DE4320343C2 - Wärmetauscher, insbesondere Querstromkühler für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit beidseitig eines Rippen­ rohrblockes angeordneten Wasserkästen und mit einem an seinem obe­ ren Ende angeordneten Ausgleichsbehälter.

Wärmetauscher dieser Art sind bekannt. Bei diesen Bauarten mündet der Zulaufstutzen im oberen Bereich des ersten Wasser­ kastens seitlich in diesen. Der Wasserkasten selbst ist mit einer parallel zu seiner Längsachse verlaufenden Trennwand im Inneren versehen, die der dem Rohrboden gegenüberliegenden Seite des Wasserkastens zugeord­ net ist. Diese Trennwand trennt einen von oben nach unten im Wasserkas­ ten durchlaufenden Kanal ab, der in seinem untern Bereich über ein Ver­ bindungsstück in einen einstückig mit dem Wasserkasten hergestellten Un­ terteile eines Ausgleichsbehälters mündet. Das Oberteil des Ausgleichsbe­ hälters ist dort transparent gestaltet, um den Füllstand beobachten zu kön­ nen.

Aus der DE 39 22 814 C2 ist eine Halterung für den Kühler eines flüssig­ keitsgekühlten Fahrzeugmotors bekannt, die als ein Führungsraum ausge­ bildet ist, in den ein Kühlerblock nach Art einer Kassette eingeschoben wird. Dem Führungsrahmen ist ein Ausdehnungsgefäß zugeordnet, das mit Hilfe von Schrauben auf diesem befestigt ist. Dieses Ausdehnungsgefäß ist mit dem Kühlerblock verbindbar.

Bekannt ist es auch dem mit dem Eintrittsstutzen ver­ sehenen Wasserkasten einen etwa parallel dazu verlaufenden Ausgleichs­ behälter zuzuordnen, der aber nicht mit dem Innenraum dieses Wasser­ kastens, sondern über ein gesondertes, den Rippenrohrblock durchset­ zendes Rohr vom anderen Wasserkasten aus mit dem Kühlmittel in Ver­ bindung steht, wobei auch dort - in dem dem ersten Wasserkasten gege­ nüberliegenden 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 direkt eine U- förmige Durchströmung des Rippenrohrblockes stattfindet, die auch durch die Anordnung entsprechender Trennwände im ersten Wasserkasten be­ wirkt wird. In beiden Fällen gehen die Ausgleichsbehälter über etwa die gesamte Höhe der Wasserkästen durch. Das gilt auch für Ausführungen wo der Ausgleichsbehälter dem mit dem Aus­ laufstutzen versehenen Wasserkasten zugeordnet ist. Wärmetauscher die­ ser Art lassen sich in die oft beengten Einbauräume in Kraftfahrzeugen nicht immer einsetzen. Auch die Zuordnung des Ausgleichsbehälters zu dem mit dem Ablauf versehenen Wasserkasten ist nicht immer möglich.

Aus der DE 34 46 007 A1 oder EP 0 219 419 A1 sind schließlich noch Wärmetauscher mit einstückig an einem Wasserkasten angesetzten Aus­ gleichsbehältern bekannt. In der DE 34 46 007 A1 verläuft der Ausgleichs­ behälter, der etwa rohrförmig ausgebildet ist, parallel zu einem Wasserkas­ ten und senkrecht zu den Rohrachsen über die gesamte Länge des Wasserkastens. Gasblasen können über einen Entgasungskanal, der etwa die Mitte des Wasserkastens mit der Mitte des Ausgleichsbehälters unterhalb des Wasserniveaus verbindet und durch eine von diesem Verbindungska­ nal aus nach oben steigende Leitung abgeführt werden. Ähnliches gilt für die EP 0 219 419 A1, bei der man allerdings einen schräg von dem unten liegenden Ablaufstutzen zum oben liegenden Einlaufstutzen eines Was­ serkastens verlaufenden Rohrkanal vorgesehen hat, der in den Aus­ gleichsbehälter, der dort oberhalb eines Wasserkastens und oberhalb ei­ nes Teiles des Rippenrohrblockes sitzt. In diesen vom Auslaufstutzen zum Ausgleichsbehälter führenden Verbindungskanal mündet eine aus dem un­ terhalb einer Trennwand liegenden Raum des Wasserkastens kommende Verbindungsleitung, die zusammen mit dem ersten Kanal dafür sorgt, dass Luftblasen aus dem Kreislauf in den Ausgleichsbehälter aufsteigen können. In beiden Fällen ist jedoch der Raumbedarf parallel zum Was­ serkasten verhältnismäßig groß, so dass sich solche Bauarten nicht über­ all verwirklichen lassen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Querstromkühler der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass der Ausgleichsbehäl­ ter 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 gegeben ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Durch diese Ausgestaltung wird in dem Eintrittsraum hinter dem Zulauf­ stutzen zwangsläufig ein höherer Druck des Kühlmittels als im übrigen Be­ reich des Wasserkastens hervorgerufen, der eine Zwangsdurchströmung des im höchsten Bereich des Ausgleichsbehälters mündenden Kanals be­ wirkt. In den Einlaufstutzen eintretende Luft wird daher, da der Kanal nach oben führt, mit der dort stattfindenden Strömung mitgenommen und ge­ langt in den oberen Bereich des Ausgleichsbehälters, der auf diese Weise ausschließlich am oberen Ende des Eintrittswasserkastens angeordnet zu sein braucht und daher keinen zusätzlichen Raum seitlich neben einem der Wasserkästen einnimmt.

In Weiterbildung der Erfindung kann der Eintrittsraum hinter dem Zulauf­ stutzen als ein Schacht ausgebildet sein, der bis in den Bereich des Innen­ raumes des Wasserkastens führt, von diesem aber durch die Drosselwand getrennt ist.

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 11 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 (16) in der Form eines bis in den Innenraum des Wasserkastens (5) oberhalb des nicht gezeigten Rohrbodens (4) durchgehenden Schachtes vorgesehen ist. Dieser Eintrittsraum (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 den Verbindungsweg zwischen dem Eintrittsraum (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 in dem als Schacht ausgebildeten Eintrittsraum (16) ein gewisser Überdruck gegen­ über 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 Zulauf­ stutzen (10) mitgerissene Luft im Kühlmittel sich im Ausgleichs­ behälter (7) absetzen kann.

Aus den Fig. 3 und 4 (auch aus Fig. 2 andeutungsweise) geht hervor, dass der Eintrittsraum (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 Eintrittsraum (16) aus in einer leichten Krümmung nach oben und endet kurz unterhalb der Deckenwand (7c).

Da, wie vorher erläutert, im Eintrittsraum (16) durch die Anord­ nung der Drosselwand (19) ein erhöhter Druck herrscht, wird ein Teil des Kühlmittels zwangsläufig durch den Kanal (22) in den Innenraum (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 mit beidseitig eines Rippenrohrblocks (1a) ange­ ordneten Wasserkästen (5, 6) und mit einem an seinem oberen Ende an­ geordneten Ausgleichsbehälter (7) mit folgenden Merkmalen:

• - der Ausgleichsbehälter (7) ist mit einem Zulaufstutzen (10) für das Kühlmittel versehen und weist ein Ausgleichsbehälterteil (7) auf, das einstückig mit dem Wasserkasten (5) aufgebaut ist,
• - der Ausgleichsbehälter (7) weist hinter dem Zulaufstutzen (10) ei­ nen Eintrittsraum (16) auf, der in seinem oberen Bereich in einen Kanal (22) übergeht und der in seinem unteren Bereich von einem Innenraum (18) des Wasserkastens (5) durch eine Drosselwand (19) abgetrennt ist, die einen kleineren Strömungsquerschnitt als der Strömungsquerschnitt des Zulaufstutzens (10) freigibt und
• - der einen weiteren Innenraum, (24) aufweist, der über eine unter­ halb der Drosselwand (19) angeordneten Öffnung (26) mit dem Innenraum (18) des Wasserkastens in Verbindung steht.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsraum hinter dem Zulaufstutzen (10) als ein Schacht (16) aus­ gebildet ist, der bis in den Bereich des Innenraums (18) des Wasserkas­ tens (5) führt, von diesem aber durch die Drosselwand (19) getrennt ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselwald (19) eine quer zu der Längsachse (20) des Wasser­ kastens (5) stehende, zum Rohrboden (4) hin abstehende Trennwand ist, die in einem bestimmten, den Strömungsquerschnitt bestimmenden Ab­ stand (a) vor dem Rohrboden (4) mündet.

4. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der vom Schacht (16) in den Ausgleichsbehälter (7) führen­ de Kanal (22) durch eine parallel zu der Außenwand (7b) des Ausgleichs­ behälters (7) geführte Wand (21) gebildet ist, die einstückig mit dem Aus­ gleichsbehälter (7) und dem Schacht (16) hergestellt ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Zulaufstutzen (10) seitlich am Ausgleichsbehälter (7) angebracht ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsbehälter (7) eine parallel zu der Längsachse (20) des Was­ serkastens (5) verlaufende Trennfläche (8) besitzt, auf die ein Abschluss­ deckel (9) mit dem Zulaufstutzen (10) aufgeschweißt ist.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Ablaufstutzen (12) für das Kühlmittel an der Unter­ seite des dem mit dem Ausgleichsbehälter (7) versehenen Wasserkastens (5) gegenüberliegenden Wasserkastens (6) angebracht ist.