[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.
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.