sind und die mittels Ventilation und/oder Fahrtwind quer zur Strömungsrichtung des Kühlmittels vonluft überstrichen werden, mit den folgenden Merkmalen:

    - zwei mit ihren vertikalen Flachseiten (21, 31) dichtend aufeinander gesetzte Kühlerteile (2, 3), nämlich einen 1 vorderen Kühlerteil (2) und einen hinteren Kühlerteil (3), die beide deckungsgleiche, durch vertikal verlaufende Wandungen (4) gebildete flache Kühlmittelkanäle (5) aufweisen, die an der dem jeweils anderen Kühlerteil (2, 3) abgewandten Seite (22, 32) geschlossen sind und an der dem jeweils anderen Kühlerteil (2, 3) zugewandten Seite (21, 31) offen sind, und

    - die Wandungen (4) der in Abstand parallel zueinander vertika verlaufenden Kühlmittekanäle (5) verbindende, horizontal zwischen diesen verlaufende Luftkanäle (6) bildende Querstege (7).




    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft einen Kühler für Verbrennungsmotoren, Kühlaggregate, Kompressoren und andere, einen Wärmeaustausch erfordernde Analgen, in dem ein flüssiges Kühlmittel in parallelen, vorzugsweise vertikal verlaufenden Kanälen geführt wird, deren wärmeleitende Wandungen mit Oberflächen vergrößernden Mitteln versehen sind und die mittels Ventilation und/oder Fahrtwind quer zur StrOmungsrichtung des Kühlmittels von Luft überstrichen werden.

    [0002] Für die genannten und ähnliche Verwendungen übliche Kühler bestehen im allgemeinen aus einem oberen und unteren Sammelkasten mit Zu- bzw. Ablauf für das Kühlmittel, meist Kühlwasser und aus einer Vielzahl von flachen, parallel nebeneinander zwischen oberem und unterem Sammelkasten verlaufenden Leitungen. Zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche sind entweder zwischen den parallelen Leitungen zick-zack-förmig gefaltete Blechstreifen eingesetzt oder es sind quer zu den Leitungen verlaufende, Öffnungen für diese aufweisende Blechstreifen parallel zueinander übereinander unter Ausbildung von Luftspalten angeordnet. Als Material für derartige Kühler wird meist Kupferblech verwendet, da es korrosionsarm und leicht lötbar ist.

    [0003] Kühler dieser Art sind zwar weit verbreitet und erfüllen ihren Zweck, doch weisen sie einige Nachteile auf. Zwei sind besonders gravierend: der hohe Herstellungsaufwand und das hohe Gewicht. Der hohe Herstellungsaufwand beruht vor allem auf der Tatsache, daß eine Vielzahl von einzelnen Leitungen und Blechstreifen geformt, zusammengesetzt und verlötet werden muß. Hierfür ist eine große Zahl an Bearbeitungsschritten und -vorrichtungen erforderlich, die zu hohen Gestehungskosten führen. Das für viele Anwendungen, z. B. in Kraftfahrzeugen, nachteilige hohe Gewicht beruht auf der Tatsache, daß als Material praktisch nur das relativ schwere Kupfer infrage kommt, da nur dieses die geforderten Eigenschaften - Korrosionsfestigkeit, Formbarkeit, mechanische Stabilität und Lötbarkeit - bietet, was außerdem mit zu den hohen Kosten beiträgt. Die Formgestaltung ist auf einfache, rechteckige Formen beschränkt, so daß es häufig zu Platzproblemen vor allem in Motorräumen von Kraftfahrzeugen kommt. Schließlich ist als Nachteil noch anzuführen, daf es wegen der vielen Lötstellen mit Dichtfunktion relativ häufig nach einiger Betriebszeit zu Leckagen kommt, die zu Folgeschäden führen können und in aufwendiger Handarbeit zu reparieren sind.

    [0004] Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Kühler der eingangs genannten Art zu schaffen, der die angegebenen Nachteile vermeidet und der insbesondere wesentlich wirtschaftlicher herstellbar ist, ein geringes Eigengewicht hat, unterschiedliche geometrische Formen aufweisen kann und eine lange, störungsfreie Betriebszeit gewährleistet.

    [0005] Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch einen Kühler der eingangs genannten Art mit den Merkmalen nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.

    [0006] Durch die beschriebene Gestaltung des Kühlers mit zwei zusammenzusetzenden Teilen reduziert sich die Zahl der Einzelteile und damit der Herstellungsaufwand ganz enorm, nämlich auf zwei miteinander zu verbindende Teile, deren Verbindung z. B. durch Verspannen oder Verschrauben unter Zwischenlage einer passend mit Ausstanzungen versehenen Dichtung oder durch Druckverlötung der aufeinanderliegenden Flächen erfolgen kann. Die erforderliche Wärmeaustauschfläche wird durch die Querstege erreicht, die mit den Wandungen je zweier benachbarter Kühlmittelkanäle fest verbunden oder einstückig sind, wodurch der Wärmefluß in keiner Weise behindert wird.

    [0007] Eine weitere Verbesserung des Wärmeaustauschers ohne Vergrößerung der Fläche wird dadurch erreicht, daß die Querstege der beiden in Richtung der durchströmenden Luft gesehen hintereinander angeordneten Kühlerteile gegeneinander höhenversetzt sind, d. h., daß die durch einen Luftkanal im ersten Kühlerteil strömende Luft beim Erreichen des hinteren Kühlerteils nicht auf einen freien Durchlaß, sondern auf einen Quersteg trifft. Hierdurch ist der Luftstrom gezwungen, sich zu teilen und den Quersteg des zweiten, hinteren Kühlerteils beidseitig zu umströmen. Durch diese Luftstromteilung kommt es zur Wirbelbildung, was einen intensiven Wärmeaustausch innerhalb des Luftstromes selbst bewirkt und so auch einen verbesserten Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel ergibt.

    [0008] Dieser Effekt läßt sich in verstärktem Maße dadurch hervorrufen, daß die Querstege eines Kühlerteils oder beider Kühlerteile jeweils in zwei vertikalen Ebenen hintereinander höhenversetzt angeordnet sind. Dies bedeutet, daß in der vorderen vertikalen Hälfte eines Kühlerteils die Querstege gegenüber denen der hinteren Hälfte desselben Kühlerteils jeweils höhenversetzt angeordnet sind.

    [0009] Werden die Querstege des anderen Kühlerteils ebenfalls in zwei Hälften jeweils gegeneinander und auch noch gegen die Querstege des ersten Kühlerteils höhenversetzt angeordnet, so ergeben sich statt einer Teilungs- und Verwirbelungsstelle für jeden Luftstrom drei solcher Stellen innerhalb des Kühlers. Durch diese Maßnahme wird der Wirkungsgrad des Wärmeaustausches weiter erhöht.

    [0010] Außerdem ist vorgesehen, daß die Querstege übereinander jeweils abwechselnd entgegengesetzt gegen die Horizontale geneigt sind. Hierdurch wird einerseits eine höhere Steifigkeit und Stabilität der Kühlerteile gegen Verformung durch den diagonalen Verlauf der Querstege und andererseits eine Vergrößerung der luftseitigen Wärmeaustauschfläche durch die Verlängerung der Querstege erreicht, was beides wünschenswerte Eigenschaften sind.

    [0011] Eine optimale Luftführung mit maximaler Verwirbelung ergibt sich durch eine Anordnung von gegensätzlich geneigten, hintereinander angeordneten Querstegen, die zusätzlich noch einen gegenseitigen Höhenversatz aufweisen können. Der Luftstrom wird so nicht nur zu Höhenänderungen, sondern auch zu seitlichen Richtungsänderungen gezwungen.

    [0012] Auch auf der Flüssigkeitsseite des Kühlers, d. h. in den Kühlmittelkanälen, kann eine Verwirbelung des strömenden Mediums sinnvoll sein, besonders wenn es sich um Flüssigkeiten höherer Viskosität und geringerer Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Motoröl, handelt. Hierfür sind in den Kühlmittelkanälen auf den Wandungen angeordnete, senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlmittels verlaufende Rippen vorgesehen. Deren Anzahl, Höhe und Querschnittsform richtet sich nach den Erfordernissen, wie erforderliche Verwirbelung, maximal zulässiger Druckverlust, benötigte Strömungsquerschnitte usw. und liegt im Ermessen des Fachmanns.

    [0013] Eine bevorzugte Form für die Rippen ist ein trapezförmiger Querschnitt, da dieser leicht herstellbar, strömunasgünstig, wirksam und stabil ist.

    [0014] Vorzuqsweise ist das Material für die beiden Kühlerteile Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Dieses bietet die Vorteile einer leichten Ver- und Bearbeitbarkeit, eines geringen Gewichtes, einer hohen Korrosionsfestigkeit und einer hohen Stabilität.

    [0015] Anstelle von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung kann das Material auch ein wärmeleitender, temperaturbeständiger Kunststoff sein. Dieses Material bietet den Vorteil, daß es noch leichter als Aluminium und vollkommen korrosionsfrei ist, jedoch ist der Wirkungsgrad eines Kühlers aus diesem Material etwas geringer wegen der grundsätzlich niedrigeren Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen im Vergleich zu Metallen.

    [0016] Das günstigste Herstellungsverfahren, zumindest für die beiden Kühlerteile, ist das Druckgußverfahren. Dieses Verfahren ist besonders wirtschaftlich und wegen der besonderen Ausgestaltung der beiden Kühlerteile ohne weiteres anwendbar. Die wesentliche Voraussetzung für das Druckgußverfahren, die Entformbarkeit der Gußteile, ist bei dem erfindungsgemäßen Kühler gegeben. Außer der hohen Wirtschaftlichkeit bietet dieses Herstellungsverfahren die Möglichkeit, die Kühlerteile in ihrer Formgestaltung beispielsweise einer Fahrzeugform in gewissem Umfang anzupassen, d. h. z. B. eine konvex gewölbte Kühlervorderseite zu formen.

    [0017] Besonders vorteilhaft ist, daß mit den Kühlerteilen gemäß der Erfindung ein Baukastensystem realisierbar ist, d. h. daß der Kühler aus mehreren neben- und/oder übereinander angeordneten, dichtend miteinander verbundenen identischen Kühlersegmenten, jeweils bestehend aus den zwei Kühlerteilen, zusammengesetzt ist. Bei diesem Baukastensystem kann, ausgehend von einem Kühlersegment mit z. B. rechteckiger Umrißform, der Kühler entsprechend der erforderlichen Wärmeaustauschfläche zusammengestellt werden. Die Abdichtung und Verbindung der Segmente erfolgt dabei durch übliche Mittel, wie z. B. Verspannung oder Verschraubung unter Zwischenlage von Dichtungen. Hierdurch kann die Herstellung und Vorhaltung von unterschiedlichen Kühlertypen und -größen drastisch verringert werden. Auch eine Anordnung mehrerer Kühlersegmente hintereinander ist möglich, doch ist dies wegen der resultierenden Verminderung des Luftdurchsatzes und des Wirkungsgrades nicht so vorteilhaft.

    [0018] Eine günstigere Lösung zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche ohne Vergrößerung der Breite und Höhe eines Kühlers wird dadurch erreicht, daß zwischen die zwei Kühlerteile wenigstens ein ebenfalls deckungsgleiche, aber beidseitig offene Kühlmittelkanäle bildende Wandungen aufweisendes Zwischenteil mit die Wandungen verbindenden Querstegen angeordnet ist. Durch dieses Zwischenteil wird das vorteilhafte Baukastensystem noch erweitert, so daß in Höhe, Breite und Tiefe unterschiedliche Kühler mit wenigen Bauteilen herstellbar sind.

    [0019] Eine besonders günstige Herstellungsweise ist die einstückige Fertigung von Kühlerteilen einschließlich oberem und unterem Wasserkasten, z. B. im Druckgußverfahren, was wegen der Zweiteiligkeit des Kühlers ohne weiteres möglich ist.

    [0020] Weiterhin vorteilhaft ist, daß der Kühler gemäß der Erfindung z. B. in Anpassung an den Rotordurchmesser eines Kühlerventilators rund gebaut werden kann oder daß ein Zweikreis-Kühlsystem, bei dem durch einen Teil des Kühlers Kühlwasser und durch den anderen Teil Öl strömt, sehr einfach realisierbar ist.

    [0021] Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

    Figur 1 einen Teil eines erfindungsgemäßen Kühlers im Horizontalschnitt,

    Figur 2 einen Knhierteil im Vertikalschnitt,

    Figur 3 einen Kühlerteil in einer geänderten Ausführung im Vertikalschnitt entlang der Linie A - A in Figur 1,

    Figur 4 einen Teil des Kühlers im Querschnitt und

    Figur 5 einen Zwischenteil des Kühlers im Horizontalschnitt.



    [0022] Wie Figur 1 zeigt, ist ein Kühlersegment 1 des erfindungsgemäßen Kühlers aus einem vorderen Kühlerteil 2 und einem hinteren Kühlerteil 3 zusammengesetzt. Beide Kühlerteile 2, 3 weisen quer verlaufende Wandungen 4 auf, die an den einander zugewandten Flachseiten 21 und 31 der beiden Kühlerteile 2, 3 deckungsgleich enden, während die Wandungen 4 an den einander abgewandten Flachseiten 22 und 32 einen geschlossenen Verlauf zeigen. Durch die Wandungen 4 werden parallele Kanäle 5 für ein flüssiges Kühlmedium gebildet. An den Flachseiten 21 und 31 sind die beiden Kühlerteile 2, 3 dichtend miteinander verbunden.

    [0023] Figur 2 zeigt einen Kühlerteil 2, 3 im Vertikalschnitt. Die die vertikal verlaufenden Kühlmittelkanäle 5 bildenden Wandungen 4 sind jeweils benachbart durch eine Vielzahl von Querstegen 7 miteinander verbunden, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Wandungen 4 und Querstege 7 einstückig sind. Die Querstege 7 sind abwechselnd übereinander entgegengesetzt gegen die Horizontale geneigt und bilden horizontale, quer zu den Kühlmittelkanälen 5 verlaufende Luftkanäle 6. In den Kühlmittelkanälen 5 sind auf deren Innenflächen 5' aus den Wandungen 4 vorspringende Rippen zur Verwirbelung des strömenden Kühlmittels quer zu dessen Strömungsrichtung verlaufend angeordnet. Die im linken Teil der Figur detailliert dargestellte Anordnung von Wandungen 4 und Querstreben 7 wiederholt sich in horizontaler Richtung mehrfach entsprechend dem durch die parallelen Linien im übrigen Teil der Figur 2 vorgegebenen Schema zur Bildung eines Kühlersegmentes 1.

    [0024] Figur 3 zeigt eine etwas geänderte Ausführung der Erfindung am Beispiel eines der Kühlerteile 2, 3 in gegenüber den anderen Figuren vergrößertem Maßstab. Die Querstege 7 des Kühlerteils 2 bzw. 3 sind innerhalb des Kühlerteils 2 bzw. 3 entlang einer vertikalen, etwa in der Mitte des Kühlerteils 2 bzw. 3 liegenden Ebene, angedeutet durch die gestrichelten Linien 11, 12 in Figur 1, höhenversetzt angeordnet. Diese Ebene stellt gleichzeitig bei der Herstellung des Kühlerteils 2 bzw. 3 im Druckgußverfahren die Werkzeug-Trennlinie dar, wobei nach zwei Richtungen entformt wird, während die zuerst beschriebene Ausführung des Kühlerteils 2 bzw. 3 auch mit einseitiger Entformung hergestellt werden kann.

    [0025] Die Figur 4 zeigt die Lage der Querstreben 7 bei einem durch die Verbindung zweier Kühlerteile 2, 3 der letztbeschriebenen Ausführung gebildeten Kühlersegment 1 im Querschnitt. In der durch die Pfeile angegebenen Richtung der durchströmenden Kühlluft gesehen sind die Querstege jeweils in vier Ebenen hintereinander höhenversetzt gegeneinander angeordnet. Dies ergibt Luftkanäle 6 mit einem dreifach umgelenkten Verlauf, was eine gute Verwirbelung des Luftstromes ergibt.

    [0026] In Figur 5 schließlich ist ein Zwischenteil 10 zur Einfügung zwischen die beiden Kühlerteile 2 und 3 dargestellt, das mit deren Wandungen 4 und Kanälen 5 dekkungsgleiche Wandungen 14 und vorder- und rückseitig offene Kanäle 15 sowie Querstege 7 aufweist. Die Querstege 7 können dabei sowohl durchgängig sein als auch in zwei Ebenen höhenversetzt sein. Außerdem kann vorgesehen werden, daß die Querstege 7 des Zwischenteils 10 in bei dem vorderen und hinteren Kühlerteil 2 und 3 noch nicht belegten Höhenstufen angeordnet sind.


    Ansprüche

    1. Kühler für Verbrennungsmotoren, Kühlaggregate, Kompressoren und andere einen Wärmeaustausch erfordernde Anlagen, in dem ein flüssiges Kühlmittel in parallelen, vorzugsweise vertikal verlaufenden Kanälen geführt wird, deren wärmeleitende Wandungen mit oberflächenvergrößernden Mitteln versehen sind und die mittels Ventilation und/oder Fahrtwind quer zur Strömungsrichtung des Kühlmittels von Luft überstrichen werden, gekennzeichnet

    - durch zwei mit ihren vertikalen Flachseiten (21, 31) dichtend aufeinander gesetzte Kühlerteile (2, 3), nämlich einen vorderen Kühlerteil (2) und einen hinteren Kühlerteil (3), die beide deckungsgleiche, durch vertikal verlaufende Wandungen (4) gebildete flache Kühlmittelkanäle (5) aufweisen, die an der dem jeweils anderen Kühlerteil (2, 3) abgewandten Seite (22, 32) geschlossen sind und an der dem jeweils anderen Kühlerteil (2, 3) zugewandten Seite (21, 31) offen sind, und

    - durch die Wandungen (4) der in Abstand parallel zueinander vertikal verlaufenden Kühlmittekanäle (5) verbindende, horizontal zwischen diesen verlaufende Luftkanäle (6) bildende Querstege (7).


     
    2. Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstege (7) der beiden hintereinander angeordneten Kühlerteile (2, 3) gegeneinander höhenversetzt sind.
     
    3. Kühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstege (7) eines Kühlerteils (2, 3) oder beider Kühlerteile (2, 3) jeweils in zwei vertikalen Ebenen hintereinander höhenversetzt angeordnet sind.
     
    4. Kühler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstege (7) übereinander jeweils abwechselnd entgegengesetzt gegen die Horizontale geneigt sind.
     
    5. Kühler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstege (7) hintereinander jeweils abwechselnd entgegengesetzt gegen die Horizontale geneigt sind.
     
    6. Kühler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen (4) der Kühlmittelkanäle (5) auf ihren Innenseiten (5') quer zur Strömungsrichtung des Kühlmittels verlaufende Rippen (8) aufweisen.
     
    7. Kühler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (8) im Querschnitt trapezförmig sind.
     
    8. Kühler nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kühlerteile (2, 3) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.
     
    9. Kühler nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, daß die beiden Kühlerteile (2, 3) aus einem wärmeleitenden, temperaturbeständigen Kunststoff bestehen.
     
    10. Kühler nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kühlerteile (2, 3) im Druckgußverfahren als je ein Gußstück hergestellt sind.
     
    11. Kühler nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler aus mehreren nebeneinander angeordneten, dichtend miteinander verbundenen identischen Kühlersegmenten (1), jeweils bestehend aus den zwei Kühlerteilen (2, 3), zusammengesetzt ist.
     
    12. Kühler nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die zwei Kühlerteile (2, 3) wenigstens ein ebenfalls deckungsgleiche, aber beidseitig offene Kühlmittelkanäle (15) bildende Wandungen (14) aufweisendes Zwischenteil (10) mit die Wandungen (14) verbindenden Querstegen angeordnet ist.
     
    13. Kühler nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kühlerteile (2, 3) mit je einen oberen und unteren, mit Zu- und Ablauf aufweisenden Wasserkasten bildenden, mit den Kühlerteilen (2, 3) einstückigen Wandungen versehen sind.
     




    Zeichnung













    Recherchenbericht