DE102004031567A1

DE102004031567A1 - Heat exchanger

Info

Publication number: DE102004031567A1
Application number: DE102004031567A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Bauer (FH); Steffen Dipl.-Ing. Brunner (Fh); Peter Dr. Geskes; Martin Dipl.-Ing. Kämmerer; Claudia Dipl.-Ing. Lang; Rainer Lutz; Ulrich Maucher
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-02-02
Also published as: US20080011465A1; EP1763652B1; WO2006000457A1; ATE543068T1; EP1763652A1

Abstract

The invention relates to a heat exchanger, particularly in tube bundle-type, panel-type or plate-type design. The heat exchanger has a housing inside of which a number of flow channels are formed for a primary flow and a secondary medium, and the housing has a sandwich design.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager in Rohrbündelbauweise oder in Scheibenbauweise gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a heat exchanger in tube bundle construction or in disk construction according to the preamble of claim 1.

Auf Grund der immer größer werdenden Belastungen in Hinblick auf Druck und Temperatur werden immer größere Anforderungen bezüglich der Festigkeit von Wärmeübertragern gestellt. Ein Kernproblem hierbei ist der Druckunterschied zwischen Primärmedium in den im Wärmeübertrager hierfür vorgesehenen Strömungskanälen und Sekundärmedium in den jeweils benachbarten Strömungskanälen. Üblicherweise erfolgt die Trennung zwischen Primär- und Sekundärmedium durch relativ dünne Blechwände, die von sich aus den Druckunterschied zwischen den beiden Medien nicht tragen können, so dass dickere Wandstärken erforderlich sind, welche jedoch Nachteile, beispielsweise in Hinblick auf die Material- und Herstellungskosten, sowie in Hinblick auf das Gesamtgewicht, mit sich bringen.On Reason of ever-increasing Stress in terms of pressure and temperature are becoming more and more demanding in terms of the strength of heat exchangers posed. A key problem here is the pressure difference between primary medium in the heat exchanger provided for this purpose Flow channels and secondary medium in the respective adjacent flow channels. Usually the separation between primary and secondary medium takes place through relatively thin sheet metal walls, the by itself the pressure difference between the two media is not can carry so that thicker wall thicknesses are required, which, however, disadvantages, for example in terms of on the material and manufacturing costs, as well as in terms of the total weight, bring with it.

Normalerweise ist der Wärmeübertrager so aufgebaut, dass sich die Strömungskanäle des Primär- und Sekundärmediums abwechseln, so dass auf beiden Seiten der inneren Strömungskanäle das Druckniveau des anderen Mediums anliegt. Durch Einbringen von Stützstrukturen in einen Strömungs kanal kann dieser gegen Überdruck von der anderen Seite abgestützt werden. Da der Druck auf beiden Seiten des Kanals gleich ist, stützen sich die gegenüberliegenden Strömungskanalwände über die Stützstrukturen gegenseitig ab. Werden in beide Strömungskanäle, das heißt in die Strömungskanäle des Primärmediums und die Strömungskanäle des Sekundärmediums, Stützstrukturen eingebracht, so sind alle Strömungskanäle gegen Überdruck von der Außenseite abgestützt, der Wärmeübertrager ist somit für Überdruck des Primärmediums gegenüber dem Sekundärmedium und umgekehrt ausgelegt. Ist die Stützstruktur fest mit den Strömungskanalwänden verbunden, dann bewirkt sie eine Versteifung sowohl gegen Überdruck von außen in Folge der Abstützung, aber auch gegen Überdruck innerhalb des Strömungskanals, indem sie als Zuganker zwischen den beiden gegenüberliegenden Strömungskanalwänden wirkt. Üblicherweise werden Rippenstrukturen, Abstützbleche oder Abstütznoppen/-sicken verwendet.Usually is the heat exchanger designed so that the flow channels of the primary and secondary medium alternate so that on both sides of the inner flow channels the pressure level of the other medium. By introducing support structures in a flow channel This can be against overpressure supported by the other side become. Since the pressure is equal on both sides of the channel, support the opposite Flow channel walls over the support structures each other off. Be in both flow channels, that is in the flow channels of the primary medium and the flow channels of the secondary medium, support structures introduced, all flow channels are against overpressure from the outside supported the heat exchanger is thus for overpressure of the primary medium compared to the secondary medium and vice versa. Is the support structure firmly connected to the flow channel walls, then it causes a stiffening both against overpressure from the outside in a row the support, but also against overpressure within the flow channel, by acting as a tie rod between the two opposing flow channel walls. Usually become rib structures, support plates or supporting nubs / beads used.

Ein Beispiel einer bekannten Rohrbündelbauweise mit Noppenabstützung ist in den 2a und 2b dargestellt. Im Inneren des Wärmeübertragers 101 führt eine derartige Versteifung mit Noppen 110 zu einer sehr druckstabilen Struktur, da ein symmetrischer Lastfall mit gleichen Drücken an jeweils gegenüberliegenden Strömungskanalwänden anliegt. Problematisch sind jedoch die äußeren Strömungskanäle, da dem Druck auf der Strömungskanalaußenseite nur der Umgebungsdruck beziehungsweise die selbst nicht abgestütze Gehäusewand 102 gegenübersteht. Somit besteht die Gefahr einer Beschädigung des äußersten Strömungskanals in Folge der Druckdifferenz. Ferner kann sich der äußerste Strömungskanal in Folge des hohen Innendrucks aufblähen, so dass sich die Form verändert, sich der Strömungskanal verschiebt und/oder nicht mehr symmetrisch abstützt, was sich auch auf die benachbarten Strömungskanäle auswirkt, so dass sich der gesamte Wärmeübertrager einschließlich dem Gehäuse „aufbläst". Auf Grund der Dehnungen kann die Lebensdauer des Wärmetauschers erheblich ver ringert werden. Zur Erhöhung der Stabilität ist das Gehäuse 102 relativ dick ausgebildet, was unter anderem zu einem hohen Gewicht führt.An example of a known tube bundle construction with knob support is in the 2a and 2 B shown. Inside the heat exchanger 101 performs such stiffening with nubs 110 to a very pressure-stable structure, since a symmetrical load case with equal pressures applied to each opposite flow channel walls. The problem is, however, the outer flow channels, since the pressure on the flow channel outside only the ambient pressure or the self-unsupported housing wall 102 faces. Thus, there is a risk of damage to the outermost flow channel as a result of the pressure difference. Furthermore, the outermost flow channel can inflate due to the high internal pressure, so that the shape changes, the flow channel shifts and / or no longer supported symmetrically, which also affects the adjacent flow channels, so that the entire heat exchanger including the housing Due to the expansion, the service life of the heat exchanger can be considerably reduced 102 formed relatively thick, which among other things leads to a high weight.

Um ein Aufblasen zu verhindern, wird für einen Ölkühler in Scheibenbauweise in der DE 197 11 258 C2 anliegend an die äußerste Scheibe eine dicker ausgebildete Grundplatte vorgesehen, welche – abgesehen von der Dicke – in ihrer Form etwa der Form der äußersten Scheibe entspricht. Diese Grundplatte hat jedoch den Nachteil eines hohen Gewichts.To prevent inflation, is used for a slotted oil cooler in the DE 197 11 258 C2 arranged adjacent to the outermost disc a thicker base plate, which - apart from the thickness - in its shape corresponds approximately to the shape of the outermost disc. However, this base plate has the disadvantage of high weight.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen.It The object of the invention is to provide an improved heat exchanger put.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.These Task is solved through a heat exchanger with the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist ein Wärmeübertrager vorgesehen, insbesondere in Rohrbündel-, Platten- oder Scheibenbauweise, wobei der Wärmeübertrager ein Gehäuse aufweist, in welchem eine Mehrzahl von Strömungskanälen für ein Primärmedium und ein Sekundärmedium ausgebildet sind, und das Gehäuse in Sandwich-Bauweise ausgebildet ist. Dabei ist der Wärmeübertrager bevorzugt ein Abgaskühler. Anstelle eines Abgaskühlers kann auch ein beliebiger anderer entsprechend aufgebauter Wärmeübertrager, beispielsweise ein Ladeluft-/Kühlmittel-Kühler oder ein Ölkühler, verwendet werden.According to the invention is a Heat exchanger provided, especially in tube bundle, Plate or disc construction, wherein the heat exchanger has a housing, in which a plurality of flow channels for a primary medium and a secondary medium are formed, and the housing is designed in sandwich construction. Here is the heat exchanger preferably an exhaust gas cooler. Instead of an exhaust gas cooler can also be any other suitably structured heat exchanger, For example, a charge air / coolant radiator or an oil cooler, used become.

Das Gehäuse ist bevorzugt durch mindestens zwei, vorzugsweise drei Bleche gebildet, wobei die Außenfläche des äußeren Blechs die Gehäuseaußenfläche bildet. Das innere Blech ist bevorzugt von dem äußeren Blech beabstandet, wobei zwischen dem äußeren Blech und dem inneren Blech vorzugsweise ein mittleres Blech angeordnet ist, welches eine Rippenstruk tur aufweist. An Stelle einer Rippenstruktur sind auch andere die beiden Bleche beabstandende Strukturen, wie beispielsweise Noppen/Sicken, möglich.The casing is preferably formed by at least two, preferably three sheets, the outer surface of the outer panel forms the housing outer surface. The inner sheet is preferably spaced from the outer sheet, wherein between the outer sheet and the inner plate is preferably arranged a middle plate is, which has a rib structure. In place of a rib structure are also other the two sheets spaced structures, such as for example, knobs / beads, possible.

Die Bleche sind bevorzugt miteinander verlötet. Dabei kann das Verlöten bevorzugt in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen, wofür die Bleche entsprechend vor dem Zusammenbau vorbereitet sind.The sheets are preferably verlö with each other tet. The soldering can preferably be done in a single operation, for which the sheets are prepared accordingly before assembly.

Im Gehäuse sind vorzugsweise innerhalb des inneren Blechs Rohrbündel, Platten oder Scheibenstapel angeordnet, welche dem Wärmeaustausch zwischen den beiden Betriebsmedien dienen.in the casing are preferably within the inner plate tube bundles, plates or disc stacks arranged, which heat exchange between the two Serve operating media.

Zwischen dem äußeren Blech und dem inneren Blech ist vorzugsweise ein Strömungskanal für eines der Betriebsmedien vorgesehen, so dass sich dieses Betriebsmedium auch außerhalb des Bereichs, in welchem die eigentlichen Wärmetauscherstrukturen, wie beispielsweise Rohrbündel, vorgesehen sind, befindet und ein entsprechender Druck herrscht.Between the outer sheet and the inner plate is preferably a flow channel for a the operating media provided so that this operating medium also outside the area in which the actual heat exchanger structures, such as for example, tube bundles, are provided, and there is a corresponding pressure.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gehäuses können an Stelle einer einfachen Gehäusewand mit großer Wanddicke bei etwa gleichen Kosten deutlich dünnere Materialstärken verwendet werden, welche bei einem derartigen Aufbau eine erhöhte Festigkeit zeigen. Bei vergleichbaren Festigkeiten kann das Baugewicht gegenüber herkömmlichen Gehäusen deutlich verringert werden. Ferner sind die Bauteile im unverlöteten Zustand vergleichsweise flexibel und können einfach verformt werden, da keine Versikkungen oder ähnliches erforderlich sind. Durch die relativ großflächig ebenen Flächen wird die Anbindung an die benachbarten Bauteile im Gehäuse, zum Beispiel durch Verlötung, unterstützt. Bei Bedarf können mit geringen Spann- oder Gewichtskräften während des Lötprozesses Spaltmaße eingestellt werden, die eine flächige Verlötung der beiden äußeren Bleche mit der dazwischenliegenden Rippenstruktur zum Gehäuse gewährleisten. Erst im verlöteten Zustand ergibt sich eine Struktur mit einer großen Biegesteifigkeit.By the embodiment of the invention housing can in place of a simple housing wall with big ones Wall thickness at roughly the same cost significantly thinner material thicknesses are used which show increased strength in such a construction. at Comparable strengths can be compared to conventional construction housings be significantly reduced. Furthermore, the components are in the unsoldered state comparatively flexible and can can be easily deformed, as no Versikkungen or the like required are. Due to the relatively large area flat surfaces the connection to the adjacent components in the housing, for Example by soldering, supported. at Need can Gaps set with low tension or weight forces during the soldering process be a plane soldering the two outer sheets ensure with the intervening rib structure to the housing. Only in soldered Condition results in a structure with a large bending stiffness.

Unter Umständen vorteilhaft ist ein Gehäuse mit genau zwei Blechen, von denen mindestens eines besonders bevorzugt mit Abstandshaltern wie Rippen, Stegen, Wellen, Noppen oder dergleichen versehen ist. Eine Verringerung der Anzahl der Bleche vereinfacht die Fertigung des Wärmeübertragers.Under circumstances advantageous is a housing with exactly two sheets, of which at least one particularly preferred provided with spacers such as ribs, webs, waves, knobs or the like is. A reduction in the number of sheets simplifies production of the heat exchanger.

Ebenfalls eine Vereinfachung der Fertigung ist unter Umständen dadurch erreichbar, daß gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung das Gehäuse nur auf zwei Seiten beziehungsweise in zwei einander gegenüberliegenden Gehäusebereichen in Sandwich-Bauweise ausgebildet ist.Also A simplification of the production may be achievable that according to a preferred embodiment, the housing only on two sides or in two opposite ones housing areas is designed in sandwich construction.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Variante, teilweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung, im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:in the Below, the invention will be described with reference to an embodiment with variant, partially with reference to the drawings, explained in detail. In show the drawing:

1 einen Schnitt mit nur teilweise dargestellter Innenstruktur durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher, und 1 a section with only partially shown internal structure through a heat exchanger according to the invention, and

2a, b jeweils einen ausschnittsweisen Schnitt in verschiedenen Richtungen durch einen Wärmeübertrager in Rohrbündelbauweise mit Noppenabstützung gemäß dem Stand der Technik. 2a , b are each a sectional section in different directions through a heat exchanger in tube bundle construction with knob support according to the prior art.

Ein als Abgaskühler dienender Wärmeübertrager 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches durch eine aus mehreren Blechen 3, 4 und 5 bestehende Sandwich-Struktur gebildet ist. Das äußere Blech 3 bildet mit seiner Außenfläche die Außenfläche des Wärmeübertragers 1.A heat exchanger serving as an exhaust gas cooler 1 has a housing 2 on, which by one from several sheets 3 . 4 and 5 existing sandwich structure is formed. The outer sheet 3 forms with its outer surface the outer surface of the heat exchanger 1 ,

Das äußere Blech 3 weist einen wannenförmigen Bereich 3' und einen diesen verschließenden Deckel 3" auf. Jeweils parallel zu dem äußeren Blech 3 verlaufend, das heißt sowohl im wannenförmigen Bereich 3' als auch im Bereich des Deckels 3", sind das mittlere mit einer Rippenstruktur versehene Blech 4 und auf der Innenseite hiervon das innere Blech 5 angeordnet und miteinander verlötet, wobei die Bleche 4 und 5 kürzer als das äußere Blech 3 ausgebildet sind.The outer sheet 3 has a trough-shaped area 3 ' and a lid closing it 3 ' on. In each case parallel to the outer sheet metal 3 running, that is both in the trough-shaped area 3 ' as well as in the area of the lid 3 ' , are the middle provided with a ribbed sheet metal 4 and on the inside thereof the inner sheet 5 arranged and soldered together, with the sheets 4 and 5 shorter than the outer sheet 3 are formed.

Innerhalb von dem inneren Blech 5 sind die Rohrbündel 6 des Abgaskühlers angeordnet. Dabei liegt das äußerste Rohr des Rohrbündels 6 jeweils direkt an der Innenfläche des inneren Blechs 5 an und ist mit demselben verlötet. Das Fügen beziehungsweie Verlöten des Wärmeübertragers 1 erfolgt auf an sich bekannte Weise in einem Arbeitsgang.Inside the inner sheet 5 are the tube bundles 6 arranged the exhaust gas cooler. This is the outermost tube of the tube bundle 6 each directly on the inner surface of the inner panel 5 and soldered to it. The joining or soldering of the heat exchanger 1 takes place in a known manner in one operation.

Ein erster Strömungskanal, vorliegend für das zu kühlende Medium, nämlich das Abgas (Primärmedium), wird durch den Innenraum der Rohrbündel 6 und ein zweiter Strömungskanal, vorliegend für das Kühlmedium (Sekundärmedium), wird durch die Zwischenräume zwischen den Rohrbündeln 6 gebildet. Dem zweiten Strömungskanal ist als äußerstem Bereich desselben auch der auf Grund der Rippenstruktur des mittleren Blechs 4 hohl ausgebildeten Zwischenraums des Gehäuses 2 zugeordnet, so dass auch hier ein entsprechender Druck herrscht.A first flow channel, in this case for the medium to be cooled, namely the exhaust gas (primary medium), through the interior of the tube bundle 6 and a second flow channel, present for the cooling medium (secondary medium), passes through the spaces between the tube bundles 6 educated. The second flow channel is also the outermost region of the same due to the rib structure of the middle plate 4 hollow trained space of the housing 2 assigned, so that there is a corresponding pressure here.

Gemäß einer nicht in der Zeichnung dargestellten Variante ist im Inneren eines entsprechend mehrteilig ausgebildeten Gehäuses anstelle der Rohrbündel 6 ein Stapel von Scheibenpaaren angeordnet, die in ihrem Inneren den ersten Strömungskanal und in den Zwischenräumen sowie den Zwischenräumen zum äußersten Blech den zweiten Strömungskanal bilden.According to a variant not shown in the drawing is in the interior of a correspondingly multi-part housing instead of the tube bundle 6 a stack of disk pairs are arranged, which form the first flow channel in its interior and in the intermediate spaces and the spaces to the outermost metal sheet the second flow channel.

1, 1011, 101: WärmeübertragerHeat exchanger
2, 1022, 102: Gehäusecasing
33: äußeres Blechouter sheet metal
3'3 ': wannenförmiger Bereichtrough-shaped area
3''3 '': Deckelcover
44: mittleres Blechaverage sheet
55: inneres Blechinner sheet
66: Rohrbündeltube bundle
110110: Noppeburl

Claims

Heat exchanger, in particular in tube bundle, plate or disk construction, wherein the heat exchanger ( 1 ) a housing ( 2 ), in which a plurality of flow channels for a primary medium and a secondary medium are formed, characterized in that the housing ( 2 ) is formed at least in regions, in particular substantially continuously, in a sandwich construction.

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the housing ( 2 ) in sandwich construction by at least two sheets ( 3 . 4 . 5 ), wherein the outer surface of the outer sheet ( 3 ) forms the housing outer surface.

Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the housing ( 2 ) in sandwich construction by at least two sheets ( 3 . 4 . 5 ), wherein the inner sheet ( 5 ) of the housing outer surface forming outer sheet ( 3 ) is spaced.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 2 ) in sandwich construction a formed by a middle plate ( 4 ) Comprises ribbed structure which between an outer sheet ( 3 ) and an inner sheet ( 5 ) is arranged.

Heat exchanger according to claim 4, characterized in that the rib structure between the outer sheet ( 3 ) and the inner sheet ( 5 ) is soldered or welded.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that in the housing ( 2 ) in sandwich construction between the outer sheet ( 3 ) and the inner sheet ( 5 ) a flow channel is provided for one of the operating media.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that in the housing ( 2 ) in sandwich construction within the inner panel ( 5 ) Tube bundles, plates or disc stacks are arranged.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized that the case at least partially has exactly two sheets, in particular with spacers such as ribs, webs, waves, knobs or the like are provided.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized that the case each arranged opposite each other Housing areas especially in two housing areas, is designed in sandwich construction.

Use of a heat exchanger ( 1 ) according to one of claims 1 to 9 as an exhaust gas cooler, charge air / coolant radiator or oil cooler.