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Mehrstufiges Ceschichtetes Dampfkühlsystem mit geschlossenem Kreislauf
für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein Siedekühlungs- bzw. VerdampfungskUhlsystem
für Brennkraftmaschinen einschließlich Diesel-Benzin- und Gasmotoren mit einem im
wesentlichen geschlossenen abgedichteten Kilhlmittelumlaufsystem.
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Dampfphasen-Kühlsysteme werden in der Industrie seit einiger Zeit
vielfach angewendet wegen der günstigen Erfahrungen, die mit Verdampfungskühlung
hinsichtlich eines hoheren Wirkungsgrades und einer längeren Motorlebensdauer gemacht
wurden. Dies trifft besonders bei Maschinenanlagen zu, die während langer Zeiträume
mit einem Mindestmaß an Wartung arbeiten messen, beispielsweise stationäre Motoren
oder Motoren für Hubkarren bzw Hubwagen und Baufahrzeuge.
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Im wesentlichen besteht das Dampfphasen-Kühlsystem darin,
daß
das Kühlmittel aus dem Motorkühlmantel durch einen Wärmeaustauscher oder Kondensator,und
zurück zum Motorkühlmantel zum erneuten Umlauf in Umlauf gesetzt wird.
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Um einen Kühlmittelverlust zu verhindern und eine wirksame Kondensation
desselben sicherzustellen, muß das System vorzugsweise geschlossen sein, was eine
Entlüftung erfordert, um Luft aus dem System vor der Inbetriebnahme desselben entfernen
zu können. Die Wärmemeübergangswirkung würde in einem Dampfkondensator durch die
Anwesenheit von Luft oder anderen nicht kondensier.fähigen Gasen ausserordentlich
behindert.
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Bei den bisherigen Verdampfungskühlungen wurde normalerweise eine
einfache Kondensierphase mit Gefällewirkung verwendet. Bei diesen Systemen wird
Dampfwasser in einen ersten Tank ausgestossen und dann durch.einen Kernabschnitt
des Kondensators oder.KühEers in einen zweiten Tank, aus welchem das Kondensat,
längs des gleichen't'1eges zur Wiederverwendung zurückfließt; bei dieser Anordnung
befinden sich das Dampfwasser und das Kondensat ständig in inniger Berührung miteinander,
so daß dieses System keine wirksame Kondensation und keine geeignete Kühlung is
Kondensats wegen des unwirksamen Wärmeübergangs ermöglicht, was dadurch bedingt
ist, daß Dampfwasser und Kondensat ständig umlaufen und sich vermischen. Mit anderen
Worten, geht geht die stärkste Wirkung der yerdampfungskühlung, d.h. das Kodensieren
und Kühlen des-Kondensate, verloren.
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Ferner traten bei bisher verwendeten Verdampfungekühlungen Schwierigkeiten-hinsichtli¢h
des Einbaus und der Kühllüfteranordnung auf. Dies ist bei stationären. Maschinenanlagen
nicht von grosser Bedeutung, da in den meisten Fällen reichlich Raum zur Verfügung
steht. Wenn jedoch
der Einbau in ein sich bewegendes Fahrzeug vor
gesehen ist, wird der Raum von ausschlaggebender Bedeutung,'da die~Anlage in dem
für den herkömnlichen Kühler vorgesehenen Raum untergebracht werden muß. Ein Kondensator
mit Gefällewirkungist daher wegen seines Raumbedarfs und zeigen der notwendigen
komplizierten Ummantelung für den Kühllüfter nicht wünschenswert.
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Ein weiteres, bei Verdampfungekühlungen bestehendes Problem ist das
Ableiten der Luft aus dem System, was wichtig ist, da die Anwesenheit von Luft oder
anderen nicht Enden sierfähigen Gasen den Kondensationsprozeß nachteilig beeinflußt.
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Ausserdem ist bei der vertikalen,Kühler- oder Kondensatoranordnung,
die bei Einbauten in ein sich bewegendes Fahrzeug notwendig ist, eine Pumpe erforderlich,
um das Kondensat aus dem unteren Teil des Kühlere in den Motorwassermantel zurückzupumpen.
Diese Pumpe müßte zusammen mit dem Kühllüfter in den Raum eingebaut werden, der
normalerweise für den herkömmlichen Kühler vorgesehen wird.
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Bei den bisher verwendeten Verdampfungskühlsystemen mit herkömmlichen
vertikalen Kühlern, die vor dem Motor:angeordnet sind, mußte eine Äusgleichskammer
zusätzlich zum Kühler oder Kondensator vorgesehen-werden, um der Wärmeausdehnung
des Kühlmittib Rechnung zu tragen. Dieser zusätzliche Bauteil ist verhältnismässig
schwierig unter der Motorhaube eines gewöhnlichen Kraftfahrzeugs einzubauen und
mit zusätzlichen Kosten verbunden, so daß eine solche Anordnung eine praktische
Bedeutung erlangt hat.
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Hauptaufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer wirksamen
Verdampfungekühlung für Brennkraftmaschinen, die
näheren Beschreibung
in Verbindung mit Fig. 2 und 3 ergibt, von neuartiger Bauart und dient dazu, den
im Motorkühlsystem während des Betriebs des Motors erzeugten Dampf zu kondensieren.
Gewöhnlich besitzt der Kondensator 18 eine obere Kammer 20 und eine untere Kammer
22, welche Kammern durch einen Kernabschnitt 24 miteinander verbunden sind, der
aus einer Gruppe von Rippenrohren 26 üblicher Art zusammengesetzt ist. Ein Lüfter
28, der von einem Piementrieb 30 von der Motorkurbelwelle aus angetrieben wird,
kann hinter dem Kernabschnitt 24 angeordnet werden und mit einer geeigneten Ummantelung
versehen werden, wie bei. 32 dargestellt, um Kühlluftströme um die Rippenrohre 26
herum zu leiten, damit der in den Rohren 26 kondensiewunde Dampf ausreichend gekühlt
wird. Die untere Kondensavorkammer 22 hat einen Auslaß 34, der mit einer Pumpe 36
in Verbindung steht, welche die Aufgabe hat, das Kondensat, das aus den Rohren 26
in die untere Kammer abläuft, kontinuierlich über eine Leitung 38 in den Motorblock
14 zu pumpen. Die Pumpe 36 kann entweder einen Riemenantrieb oder einen elektrischen
Antrieb je nach der Art des-Motoreinbaus haben.
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tiie ferner in Fig. 2 gezeigt, kann ein temperaturempfindliches Entlüftungeventil
40 an der oberen Kondensatorkammer 20 vorgesehen werden, um alle Luft oder andere
nicht kondensierbare Gase aus dem Kondensator 18 zum Beginn des Betriebs abzuleiten.
Das Entlüftungsventil 40 wird thermostatisch so gesteuert, daß der Entlüftungsauslaß
beim Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur innerhalb der oberen Kammer schließt,
um zu verhindern, daß Dampf durch die Entl1.1ftung entweicht was zu einem Kthlmittelverlust
aus dem System führen würde. Im allgemeinen ist das Entlüftungsventil 40 von einer
Bauart und Arbeiten weise, wie sie in dem USA-Patent 3.082.753 beschrieben ist,
in
den Raum des herkömmlichen Kühlers des Motors einem baut werden kann.
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Der Aufbau und die Arbeitsweise des erfindungsgemässen Verdampfungs]cühlsystems
ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen und zwar zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht einer Brennkraftmaschine
für ein Fahrzeug mit den erfindungsgemässen Merkmalen; Fig. 2 in verarössertem Maßstab
eine Teilansicht im Schnitt durch den in Fig. 1 gezeisten Kilhler bzw.
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Kondensator; Fig. 3 eine schematische Darstellung des geschichteten
Kondensationsprozesses, der in dem in Fig. 2 gezeigten KÜhler oder Kondensator stattfindet.
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In Fig. 1 ist die Erfindung in Anwendung auf eine herkömmliche Brennkraftmaschine
10 mit einem Wassermantel 12 dargestellt, der für den Umlauf eines Kühlmittels innerhalb
des Zylinderblocks 14 dient.
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Das erfindungsgemasse neuartige Kühlsystem für den Motor 10 ist ein
im wesentlichen geschlossenes Kreislaufsystem, bei welchem das Kühlmittel durch
den Wassermantel 12 des Blocks 14 und durch den Zylinderkopf 16 in Umlauf gesetzt
wird; ein kombiniertes Auslaß- und Rückführungsrohr 17 dient zur Verbindung zwischen
dem Zylinderkopf 16 und der oberen Kammer 20 eines Kühlers bzw. Kondensators 18.
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Der Kondensator 18 ist, wie sich aus der nachfolgenden
auf
welches Patent wegen evtl-. näherer Einzelheiten Bezug genommen wird. Für die Zwecke
der Erläuterung der Erfindung genügt es, daß das Ventil 40 mit einem Thermostaten
42 versehen ist, der sich in die obere Kammer 20 erstreckt, welche mit einem Ventilgehäuse
44 verbunden ist, das an der Aussenseite der Kammer 20 angeordnet und mit einer
Entlüftungsöffnung 46 versehen ist, welche in der OfEenstellun,r des Ventils mit
der Aussenluft in Verbindung steht. Die untere Kammer 22 wird durch eine Leitung
49 entlüftet, die sich von der unteren Kammer in das Ventilgehäuse 44 erstreckt
und daher mit dem Belüftungsauslaß 46 in Verbindung steht, wenn der Thermostat geöffnet
hat. Eine wirksame Entlüftung des Kondensators bei der Inbetriebnahme des Motors
ohne Austreiben von Dampf durch die Entlüftung geschieht wie folgt: wenn bei im
Betrieb befindlichem Motor das Dampf-Wasser-Gemisch aus dem Motor durch das Rohr
17 hindurch und in die obere Kammer 20 eintritt und bevor das Dampfwasser den Dampf
zustand erreicht, d.h. bei etwa 80°C, bewirkt der Thermostat 42 das sofortige Schliessen
des Entlüftungsauslasses, 46, um einen Dampfverlust durch die Entlüftung zu verhindern.
Dies ist eine wichtige Funktion, da der Motor während langer Zeiträume ohne wartung
arbeiten soll. Wenn Dampf durch die EntlÜftung ausgetrieben werden würde, würde
durch den hierdurch verursachten Kühlmittelverlust der zllirkungsgrad des Kühlsystems
beträchtlich verringert werden und das Kühlmittel müßte periodisch auf das erforderliche
Betriebsniveau nachgefüllt werden. Die Anordnung eines Thermostaten in der oberen
Kammer 20 in inni"',em Kontakt, mit dem ankommenden Dampf-Wasser und die Entlüftung
nur über die untere Kammer 22 gewährleistet ein sofortiF,es Schliessen der Entlüftung
beim Erreichen der Dampfzustandstemperatur, bevor irgendwelcher Dampf verloren geht.
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Das Kond'ns Leren des Dampfes im Kondensator lB geschieht
in
einer derartigen Weise, die durch das Erfordernis notwendi,,"" gemacht wird, den
Kondensator in den Raum einzubauen, der normalerweise fÜr den herkömmlichen Kühler
vorgesehen ist. Für diesen Zweck ist der Aufbau des Kondensators 18 wie folgt: Der
Boden der oberen Kammer 20 ist mit einem Mantel bzw.
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mit einer Leitwand 48 versehen, die sich quer durch die Kammer von
der einen Seite zur anderen und von einem Ende zum anderen silber die oberen Enden
der Rippenrohre 26 erstreckt und an den Seitenwänden l9 und 21 der Kammer befesti(t
ist und luft- und wasserdicht um. die Kanten herum abZedlchtet ist, wie bei 50 gezeigt.
Die Leitwand 48 befindet .sich von den Enden der Rohre 26 aus einem nachfolgend
naher erläuterten Grund in einem bestimmten Abstand und ist schrMg nach hinten und
unten geneigt, wie bei 52 angegeben, so daß sie sich unterhalb der unteren Höhe
der Einlaßrohröffnung 54 befindet, die mit dem Rohr 17 in Verbindung steht. Der
vordere Teil 56 der Leitwand 48 ist eben und mit oeffnungen 58 versehen, welche
eine Anzahl stehender Rohre 60 aufnehmen und um die Kanten herum abgedichtet sind,
wie bei 62 gezeigt. Die Rohre 60 erstrecken sich innerhalb der Kammer 20 nach oben
bis in die Nähe der oberen Wand 64 der Kammer, so daß sie von dieser einen verhältnismässig
kleinen Abstand 63 hat. Die Rohre 60 stellen daher die einzige Verbindung zwischen
der oberen Kammer 20 und den Rippenrohren 26 dar. Durch die Rohr- und Leitwandanordnung
wird die obere Kammer 20 in eine erste Kammer 66 unterteilt, welches die Verwirbelungskammer
ist, die das Dampf-Wasser-Gemisch aus dem Motor über die Rohrleitung 17 aufnimmt.
Der Thermostat 42 für das Luftventil 40 ist in dieser Kammer angeordnet, um die
Temperatur des Dampf-Wasser-Gemisches unmittelbar abzufühlen. Eine zweite Kammer
68 ist zwischen der Unterseite d er Leitwand 48 und dem offenen oberen Ende der
Rippenrohre
26 des Kerns 24 vorgesehen.
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Diese Anordnung ergibt einen mehrstufigen bzw. geschichteten Kondensationsprozeß,
wie schematisch in Fig. 3 dargestellt und nachfolgend beschrieben. Wenn das Gemisch
aus heissem Dampf und Wasser ST-" in die Verwirbelungskammer 66 eintritt, beaufschlagt
es die Seiten der Kammer und die Rohre 60. Wenn sich die Temperatur der Gemisches
dem Dampf zustand" annähert, bewirkt vorher der Thermostat 42 das Schliessen des
Luftventils 40, wodurch das System vor dem "Dampfzustand" gegen die Aussenluft vollständig
abgedichtet wird, so daß kein Dampf entweichen kann, Der Kondensationsprozeß nimmt
seinen Fortgang, wenn sich Dampf und Wasser in der Verwirbelungskammer 66 trennen,
so daß das Wasser 'tW" sich am Boden der Kammer bzw. auf der Leitwand 48 niederschlägt,
während in Dampf nach oben zur oberen Wand der Kammer steigt. Diese Stufe ist in
der oberen Schicht des in Fig. 3 gegebenen Schemas angegeben. Das Wasser 'tW' 5
das sich am Boden der Kammer 66 niedergeschXgen hat, schließt durch Gefällewirkung,
welche durch den Schrägtei'l 52 der Leitwand 48 erleichtert wird, in das Rohr 17
zur Rückführung zum Motorwassermantel 12 zurück. Dadurch, daß der Dampf die Rohre
60 und die obere Wand der Kammer 66 beaufschlagt, wird seine Strömungsgeschwindigkeit
im Gegensatz zur Wirbelstromung stark verlangsamt. Der Dampf tritt dann in die Rohre
60 von oben ein, so daß seine Strömungsgeschwindigkeit durch den engen Raum 63 zwischen
den oberen Enden der Rohre und der oberen Wand 64 der Kammer noch weiter herabgesetzt
wird.
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Der Dampf "ST" steigt dann die Rohre 60 nach abwärts und tritt am
unteren Ende der Rohre 60 in die untere Kammer 6-8 aus, wobei er sich gleichzeitig
entspannt. Infolge des innigen OberflAchenkontakts des Dampfes mit den innenwänden
der Rohre 60 und mit den Oberflächen der Bodenkammer G8 findet ein WärmeiIbergang
statt, durch den der Kondensationsprozeß
einCeleitet x7ird. Wenn
der abgekühlte Dampf in die Rinpenrohre 26 im Kern 24 der Bodenkammer 68 eintritt,
wird die Wärmeübergangswirkung verstärkt und der Dampf wird durch die Kühlluft,
welche um die Rippenrohre zwischen den Rippen 25 zirkuliert, rasch abgekühlt, wodurch
der Kondensationsprozeß beendet wird, wobei der kondensierte Dampf in Form von Wassertröpfchen
70 nach unten von den Rippenrohren in die untere Kammer 22 des Kondensators 18 f'-;.llt.
Diese Kondensationsstufen sind in der unteren Hälfte des in Fig. 3 gegebenen Schemas
dargestellt. Das in der unteren Kammer gesammelte Kondensat "ct wird dann kontinuierlich
durch eine Pumpe 36 zur Rückführung zum Motorwassermantel über die Leitung 38 gepumpt.
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Der vorangehend beschriebene Kondensationszyklus wiederholt sich kontinuierlich,
so lange der Motor in Betrieb 1st, wodurch ein hochwirksames Verdampfungskühlsystem
erhalten wird.
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Anf9nglch ist der Kondensator 18 leer und wird kein Kühlmittol mit
Ausnahme von dem in ihn eingeleitet, das vom rotor wihrend des Betriebs kommt. Der
Motorwassermantel 12 wird anfänglich mit Kühlmittel durch eine Einfüllöffnung 72
gefüllt, die in der NEhe des Zylinderkopfes 16 angeordnet ist. Das Kühlmittel kann
einfaches Wasser mit einem Zusatz oder, um einen Gefrierschutz zu erhalten, eine
wässerige Lösung sein, beispielsweise wie die unter der Bezeichnung -"Dowtherm 209"
in den Handel gebrachte.
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Durch den erfindungsgemässen mehrstufigen Kondensator wird ein hochwirksames
Verdampfungskühlsystem für Brennleraftmaschinen geschaffen das besonders für Motoranlagen
geeignet ist, welche über verhältnismässig lange Zeiträume
bei
geringstmöglicher Wartung betrieben werden soll.
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Der erfindungsgemässe Kondensator ist mit einem herkömmlichen Kühler
austauschbar, so daß keine Veränderungen unter der Motorhaube eines Fahrzeugmotors
notwendig ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt,
sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren.' Patentansprüche: