DE4320343A1 - Wärmetauscher, insbesondere Querstromkühler für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Querstromkühler für Brennkraftmaschinen mit beidseitig eines Rippenrohrblockes angeordneten Wasserkästen und mit einem Aus­ gleichsbehälter für das Kühlmittel, der einem ersten, an seinem oberen Ende mit einem Zulaufstutzen versehenen Wasserkasten zu­ geordnet ist.

Wärmetauscher dieser Art sind bekannt (EP 0 184 197 B1). Bei diesen Bauarten mündet der Zulaufstutzen im oberen Bereich des ersten Wasserkastens seitlich in diesen. Der Wasserkasten selbst ist mit einer parallel zu seiner Längsachse verlaufenden Trennwand im Inneren versehen, die der dem Rohrboden gegenüber­ liegenden Seite des Wasserkastens zugeordnet ist. Diese Trenn­ wand trennt einen von oben nach unten im Wasserkasten durch­ laufenden Kanal ab, der in seinem unteren Bereich über ein Ver­ bindungsstück in einen einstückig mit dem Wasserkasten herge­ stellten Unterteil eines Ausgleichsbehälters mündet. Das Ober­ teil des Ausgleichsbehälters ist dort transparent gestaltet, um den Füllstand beobachten zu können.

Bekannt ist es auch (DE 33 41 390 A1, Fig. 4), dem mit dem Ein­ trittsstutzen versehenen Wasserkasten einen etwa parallel dazu verlaufenden Ausgleichsbehälter zuzuordnen, der aber nicht mit dem Innenraum dieses Wasserkastens, sondern über ein gesonder­ tes, den Rippenrohrblock durchsetzendes Rohr vom anderen Was­ serkasten aus mit dem Kühlmittel in Verbindung steht, wobei auch dort - in dem dem ersten Wasserkasten gegenüberliegenden Wasserkasten - eine Trennwand in den oberen Bereich hochgezogen ist, die einen Kanal bildet, der wiederum mit dem vorher er­ wähnten Rohr in Verbindung steht. Bei dieser Bauart befindet sich aber auch der Auslaufstutzen am ersten Wasserkasten, so daß dort eine U-förmige Durchströmung des Rippenrohrblockes stattfindet, die auch durch die Anordnung entsprechender Trenn­ wände im ersten Wasserkasten bewirkt wird. In beiden Fällen gehen die Ausgleichsbehälter über etwa die gesamte Höhe der Wasserkästen durch. Das gilt auch für Ausführungen (DE 33 41 390 A1, Fig. 1) wo der Ausgleichsbehälter dem mit dem Auslauf­ stutzen versehenen Wasserkasten zugeordnet ist. Wärmetauscher dieser Art lassen sich in die oft beengten Einbauräume in Kraftfahrzeugen nicht immer einsetzen. Auch die Zuordnung des Ausgleichsbehälters zu dem mit dem Ablauf versehenen Wasser­ kasten ist nicht immer möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärme­ tauscher, insbesondere einen Querstromkühler der eingangs ge­ nannten Art so auszugestalten, daß der Ausgleichsbehälter keinen Raum über die gesamte Höhe des Wasserkastens einnimmt, aber dennoch die Gewähr für eine ausreichende Entlüftung des Kühlmittels in den Ausgleichsbehälter und eine ausreichende Durchströmung des Ausgleichsbehälters gewährleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Aus­ gleichsbehälter ausschließlich im Bereich neben dem Zulauf­ stutzen angeordnet und über einen im Bereich der höchsten Stelle des Ausgleichsbehälters mündenden Kanal mit dem Eintrittsraum hinter dem Zulaufstutzen verbunden ist, daß der Eintrittsraum von dem Innenraum des Wasserkastens durch eine Drosselwand ab­ getrennt ist, die einen kleineren Strömungsquerschnitt freigibt als der Strömungsquerschnitt des Zulaufstutzens, und daß der Ausgleichsbehälter in seinem unteren Bereich über eine Öffnung mit dem Innenraum des Wasserkastens in Verbindung steht, die in Strömungsrichtung hinter der Drosselwand mündet. Durch diese Ausgestaltung wird in dem Eintrittsraum hinter dem Zulaufstutzen zwangsläufig ein höherer Druck des Kühlmittels als im übrigen Bereich des Wasserkastens hervorgerufen, der eine Zwangsdurchströmung des im höchsten Bereich des Aus­ gleichsbehälters mündenden Kanales bewirkt. In den Einlauf­ stutzen eintretende Luft wird daher, da der Kanal nach oben führt, mit der dort stattfindenden Strömung mitgenommen und gelangt in den oberen Bereich des Ausgleichsbehälters, der auf diese Weise ausschließlich am oberen Ende des Eintrittswasser­ kastens angeordnet zu sein braucht und daher keinen zusätz­ lichen Raum seitlich neben einem der Wasserkästen einnimmt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Drosselwand eine quer zu der Längsachse des Wasserkastens stehende zum Rohrboden hin abstehende Trennwand ist, die in einem bestimmten, den Strömungsquerschnitt bestimmenden Abstand vor dem Rohrboden endet. Durch die Wahl dieses Abstandes läßt sich das für Luft vorgesehene Grundvolumen des Ausgleichsbe­ hälters, das in der Regel oberhalb des oberen Rohres des Rippenrohrblockes liegt, beeinflussen. Der Abstand wird daher zweckmäßigerweise so gewählt, daß sich im Betrieb ein genügend großes Luftvolumen im Ausgleichsbehälter befindet, durch das auch der Kühlmittelstand entsprechend geregelt ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der vom Ein­ trittsraum in den Ausgleichsbehälter führende Kanal durch eine parallel zu der Außenwand des Ausgleichsbehälters geführte Wand gebildet ist, die einstückig mit dem Ausgleichsbehälter und dem Eintrittsraum hergestellt ist. Durch diese Ausgestaltung kann in einfacher Weise zum einen der gewünschte Kanalquerschnitt er­ reicht werden, zum anderen ist die Herstellung auch sehr ein­ fach.

Der Zulaufstutzen kann seitlich am Ausgleichsbehälter ange­ bracht sein, wobei der Ausgleichsbehälter vorteilhafterweise eine parallel zu der Längsachse des Wasserkastens verlaufende Trennfläche besitzt, auf die ein Abschlußdeckel mit dem Zulauf­ stutzen aufgeschweißt wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einstückige Herstellung von Wasserkasten und Ausgleichsbehäl­ ter. Schließlich ergibt sich eine besonders raumsparende Aus­ führungsform für den Wärmetauscher, wenn der Ablaufstutzen für das Kühlmittel an der Unterseite des dem mit dem Ausgleichs­ behälter versehenen Wasserkasten gegenüberliegende Wasser­ kastens angebracht ist. Durch diese Ausgestaltung, bei der keine U-Durchströmung des Querstromkühlers vorliegt, bleiben beide Wasserkästen über den größten Teil ihrer Länge frei von äußeren Zusatzteilen, und der Ausgleichsbehälter ist nur einem der Wasserbehälter im oberen Bereich zugeordnet. Der Einbauraum für einen solchen Wärmetauscher kann daher sehr klein gehalten werden.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Querstromkühlers für einen Verbrennungsmotor, ins­ besondere für ein Nutzfahrzeug,

Fig. 2 die Ansicht des Querstromkühlers der Fig. 1 in Richtung des Pfeiles II gesehen,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des oberen Bereiches des Querstromkühlers nach der Erfindung in der Ansicht nach Fig. 2, jedoch bei abgehobenen Abschlußdeckel, um einen Einblick in den Ausgleichsbehälter zu ge­ statten,

Fig. 4 den Schnitt durch den Ausgleichsbehälter nach Fig. 3 in Richtung der Linie IV-IV geschnitten, und

Fig. 5 den Schnitt durch den Ausgleichsbehälter nach Fig. 3 in Richtung der Linie V-V geschnitten.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Querstromkühler gezeigt, der aus einem Rippenrohrblock (1) mit horizontal verlaufenden Rohren und dazwischen senkrecht zu den Rohrachsen (2) verlaufenden Rippen aufgebaut ist, was im einzelnen nicht gezeigt ist. Die Rohre sind dabei in bekannter Weise jeweils in Rohrböden (3) und (4) gehalten, von denen der Rohrboden (4) an einem ersten Wasserkasten (5) und der Rohrboden (3) an einem zweiten Wasser­ kasten (6) befestigt ist. Dem ersten Wasserkasten (5) ist aus­ schließlich im oberen Bereich ein Ausgleichsbehälter (7) zuge­ ordnet, der aus einem einstückig mit dem Wasserkasten gegosse­ nen oder gespritzten Ausgleichsbehälterteil (7a) und einem auf diesen längs einer Trennfläche (8) aufgeschweißten Abschluß­ deckel (9) besteht, der mit einem Zulaufstutzen (10) für das Kühlmittel versehen ist. Dieser Zulaufstutzen (10) kann ein­ stückig mit dem Abschlußdeckel (9) ausgebildet sein. Beim Aus­ führungsbeispiel besteht er allerdings aus einem gesonderten Stutzenteil, der in nicht näher dargestellter Weise an der Trennfläche (8) angebracht, insbesondere verschweißt wird.

Im Gegensatz zu bekannten Wärmetauschern ist daher der Zulauf­ stutzen (10) nicht dem Wasserkasten (5) unmittelbar zugeordnet, sondern dem einstückig an diesem Wasserkasten (5) angeordneten Ausgleichsbehälter (7). Die Fig. 1 und 2 zeigen zunächst, daß der Querstromkühler (1) nach der Erfindung über den größten Bereich seiner beiden Wasserkästen (5 und 6) frei von Anbau­ teilen ist. Die Durchströmung des Querstromkühlers (1) erfolgt vom Zulaufstutzen (10) und dem Wasserkasten (5) zum Wasserkasten (6). Das Kühlmittel verläßt dann den Querstromkühler (1) durch einen Ablaufstutzen (12), der an der Unterseite des Wasser­ kastens (6) vorgesehen ist. Dem Ausgleichsbehälter (7) ist in bekannter Weise ein Einfüllstutzen (13) zugeordnet. Beide Wasserkästen (5 und 6) sind mit stirnseitig abstehenden Zapfen (14 und 15) zur Befestigung am Fahrzeug versehen.

Um die erforderliche Entlüftung des dem Zulaufstutzen (10) zu­ strömenden Kühlmittels zu erreichen, ist, wie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt, der mit dem Wasserkasten (5) einstückig ver­ bundene Teil (7a) des Ausgleichsbehälters (7) in besonderer Weise ausgebildet.

Die Fig. 3, bei der der Abschlußdeckel (9) und der Anschluß­ stutzen (10) weggelassen ist, zeigt, daß hinter dem Zulauf­ stutzen (10) ein Eintrittsraum in der Form eines bis in den Innenraum des Wasserkastens (5) oberhalb des nicht gezeigten Rohrbodens (4) durchgehenden Schachtes (16) vorgesehen ist. Die­ ser Schacht (16) mündet in den Innenraum des Wasserkastens (5) so, daß eine Zuströmung des Kühlmittels in den Wasserkasten (5) im Sinne der Pfeile (17) erfolgt. Die Fig. 3 bis 5 zeigen, daß in dem Verbindungsweg zwischen dem Schacht (16) und dem Innenraum (18) des Wasserkastens (5) eine Drosselwand (19) hereinragt, die als eine quer zur Längsachse (20) des Wasser­ kastens (5) stehende, vom Ausgleichsbehälterteil (7a) zum Rohr­ boden (4) hin abragende Querwand ausgebildet ist. Diese Dros­ selwand (19) besitzt beim Ausführungsbeispiel eine parallel zum Rohrboden (4) verlaufende Unterkante, die in einem bestimmten Abstand (a) vor dem Rohrboden (4) mündet. Dieser Abstand (a) bestimmt mit den übrigen Abmessungen des Durchströmungskanales (21) im Bereich der Drosselwand (19) den Strömungsquerschnitt für das Kühlmittel. Der Abstand (a) ist dabei so gewählt, daß der von der Drosselwand (19) freigegebene Strömungsquerschnitt kleiner ist, als der Eintrittsquerschnitt des Zulaufstutzens (10). Durch diese Maßnahme baut sich im Schacht (16) ein ge­ wisser Überdruck gegenüber dem Druck im Innenraum (18) des Wasserkastens (5) auf, der, wie noch erläutert werden wird, dazu ausgenützt wird, eine zwangsweise Strömung unmittelbar hinter dem Zulaufstutzen im Ausgleichsbehälter hervorzurufen, durch die durch den Zulaufstutzen (10) mitgerissene Luft im Kühlmittel sich im Ausgleichsbehälter (7) absetzen kann.

Aus den Fig. 3 und 4 (auch aus Fig. 2 andeutungsweise) geht hervor, daß der Schacht (16) in seinem oberen Bereich in einen schmalen Kanal (22) übergeht, der durch eine parallel zur Außenwand (7b) des Ausgleichsbehälterteiles (7a) verlaufende Wand (23) gebildet ist, die unterhalb des den oberen Abschluß des Ausgleichsbehälters (7) bildenden, etwa horizontalen Wand­ teiles (7c) endet. Der Kanal (22) führt daher vom Schacht (16) aus in einer leichten Krümmung nach oben und endet kurz unter­ halb der Deckenwand (7c).

Da, wie vorher erläutert, im Schacht (16) durch die Anordnung der Drosselwand (19) ein erhöhter Druck herrscht, wird ein Teil des Kühlmittels zwangsläufig durch den Kanal (22) in den Innen­ raum (24) des Ausgleichsbehälters (7) geleitet und im Sinn der Pfeile (25) zu einer Öffnung (26) geführt, die sich in einer etwa senkrecht verlaufenden Wandfläche des Ausgleichsbehälters (7) unmittelbar hinter der Drosselwand (19) befindet. Diese Öffnung (26) steht mit dem Innenraum (18) des Wasserkastens (5) in Verbindung. Das zwangsweise durch den Kanal (22) geführte Kühlmittel gelangt daher nach der Durchströmung des Ausgleichs­ behälters ebenfalls in den Kühlkreislauf, in dem auch schon das im Sinn der Pfeile (17) durch den Querschnitt unterhalb der Drosselwand (19) eingetretene Kühlmittel umläuft. Das Kühl­ mittel gelangt dann, wie vorher bereits ausgeführt, vom Wasser­ kasten (5) aus zum Wasserkasten (6) und den verläßt den Quer­ stromkühler durch den Ablaufstutzen (12).

Die Ausgestaltung wird so vorgenommen, daß sich der Wasserstand (27) im Ausgleichsbehälter (7) noch oberhalb des obersten, nicht gezeigten Rohr des Wasserkastens (5) befindet, so daß ein Mitreißen von Luft in den Kühlkreislauf verhindert wird. Die Lage des Flüssigkeitsspiegels (27) läßt sich dabei durch den Abstand (a) der Unterkante der Drosselwand (19) vom Rohrboden (4) beeinflussen. Es wird aus Fig. 3 jedoch sehr deutlich, daß im Ausgleichsbehälter (7) ein genügend großes Luftvolumen ober­ halb des Kühlmittelpegels (27) befindet.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird dem Zulaufwasser­ kasten (5) ein Ausgleichsbehälter vorgeschaltet, der aus­ schließlich im Bereich des Zulaufstutzens (10) angeordnet ist und der den durch diesen Zulaufstutzen (10) eintretenden Kühl­ mittelstrom schon vor dem Erreichen des Innenraumes (18) des Wasserkastens (5) in einem zwangsweise umlaufenden Entlüftungs­ teilstrom und einen Zulauf aufteilt. Da die Entlüftung durch die Anordnung des Kanales (22) nach oben erfolgt, ist die Ge­ währ für eine ausreichende Entlüftung gegeben. Der Ausgleichsbe­ hälter (7) läßt sich einteilig an den Wasserkasten (5) anformen. Durch seine Anordnung nur im oberen Teil desselben bleiben beide Wasserkästen (5) über den Großteil ihrer Länge völlig frei von seitlich abstehenden Teilen. Der neue Querstromkühler läßt sich daher vorteilhaft dort verwenden, wo kein Platz für die seitliche Anordnung eines Ausgleichsbehälters bei einem Quer­ stromkühler ist.

Claims (7)

1. Wärmetauscher, inbesondere Querstromkühler für Brenn­ kraftmaschinen mit beidseitig eines Rippenrohrblockes (1a) an­ geordneten Wasserkästen (5, 6) und mit einem Ausgleichsbehälter (7), der dem an seinem oberen Ende mit einem Zulaufstutzen (10) für das Kühlmittel versehenen Wasserkasten (5) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsbehälter (7) aus­ schließlich im Bereich neben dem Zulaufstutzen (10) angeordnet und über einen im Bereich der höchsten Stelle des Ausgleichs­ behälters (7) mündenden Kanal (22) mit dem Eintrittsraum (16) hinter dem Zulaufstutzen verbunden ist, daß der Eintrittsraum (16) von dem Innenraum (18) des Wasserkastens (5) durch eine Drosselwand (19) abgetrennt ist, die einen kleineren Strömungs­ querschnitt freigibt, als der Strömungsquerschnitt des Zulauf­ stutzens (10) und daß der Ausgleichsbehälter (7) in seinem unteren Bereich über eine Öffnung (26) mit dem Innenraum (18) des Wasserkastens (5) in Verbindung steht, die in Strömungs­ richtung hinter der Drosselwand (19) mündet.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Eintrittsraum hinter dem Zulaufstutzen (10) als ein Schacht (16) ausgebildet ist, der bis in den Bereich des Innenraumes (18) des Wasserkastens (5) führt, von diesem aber durch die Drosselwand (19) getrennt ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drosselwand (19) eine quer zu der Längs­ achse (20) des Wasserkastens (5) stehende, zum Rohrboden (4) hin abstehende Trennwand ist, die in einem bestimmten, den Strömungsquerschnitt bestimmenden Abstand (a) vor dem Rohrboden (4) mündet.

4. Wärmetauscher nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vom Schacht (16) in den Ausgleichsbehäl­ ter (7) führende Kanal (22) durch eine parallel zu der Außen­ wand (7b) des Ausgleichsbehälters (7) geführte Wand (21) gebil­ det ist, die einstückig mit dem Ausgleichsbehälter (7) und dem Schacht (16) hergestellt ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zulaufstutzen (10) seitlich am Ausgleichsbehälter (7) angebracht ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ausgleichsbehälter (7) eine parallel zu der Längs­ achse (20) des Wasserkastens (5) verlaufende Trennfläche (8) besitzt, auf die ein Abschlußdeckel (9) mit dem Zulaufstutzen (10) aufgeschweißt ist.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ablaufstutzen (12) für das Kühl­ mittel an der Unterseite des dem mit dem Ausgleichsbehälter (7) versehenen Wasserkastens (5) gegenüberliegenden Wasserkastens (6) angebracht ist.