DE2153278A1

DE2153278A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE2153278A1
Application number: DE19712153278
Authority: DE
Inventors: Siu Yun Riseholme Lincoln; Quicke Kenneth George Bromsgrove Worcestershire; Stratford David James Branston Lincoln Poon (Großbritannien). M
Original assignee: Clayton Dewandre Co Ltd
Current assignee: Wabco Automotive UK Ltd
Priority date: 1970-10-26
Filing date: 1971-10-26
Publication date: 1972-06-29
Also published as: GB1313154A; US3762467A

Description

DipUng. A. Spalthoff

Patentanwalt

3 ESSEN

Pelmanstraße 31 · Postschließfach 1S33 Telefon 77 20 08

25. Oktober I97I

21 066

CLAYTON DEWANDRE COMPANY LIMITED

Titanic Works, Lincoln, England

Wärmetauscher

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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und insbesondere einen spiralförmigen Wärmetauscher, hauptsächlich für die Verwendung bei wirtschaftlich genutzten Fahrzeugen als Ölkühler .

Erfindungsgemäß wird ein Wärmetauscher geschaffen, der eine spiralförmige Wärmeaustauscheinrichtung hat, die zwei getrennte, durch ihn hindurchgehende Fluidwege begrenzt. Diese Einrichtung ist von einem Gehäuse umgeben, das mit Stirnplatten versehen ist. Jede der Stirnplatten hat wiederum eine spiralförmige Sitzfläche für die Aufnahme des anliegenden Endes der Wärmeaustauschspirale.

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Anhand der beiliegenden Zeichnungen werden beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt perspektivisch teilweise geschnitten eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Wärmetauscher von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt perspektivisch im Schnitt eine weitere Ausführungsform eines Wärmetauschers.

Fig. k ist ein Querschnitt durch den Wärmetauscher von Fig. 3-

Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Wärmetauscher hat ein Gehäuse Io mit einer zylindrischen Außenwand 11, die durch an jedem Ende verschraubte Stirnplatten 12 bzw. .13 verschlossen ist. Die zylindrische Außenwand 11 hat einen radial verlaufenden Wassereinlaß 14, der diametral gegenüber einem gleichermaßen radial verlaufenden Ölauslaß 15 angeordnet ist. Die Stirnplatte 13 hat einen axialen Wasserauslaß 16, während die andere Stirnplatte einen mittig angeordneten, entfernbaren Deckel 17 hat, der mit einem Öleinlaß 18 versehen ist.

In dem Gehäuse Io ist ein rohrförmiges Ölfilter 19 axial angeordnet und gegenüber der Stirnplatte 13 mit dem Wasserauslaß durch eine axial angeordnete Schraubenfeder 2o vorgespannt, von der das eine Ende an dem angrenzenden Ende des Ölfilters 19 und das andere Ende an dem Deckel 17 anliegt. Das Ölfilter 19 kann durch Entfernen des Deckels 17 ausgewechselt werden.

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Zwischen dem Ölfilter 19 und der zylindrischen Außenwand 11 des Gehäuses Io ist eine spiralförmige Wärmeaustauscheinrichtung 21 vorgesehen. Diese Einrichtung 21 umfaßt eine . spiralförmige Gußplatte 22, die ein Stück mit der Außenwand 11 bildet und U-förmige Faltungen bzw. Wellungen (Fig. 1) hat, welche mit spiralförmigen Sitzflächen 23 an den Innenflächen einer jeden der Stirnplatten 12, 13 in Eingriff bzw. Verbindung stehen und eine Bahn W für den Wasserstrom und eine Bahn O für den Olstrom abgrenzen, die völlig voneinander getrennt sind.

Für den Betrieb kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher beispielsweise an ein nicht gezeigtes, wirtschaftlich genutztes Fahrzeug angeschlossen werden, so daß das heiße Ol aus dem Motor von dem Kühlwassersystem des Motors gekühlt wird. Der Wärmetauscher ist so angeschlossen, daß das einströmende heiße Öl zuerst radial durch die Wand des Filters 19 und dann längs der Spiralbahn strömt, die von der Wärmeaustauschplatte 23 begrenzt ist. Danach strömt das Öl aus dem Wärmetauscher durch den radialen Ölauslaß I5 ab. Das von dem Kühlsystem des Fahrzeugs zuströmende Wasser tritt durch den radialen Wassereinlaß l4 ein, strömt um die Wärmeaustauschplatte 22 dem 01- ψ strom entgegengesetzt herum und verläßt den Wärmetauscher schließlich durch den axialen Wasserauslaß l6. Daraus wird ersichtlich, daß das Wasser und das Öl nur von der Wärmeaustauschplatte 22 in der Spirale getrennt sind und daß deshalb ein guter Wärmeübergang erreicht wird, der dadurch noch vergrößert wird, daß die Richtung des Ölstroms der Richtung des Wasserstroms entgegengesetzt ist.

Die Wärmeaustauschfläche längs der Bahn O des Öls kann durch teilweises Füllen des Bahnweges mit Aluminiumschrot bzw.

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Aruminiumreis (nicht gezeigt) oder durch ein anderes geeignetes Metall oder Material erhöht werden, das an den Wärmeaustauschwänden angeschmolzen ist. Die Metallteilchen können derart verschmolzen werden, daß die Festigkeit der Wärmeaustauschwände erhöht wird, so daß der Wärmetauscher hohen Innendrucken gewachsen ist. Statt dessen kann jedoch in dem Spiralweg W des Wassers auch ein nicht gezeigter Abstandsstreifen angeordnet werden, der die Wände der Wärmeaustauschplatte 22 stützt. Der Abstandsstreifen kann derart angeordnet werden, daß man ein verbessertes Strömungsprofil in der Bahn W des Wasserstromes erhält. Ebenso kann das für den Weg 0 des Ölstroms zur Verfügung stehende Innenvolumen durch die Größe der Körner oder der Metallteilchen für einen gegebenen Querschnitt der Ölstrombahn eingestellt werden.

ten Ausführungsform eines

Der sich aufgrund einer bevorzug erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergebende Vorteil besteht darin, daß ein Ölkühler und ein Ölfilter in einer beträchtlich vereinfachten Baueinheit kombiniert sind, wodurch die Herstellungskosten verringert und die Installierung erleichtert ist. Weitere Vorteile, die sich aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion ergeben, bestehen darin, daß die an dem Weg W des Wasserstroms zur Verfügung stehende Oberfläche verglichen mit herkömmlichen Rohrbündelölkühlern beträchtlich erhöht ist. Weiterhin verwendet die Konstruktion hauptsächlich Gußteile für die einzelnen Bauteile, wodurch unerwünschte Prozesse, wie Löten oder Hartlöten, entfallen. Durch Verändern der Länge der spiralförmigen Wärmeaustauschkanäle, die von der Wärmeaustauschplatte 22 gebildet werden, können Einheiten von veränderlicher Wärmekapazität bzw. variablem Wärmehaushalt hergestellt werden. Weiterhin ist die Konstruktion des erfindungsgemäßen Wärmetauschers so vorgesehen, daß eine Verunreinigung zwischen den beiden Medien, d. h. dem Öl und dem Wasser, nicht möglich ist, wodurch die Betriebssicherheit außerordentlich erhöht wird.

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BAD ORIGINAL

Die in den Figuren 3 und 4 gezeigte zweite Ausfiihrungsform der Erfindung umfaßt ein Gehäuse 24 in Form einer zylindrischen Außenwand 25, an der jeweils Stirnplatten 26, 27 an jedem Ende angeschraubt sind. Die zylindrische Außenwand 25 ist in einem Stück mit einem insgesamt rohrförmigen Teil 28 hergestellt, dessen Achse sich insgesamt parallel zur Achse der Außenwand 25 erstreckt. Das Rohr 28 stellt eine Verbindung mit einem komplementären Teil 29 bzw. 3° einer jeden Stirnplatte 26, 27 her, so daß an einem Ende ein Ö laus laß und am anderen Ende ein Wassereinlaß 32 ausgebildet ist. Die Stirnplatte 26 mit dem Ö laus laß 31 hat weiterhin einen axialen Öleinlaß 33» während die andere Stirnplatte 27 einen axialen Auslaß 34 für das Wasser hat. Der Öleinlaß 33 sitzt in einem entfernbaren Deckel 35« der das Auswechseln des Filters ermöglicht.

Das rohrförmige Filter 36 ist axial in dem Gehäuse 24 angeordnet und gegen die Stirnplatte 27 mit dem Wasserauslaß durch eine Schraubenfeder 37 vorgespannt, die zwischen dem gegenüberliegenden Ende des Filters 36 und dem Deckel 35 sitzt.

Zwischen dem Ölfilter 36 und der zylindrischen Außenwand 25 des Gehäuses 24 ist eine spiralförmige Wärmeaustauscheinrichtung 38 angeordnet. Diese Einrichtung 38 umfaßt·zwei im Abstand voneinander angeoxzfciete, insgesamt rechteckige Metallbleche 39, 4o, die längs ihrer Längsränder verklemmt oder in anderer Weise miteinander so verbunden sind, daß ein umhüllungsartiger Aufbau geschaffen wird, der an beiden Enden offen ist. Die Metallbleche sind in eine Spirale gelegt bzw. gewickelt und haben Wellungen 4l. Einige der Wellungen stehen mit dem benachbarten Metallblech in Berührung, so daß dadurch die Spirale eine erhöhte Festigkeit erhält. Die Wellungen 4l

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BAD ORiOfNAL

erhöhen auch die Wärmeaustauschoberfläche und können so angeordnet werden, daß man in der Spirale den gewünschten Strömungsverlauf bzw. das gewünschte Stromlinienbild erhält. In der Innenfläche einer jeden der Stirnplatten 26, 27 ist jeweils ein wendeiförmiger Sitz 42, 43 so vorgesehen, daß die gegeneinander verklemmten bzw. gequetschten Enden der Spirale aufgenommen werden. Die Spirale ist an die 01- und Wassereinlässe bzw. -auslasse so angeschlossen, daß eine Bahn O* für den Ölstrom bzw. eine Bahn W* für den Wasserstrom begrenzt ist, die völlig voneinander getrennt sind.

Der Öleinlaß 33 ist mit einem Mittelrohr 44 verbunden, das mit i« Abstand voneinander angeordneten Öffnungen 45 versehen ist, um eine gleichmäßige Verteilung des zuströmenden Öls über das Filter 36 zu begünstigen. Das Mittelrohr 44 ist an einem Ende eingeschraubt, damit der Deckel 35 an seiner zugehörigen Stirnplatte 26 mit Hilfe eines Paares von Arretiermuttern 46, die auf das Rohr 44 geschraubt sind, angebracht werden kann.

Im Betrieb kann der vorstehend beschriebene Wärmetauscher beispielsweise in ein nicht gezeigtes wirtschaftlich genutztes Fahrzeug so eingesetzt werden, daß das heiße Öl des Motors von dem Wasser aus dem Motorkühlsystem gekühlt wird. Der Wärmetauscher ist so angeschlossen, daß das zuströmende heiße Öl zuerst durch die Öffnungen 45 in dem Mittelrohr 44, dann radial durch die Wände des Filters 36 und schließlich längs seiner Spiralbahn 0* strömt, die von den Metallblechen 39» 4o der Wärmeaustauscheinrichtung 38 begrenzt ist, bis das Öl den Wärmetauscher durch den Ölauslaß 3I verläßt. Das

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von dem Kühlsystem des Fahrzeugs zuströmende Wasser tritt durch den Wassereinlaß 32 ein, strömt längs der Spiralbahn W¹ in der Wärmeaustauscheinrichtung 38 entgegengesetzt zur Strömung des Öls und verläßt schließlich den Wärmetauscher durch den axialen Wasserauslaß Jk. Man sieht, daß als Metallbleche 391 ^o der Wärmeaustauscheinrichtung 38 dünnwandige Metalle verwendet werden können, wodurch die Herstellungs- ^ kosten verringert werden und man gute Wärmeübergangskennzah- ^r len zwischen den beiden Medien erhält, die dadurch noch verbessert werden, daß sich Öl und Wasser im Gegenstrom bewegen.

Die Wellungen kl in den Metallblechen 39, ^o der Spirale erzeugen eine sehr massive Wärmeaustauscheinheit, die infolge der von den Wellungen kl, welche benachbarte Wände der Spirale absteifen, hervorgerufenen Steifheit hohen Flüssigkeit sdrucken widerstehen kann.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Wärmetauscher, gekennzeichnet durch eine spiralförmige Wärmeaustauscheinrichtung (21, 38), die zwei durch den Wärmetauscher hindurchgehende getrennte Fluidwege (W, O, W¹, O¹) begrenzt, durch ein diese Einrichtung (21, 38) umgebendes Gehäuse (lo, 24) mit Stirnplatten (12, I3; 26, 27), von denen jede mit einem entsprechenden spiralförmigen Sitz (23, k2, 43) für die Aufnahme des angrenzenden Endes der Wärmeaustauschspirale (21, 38) versehen ist.

Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zentral zur Wärmeaustauscheinrichtung (21, 38) ein rohrförmiges Filter (19» 36) so angeordnet ist, daß
eine zu kühlende Flüssigkeit durch das Filter (19_t 36) sowie durch die Wärmeaustauscheinrichtung (21, 38) geht.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscheinrichtung (21) eine spiralförmige Platte (22) mit U-förmigen Wellungen umfaßt, die mit Sitzflächen (23) in den jeweiligen Stirnplatten (12, 13) in Eingriff steht, so daß ein Weg für den Wasserstrom (W) und ein Weg für den Ölstrom (0)
durch die Wärmeaustauscheinrichtung (21) begrenzt ist.

k. Wärmetauscher nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (lo) eine zylindrische Außenwand (11)
mit einer an jedem Ende angebrachten Stirnplatte (12, I3) hat und mit einem radialen Wassereinlaß (l4) und einem radialen Ölauslaß (15) versehen ist, wobei die eine der Stirnplatten (I3) einen Wasserauslaß (15) hat, während die andere Stirnplatte (12) mit einem Öleinlaß (l8) versehen ist. 209827/0499

- Io -

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (19) axial in dem Gehäuse (lo) angeordnet und gegen eine der platten (13) durch eine Schraubenfeder (2o), die am angrenzenden Ende des Filters (19) anli-egt, vorgespannt ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscheinrichtung (38) zwei im Abstand voneinander angeordnete, insgesamt rechteckige Metallbleche (39, ^o ) umfaßt, die längs ihrer Längsränder so miteinander verbunden sind, daß ein mantelartiger Aufbau geschaffen ist, der an beiden Enden offen ist, und daß diese Einrichtung (33) in eine Spirale gelegt ist, so daß eine Bahn (O^f) für den Ölstrom und eine Bahn (W* ) für den Wasserstrom durch die Einrichtung (38) abgegrenzt ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (24t) eine zylindrische Außenwand (25) mit jeweils einer mit den Stirnseiten verbundenen Stirnplatte (26, 27) umfaßt, wobei die Außenwand (25) mit einem insgesamt rohrförmigen Teil (28) versehen ist, dessen Achse sich insgesamt parallel zur Achse der Außenwand (25) erstreckt und einen Ölauslaß (3I) einem Ende und einen Wassereinlaß (32) am anderen Ende aufweist, während die eine platte (26) mit einem Öleinlafl (33) und die andere platte (27) mit einem Wasserauslaß (3^) versehen ist.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (36) axial in dem Gehäuse (2k) angeordnet und gegen die eine !.platte (27) durch eine Schrauben-

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feder (37) vorgespannt ist,-die zwischen dem gegenüberliegenden Ende des Filters (36) und einem entfernbares Decke
ordnet ist.

baren Deckel (35) an der anderen platte (27) ange-

9» Wärmetauscher nach Anspruch 6,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbleche (39, ^o) mit Wellungen ((ti) versehen sind, von denen einige in Berührung mit dem benachbarten Metallblech stehen, um so die Festigkeit der Spirale zu erhöhen.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 7, 8 oder 91 dadurch gekennzeichnet , daß der Öleinlaß (33) mit einem zentralen Rohr (%ft) verbunden ist, das mit im Abstand voneinander angeordneten Öffnungen (45) versehen ist, um dadurch eine gleichmäßige Verteilung des zuströmenden Öls über das Filter (36) zu begünstigen.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 his Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübergangsfläche längs der Bahn des Ölstromes (O, O¹) durch teilweises Füllen dieses Weges mit Aluminiumkörnern erhöht ist, die an den Wärmeaustauschwänden angeschmolzen sind.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 his Io, gekennzeichnet durch einen Abstandsstreifen zwischen den Wänden der Spirale, um diese Wände abzustützen.

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