-
Die
Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine
Verbrennungskraftmaschine mit einem Innenrohr, welches vom zu kühlenden
Medium durchströmbar ist, einem Außenrohr und
einem zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordneten Schraubenkörper,
dessen Innendurchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser
des Innenrohrs entspricht und dessen Außendurchmesser im
Wesentlichen dem Innendurchmesser des Außenrohres entspricht,
wobei die Schraubengänge des Schraubenkörpers
zwischen dem Innenrohr und dem Schraubenkörper vom zu kühlenden
Medium durchströmt sind und der Schraubenkörper
vom Kühlmedium umströmt ist.
-
Derartige
Kühlvorrichtungen dienen in Kraftfahrzeugen beispielsweise
als Abgaskühler zur Reduzierung von Schadstoffen. Der Vorteil
solcher Schraubenkühler ist der relativ geringe vorhandene Druckverlust,
der zu einer möglichen Erhöhung des Durchflusses
bei gegebenen Druckverhältnissen führt. Bekannt
sind Kühlvorrichtungen, bei denen Kühlschlangen
als gewundene Rohre um das Innenrohr angeordnet sind. Diese weisen
jedoch aufgrund der relativ geringen Wärmeübertragungsflächen
einen unzureichenden Wirkungsgrad auf.
-
Des
Weiteren ist aus der
FR 2 304
884 ein Wärmetauscher bekannt, der ein Innenrohr
aufweist, um welches zwei aufeinander liegende geformte Bleche angeordnet
sind, die gemeinsam einen schraubenförmig verlaufenden
Kanal bilden, der von einem Kühlmedium durchströmt
ist. Diese Bleche sind von einem Außenrohr umgeben, so
dass zwischen den vom Kühlmedium durchströmten
Schlangen und dem Innenrohr beziehungsweise dem Außenrohr
zwei schraubenförmige Kanäle für das
zu kühlende Medium gebildet werden. In einer weiteren Ausführungsform
werden mehrere Bleche entsprechend umeinanderliegend angeordnet,
so dass zusätzliche Kanäle für das Kühlmittel
und für das zu kühlende Medium gebildet werden.
Bei einer derartigen Ausführung sind jedoch mehrere Kühlmitteleinlass
und -auslassstutzen erforderlich, um die Kühlmittelkanäle
zu versorgen. Hierdurch wird zwar der Wirkungsgrad des Wärmetauschers
verbessert, jedoch erhöht sich hierdurch die radiale Ausdehnung
des Wärmetauschers deutlich, so dass dieser in modernen
Verbrennungsmotoren zu viel Bauraum einnehmen würde. Zusätzlich
müssen die Bleche aneinander befestigt, beispielsweise
verlötet werden, wodurch der Aufwand zur Herstellung eines
derartigen Wärmetauschers extrem groß wird.
-
Es
stellt sich daher die Aufgabe, eine Kühlvorrichtung zu
schaffen, welche einen hohen Wirkungsgrad bei geringem Druckverlust
aufweist, leicht zu montieren ist und bei der gleichzeitig insbesondere
bezüglich der radialen Ausdehnung ein möglichst geringer
Bauraum benötigt wird.
-
Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Schraubenkörper
mehrgängig ausgeführt ist, wobei die Schraubengänge
axial hintereinander angeordnet sind, wobei entsprechend der Anzahl
der Schraubengänge Eintrittsöffnungen am ersten
axialen Ende des Schraubenkörpers und Austrittsöffnungen
am zweiten axialen Ende des Schraubenkörpers angeordnet
sind. Es ergeben sich somit im Querschnitt jeweils mehrere zueinander
parallel liegende vom zu kühlenden Medium durchströmte
Schraubengänge, welche über die Trennwand des
Schraubenkörpers in Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium
stehen. Dies bedeutet, dass eine große Menge heißen
Abgases gleichzeitig durch eine entsprechende Menge kalten Kühlmittels
gekühlt wird. Da in diesem Bereich der Temperaturgradient
zwischen den beiden Medien am höchsten ist, entfaltet sich
hier die höchste Kühlwirkung. Gleichzeitig bleibt
der in radialer Richtung verwendete Bauraum unverändert
zu einem eingängigen Schraubenkörper. Da der Wärmetauscher
im Wesentlichen aus nur drei Teilen besteht, ist der Herstellungsaufwand
sehr gering.
-
Vorzugsweise
sind am Außenrohr ein Kühlmitteleinlassstutzen
und ein Kühlmittelauslassstutzen angeordnet. Somit strömt
das Kühlmittel im äußeren Bereich, wodurch
die Kühlmittelstutzen auf einfache Weise am Außenrohr
befestigt werden können. Ein Durchdringen eines weiteren äußeren
Gehäuseteils ist entsprechend nicht erforderlich, wodurch
Abdichtungsprobleme vermieden werden. Bei entsprechender Ausführung
insbesondere des Kühlmitteleinlassstutzens können
somit die axial hintereinander liegenden Schraubengänge,
welche gleichzeitig vom zu kühlenden Medium durchströmt
werden, auch im Wesentlichen gleichzeitig mit dem noch kalten Kühlmedium
beaufschlagt werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführung ist der Schraubenkörper
im Druckgussverfahren hergestellt, wobei der Innendurchmesser in
axialer Richtung konisch zulaufend ausgeführt ist und der
Außendurchmesser konstant ist. Dies erleichtert die Herstellung des
Schraubenkörpers, da das formende Werkzeug bei der Herstellung
des Schraubenkörpers mit einer kleinen Verdrehung im Werkstück
gelöst werden kann. Diese Drehung erfolgt bereits in einer
frühen Erstarrungsphase, das heißt vor dem Öffnen
der äußeren Form. Die äußere
zylindrische Form des Schraubenkörpers hat den Vorteil,
dass für das Außenrohr ein Standardohr verwendet
werden kann.
-
In
einer hierzu alternativen Ausführung ist der Schraubenkörper
aus geformtem Blech hergestellt. Eine solche Ausführung
zeichnet sich insbesondere durch die kostengünstige Herstellung
aus.
-
In
einer weiterführenden Ausführungsform ist am zweiten
axialen Ende des Schraubenkörpers ein Deckel befestigt,
wobei zwischen dem Deckel und dem axialem Ende des Schraubenkörpers
ein Raum ausgebildet ist, über den das zu kühlende
Medium in das Innenrohr und in Richtung zum ersten axialen Ende
des Schraubenkörpers zurückströmt, an
dem ein Auslassstutzen für das zu kühlende Medium
angeordnet ist. Entsprechend können Einlass und Auslass
in einer gemeinsamen Flanschebene angeordnet werden.
-
In
einer hierzu alternativen Ausführungsform ist am zweiten
axialen Ende des Schraubenkörpers ein Auslassstutzen für
das zu kühlende Medium angeordnet, in den die Auslässe
des Schraubenkörpers und des Innenrohres münden,
wobei das Innenrohr als Bypasskanal zur Umgehung des Schraubenkörpers
dient. Somit werden beide vom zu kühlenden Medium durchströmbaren
Kanäle in der gleichen Richtung durchströmt. Durch
eine entsprechend angeordnete Klappe wäre es somit möglich,
eine Abgastemperatur zu regeln. Zusätzlich kann ein Verbrennungsmotor
durch die Anordnung des Bypasskanals bei der Verwendung der Kühlvorrichtung
als Abgaskühler schneller aufgeheizt werden.
-
Vorzugsweise
ist das Innenrohr doppelwandig ausgeführt. Die Doppelwandigkeit
des Innenrohres dient dabei als Isolierung zum radial außen
liegenden heißen vom zu kühlenden Medium durchströmbaren
Kanal, so dass eine Aufheizung nach dem Kühlvorgang beim
U-förmig durchströmten Kühler ebenso
verhindert werden kann wie ein Wärmeverlust im Bypasskanal.
-
Es
wird somit eine Kühlvorrichtung geschaffen, deren radiale
Ausdehnung und deren Druckverlust bei hohem Kühlerwirkungsgrad
sehr gering sind. Die Anzahl der notwendigen Herstellungsschritte
und somit die Montagekosten werden gleichzeitig im Vergleich zu
bekannten Ausführungen deutlich reduziert.
-
Zwei
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Kühlvorrichtungen sind in den Figuren dargestellt und werden
nachfolgend beschrieben.
-
1 zeigt
eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
mit Vorlauf und Rücklauf des zu kühlenden Mediums
in geschnittener Darstellung.
-
2 zeigt
eine Kopfansicht der Kühlvorrichtung aus der 1.
-
3 zeigt
eine Seitenansicht einer zweiten Ausführung einer erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung mit Bypass in geschnittener Darstellung.
-
Die
in 1 dargestellte Kühlvorrichtung besteht
aus einem zu beiden axialen Enden offenem Innenrohr 2,
um welches ein Schraubenkörper 4 derart angeordnet
ist, dass die radial innen liegenden Enden der Wände 8 des
Schraubenkörpers 4 an der Außenwand 10 des
Innenrohres 2 anliegen.
-
Der
Schraubenkörper 4 ist aus Druckguss hergestellt.
Zur leichteren Entformung des Schraubenkörpers 4 bei
der Herstellung weisen die radial innen liegenden Enden der Wände 8 in
axialer Richtung eine geringe Konusform auf, während die radial außen
liegenden Enden der Wände 8 eine zylindrische
Form aufweisen. Durch den Innenkonus kann das Werkzeug mit einer
kleinen Verdrehung im Werkstück gelöst werden.
Dies erfolgt bereits in einer frühen Erstarrungsphase,
bevor die äußere Form geöffnet wird.
Selbstverständlich ist das Innenrohr 2 oder zumindest
deren Außenwand 10 mit einem entsprechenden Außenkonus
zu versehen, um das Innenrohr 2 in den Schraubenkörper 4 einschieben
zu können, ohne dass größere Spalte nach
dem Zusammenbau vorhanden bleiben.
-
Der
Schraubenkörper 4 ist umgeben von einem Außenrohr 12,
dessen begrenzende Rohrwand 14 gegen die radial außen
liegenden Enden der Wände 8 des Schraubenkörpers 4 anliegt
und entsprechend zur äußeren zylindrischen Form
des Schraubenkörpers 4 ebenfalls zylindrisch ausgeführt
ist, so dass ein Standardrohrstück verwendet werden kann. Kurz
vor einem ersten axialen Ende 16 des Schraubenkörpers 4 weist
das Außenrohr 12 an der Rohrwand 14 eine Öffnung
auf, von deren begrenzenden Seitenwänden aus sich ein Kühlmitteleinlassstutzen 18 radial
erstreckt, über den eine fluidische Verbindung zu einem
außen liegenden Schraubenkanal 20 hergestellt
wird, der zwischen dem Außenrohr 12 und dem Schraubenkörper 4 ausgebildet
ist. Kurz vor einem zweiten gegenüberliegenden axialen
Ende 22 des Schraubenkörpers 4 weist
die Rohrwand 14 des Außenrohrs 12 eine
weitere Öffnung auf, von deren begrenzenden Seitenwänden
sich ein Kühlmittelauslassstutzen 24 radial erstreckt.
-
An
den axialen Enden 16, 22 weist der Schraubenkörper 4 jeweils
eine flanschförmige Erweiterung 26, 28 auf,
gegen die die axialen Rohrenden des Außenrohrs 12 anliegen.
Hier wird das Außenrohr 12 beispielsweise durch
Schweißen oder Löten mit dem Schraubenkörper 4 verbunden.
An seinem axialen Ende 22 ist an der zum Außenrohr 12 gegenüberliegenden
Seite der flanschförmigen Erweiterung 28 ein Deckel 30 an
der flanschförmigen Erweiterung 28 befestigt,
der eine Topfform aufweist, so dass zwischen Innenrohr 2 beziehungsweise Schraubenkörper 4 und
dem Deckel 30 ein nach außen geschlossener Raum 32 gebildet
wird.
-
Aus 2 wird
deutlich, dass der Schraubenkörper 4 am ersten
axialen Ende 16 drei Eintrittsöffnungen 34, 36, 38 aufweist,
die jeweils fluidisch mit einem zugehörigen Schraubengang 40, 42, 44 verbunden
sind, die im Schraubenkörper 4 durch die Wände 8 und
die Außenwand 10 des Innenrohres 2 gebildet
werden.
-
Dies
bedeutet, dass in der 1 jeder dritte sichtbare Schraubengang 40, 42, 44 vom
gleichen Fluidstrom durchströmt wird, also ein Fluidstrom durch
die Eintrittsöffnung 34 durch den Schraubengang 40 strömt,
während der in die Eintrittsöffnung 36 einströmende
Fluidstrom lediglich den Schraubengang 42 durchströmt.
Es handelt sich somit erfindungsgemäß um einen
dreigängig ausgeführten Schraubenkörper 4,
dessen verschiedene Schraubengänge 40, 42, 44 axial
hintereinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass im Vergleich
zu bekannten Ausführungen eine sehr geringe axiale Ausdehnung bei
gleicher Durchströmung erreicht wird.
-
Im
Folgenden wird die Funktionsweise der Kühlvorrichtung gemäß der 1 am
Beispiel einer Verwendung der Kühlvorrichtung als Abgaskühler beschrieben.
Das zu kühlende Medium ist somit das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine.
-
Das
Abgas strömt über eine nicht dargestellte Abgasleitung
um das Innenrohr 2 herum zu den Eintrittsöffnungen 34, 36, 38.
Selbstverständlich ist hierzu vor dem Eintritt in den Abgaskühler
ein entsprechend geformter Einlasskonus ausgebildet, der fluidisch
vom Innenrohr 2 getrennt ausgeführt ist.
-
Das
Abgas strömt von der Eintrittsöffnung 34 in
den Schraubengang 40, von der Eintrittsöffnung 36 in
den Schraubengang 42 und von der Eintrittsöffnung 38 in
den Schraubengang 44. Gleichzeitig strömt Kühlmittel über
den Kühlmitteleinlassstutzen 18 in den Schraubengang 20.
In der 1 ist zu erkennen, dass der kalte Kühlmittelstrom
etwa gleichzeitig die vorderen Schraubengänge 40, 42, 44 erreicht
und somit eine etwa gleiche Kühlwirkung auf die drei Schraubengänge 40, 42, 44 ausübt.
In diesem Bereich ist der Temperaturgradient zwischen dem Kühlmittel
und dem Abgas am höchsten, so dass hier der höchste
Kühlerwirkungsgrad erreicht wird. Das Abgas strömt
nun parallel zum Kühlmittelstrom in den Schraubengängen 20 weiter
durch die Schraubengänge 40, 42, 44 in
Richtung zum zweiten axialen Ende 22 des Schraubenkörpers 4.
Während der Kühlmittelstrom über den
Kühlmittelauslassstutzen 24 die Kühlvorrichtung
verlässt, strömt das Abgas aus drei Austrittsöffnungen 46, 48,
von denen zwei in der Figur ersichtlich sind, in den Raum 32 im Deckel 30.
Hier erfährt das Abgas eine Umkehrung und strömt
durch das Innenrohr 2 zurück zum ersten axialen
Ende 16 des Schraubenkörpers 4, von wo aus
es schließlich über einen nicht dargestellten
Auslassstutzen die Kühlvorrichtung wieder verlässt
und von hier beispielsweise zurück zum Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine
geführt werden kann. Zur Vermeidung einer wärmenden
Wirkung auf das über das Innenrohr zurückgeleitete
Abgas kann das Innenrohr selbstverständlich auch doppelwandig ausgeführt
werden, wie es bei der Ausführung gemäß der 3 dargestellt
ist.
-
Es
wird ersichtlich, dass durch die Form der Schraubengänge 40, 42, 44 durch
die Wände 8 eine deutlich größere
Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung
gestellt wird als dies beispielsweise bei einer gewundenen Rohrschlange
der Fall wäre. Somit erhält man einen deutlich
verbesserten Wirkungsgrad. Gleichzeitig ist durch die hohe Ausführung
der einzelnen Schraubengänge nur ein geringer Druckverlust vorhanden.
Die axial hintereinander liegenden Schraubengänge 40, 42, 44 sorgen
gleichzeitig dafür, dass trotz des erhöhten Kühlerwirkungsgrades nur
ein geringer radialer Bauraum benötigt wird.
-
Die
in der 3 dargestellte Kühlvorrichtung ist zu
großen Teilen baugleich mit der bereits beschriebenen Kühlvorrichtung
aus der 1. Entsprechend sind gleiche
Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Entsprechend wird im
Folgenden auf die Unterschiede im Vergleich zur ersten Ausführungsform
eingegangen.
-
Die
Kühlvorrichtung gemäß der 3 weist am
zweiten axialen Ende 22 des Schraubenkörpers 4 einen
Deckel 50 auf, an welchem ein Auslassstutzen 52 ausgebildet
ist. Zusätzlich ist in das Innenrohr 2 ein weiteres
Rohr 54 eingeschoben, welches unter Zwischenlage von Dichtungen 56 im
Bereich der beiden axialen Enden 16, 22 des Schraubenkörpers 4 beabstandet
vom Innenrohr 2 angeordnet ist. Dieses Rohr 54 dient
als Bypasskanal 58 der Kühlvorrichtung.
-
Vor
diesem Bypasskanal 58 beziehungsweise den Eintrittsöffnungen 34, 36, 38 des
Schraubenkörpers 4 ist ein nicht dargestelltes
Bypassventil angeordnet, so dass einströmendes Abgas wahlweise in
das als Bypasskanal 58 dienende Rohr 54 oder über
die Eintrittsöffnungen 34, 36, 38 in
den Schraubenkörper 4 strömt. Ist nun
der Bypasskanal 58 durch das Bypassventil geschlossen strömt
das Abgas in der bereits zu 1 beschriebenen
Weise unter der Kühlwirkung des Kühlfluids durch
die Schraubengänge 40, 42, 44 zum
zweiten axialen Ende 22 der Kühlvorrichtung und
tritt über die Austrittsöffnungen 46, 48 aus
dem Schraubenkörper 4 in den Raum 32 aus. Von
hier gelangt das Abgas zum Auslassstutzen 52 und strömt
aus der Kühlvorrichtung heraus.
-
Verschließt
das Bypassventil die Eintrittsöffnungen 34, 36, 38 des
Schraubenkörpers 4 strömt das Abgas durch
den Bypasskanal 58 ebenfalls in den Raum 32 und
kann über den Auslassstutzen 52 ausströmen.
Hierbei wird ein Wärmeeinfluss auf das Abgas durch die
vorhandene Doppelwandigkeit nach dem Zusammenbau der beiden Rohre 2, 54 verhindert,
da die Luft zwischen den beiden Rohren 2, 54 als
Isolator dient. Selbstverständlich wäre es möglich,
den Raum zwischen den beiden Rohren 2, 54 zu evakuieren
oder mit einem Isolationsstoff zu versehen um diese Isolationswirkung
zu verstärken. Bei dieser Stellung des Bypassventils wird
somit ungekühltes Abgas zum Verbrennungsmotor zurückgeführt,
so dass die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors verkürzt
werden kann.
-
Es
sollte deutlich sein, dass durch die beschriebenen Ausführungen
eine radial sehr klein bauende Kühlvorrichtung geschaffen
wird, die bei hoher vorhandener Kühlwirkung nur geringe
Druckverluste aufweist. Zusätzlich ist diese Kühlvorrichtung kostengünstig
herzustellen und mit wenigen Schritten zu montieren.
-
Selbstverständlich
sind im Vergleich zu den beschriebenen Ausführungen verschiedene
Modifikationen möglich, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs
zu verlassen. So kann beispielsweise der Schraubenkörper
aus Aluminium- oder VA-Blechen hergestellt werden. Auch ist es selbstverständlich
möglich, eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
mit zwei oder mehr als drei Schraubengängen und somit Eintrittsöffnungen
auszuführen. Insbesondere ist es auch sinnvoll, die Kühlvorrichtung
mit Rückströmung mit einem doppelwandigen Innenrohr
auszuführen, da auf diese Weise ein nachträglicher
Wärmeverlust des bereits gekühlten Abgases durch
den Kontakt zum ungekühlten Abgas im Schraubengang vermieden
wird. Weitere konstruktive Änderungen beispielsweise bezüglich
der Anbindung der Einzelteile aneinander sind ebenfalls denkbar.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-