DE102006005362A1

DE102006005362A1 - Abgaswärmetauscher in einer Abgasrückführungsanordnung

Info

Publication number: DE102006005362A1
Application number: DE102006005362A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Ing. Soldner; Sven Dr. Ing. Thumm; Roland Dipl.-Ing. Strähle; Harald Dipl.-Ing. Schatz
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-09
Also published as: EP1816425A2; US8020610B2; EP1816425A3; EP1816425B1; US20070181294A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher in einer Abgasrückführungsanordnung, der aus einem Plattenstapel besteht, der von einem Gehäuse (11) umgeben ist; in dem Plattenstapel bilden jeweils zwei an ihren Längsrändern (10) verbundene Platten (1) ein Flachrohr (2), das einen Turbulator (3) enthält, durch das bzw. den das Abgas strömt, wobei jeweils zwischen zwei Flachrohren (2) ein Kühlmittelkanal (5) angeordnet ist, der mit Strömungsleitelementen (6) ausgestattet ist. Um den Abgaswärmetauscher widerstandsfähiger gegen Temperaturwechselbelastungen zu gestalten, wurde erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Strömungsleitelemente (6) aus einer gewellten Platte (7) bestehen, in der Kanäle (13) mit Ein- und Austritten (14, 15) ausgebildet sind, wobei wenigstens einige der Kanäle (13) im Eintrittsbereich (20) des Kühlmittels einen ungeraden Verlauf aufweisen, und dass zwischen dem Plattenstapel und dem Gehäuse (11) Längenänderungen zugelassen werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher in einer Abgasrückführungsanordnung, der die Merkmale des Oberbegriffs aus dem Patentanspruch 1 aufweist.

Der beschriebene Abgaswärmetauscher ist aus dem EP 1 348 924 A2 bekannt. Er hat seine Aufgabe im durchgeführten Einsatzfall im Wesentlichen erfüllt. Neuerdings steigen jedoch die Abgastemperaturen der Kraftfahrzeugmotoren und demzufolge auch die Temperaturdifferenzen zwischen dem Kühlmittel und dem Abgas, was zu den bekannten, durch zu hohe Temperaturwechselbelastungen verursachte Rissen und dergleichen Beschädigungen führt, die den Ausfall des gesamten Systems zur Folge haben können.

Man hat auch bereits daran gearbeitet, Abgaswärmetauscher hinsichtlich ihrer Temperaturwechselbelastungsfähigkeit zu verbessern. Eine solche Lösung ist beispielsweise aus der WO 03/036214A1 bekannt. Dort wurden Schlitze und einem Faltenbalg im Gehäuse angeordnet, wodurch das Dehnungsverhalten der Einzelteile des Abgaswärmetauschers sicherlich zu verbessern ist. In der WO 03/064953 wurde hingegen lediglich eine oder mehrere Dehnungssicken im Gehäusemantel vorgesehen. In der WO 2003/091650 wurde eine Schiebesitzanordnung vorgeschlagen. Alle diese Lösungen scheinen zweckdienlich zu sein, ohne jedoch sämtliche zu stellenden Anforderungen erfüllen zu können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Abgaswärmetauschers, der einen Beitrag zur Lösung des vorstehend angesprochenen Problems leisten kann und der darüber hinaus kostengünstig herstellbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß mit einem Abgaswärmetauscher, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Weil die Strömungsleitelemente als gewellte Platte ausgebildet sind, in der Kanäle mit Ein – und Austritten angeordnet sind, die sich in Längsrichtung oder in Querrichtung des Abgaswärmetauschers erstrecken, wobei wenigstens einige der Kanäle wenigstens im Eintrittsbereich des Kühlmittels einen gebogenen Verlauf aufweisen, wird die Strömungsgeschwindigkeit des eintretenden Kühlmittels gezielt erhöht und die Strömung wird über möglichst den gesamten Plattenbereich gelenkt bzw. verteilt, wodurch die Temperaturdifferenzen gezielt abgesenkt werden können.

Besonders wirksam ist diese Ausgestaltung, wenn sich der Eintrittsbereich des Kühlmittels in der Nähe des Eintrittsbereichs des Abgases befindet, sodass der Abgaswärmetauscher im Gleichstrom durchströmbar ist. Es hat sich erwiesen, dass die Durchströmung im Gleichstrom bezüglich der Temperaturwechselbelastungen günstiger ist, weshalb diese Durchströmung vorzugsweise vorgesehen wurde. Wegen der nicht geraden Kanäle im Eintrittsbereich liegt dort eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels vor, die auch verhindert, dass das flüssige Kühlmittel in den gasförmigen Zustand übergeht.

Bei Abgaswärmetauschern mit in Längsrichtung orientierten Kanälen in der gewellten Platte, ist außerdem vorgesehen worden, dass die gewellte Platte an den beiden Längsrändern so ausgestaltet ist, dass die Strömung des Kühlmittels zwischen den Plattenrändern und dem Gehäuse unterbunden ist. Dies trägt zur Konzentration der Strömung auf die zum Wärmeaustausch ausgestalteten Bereiche in den Kanälen bei.

Der bauliche Aufwand bleibt im vertretbaren Rahmen, wenn die Längsränder der Platte abgebogen werden und am angrenzenden Flachrohr anliegen und damit verbunden, vorzugsweise verlötet sind.

Die gewellte Platte soll im Eintrittsbereich ebene Ränder aufweisen, damit die erwähnte Verteilung des Kühlmittels unterstützt wird.

Die Kanäle sind im Anschluss an den Eintrittsbereich im Wesentlichen gerade ausgebildet und erstrecken sich in einem Ausführungsbeispiel in Längsrichtung des Abgaswärmetauschers. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Kanäle im Wesentlichen in Querrichtung des Abgaswärmetauschers orientiert.

Weitere Merkmale sind in den Patentansprüchen vorhanden.

Aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Die beigefügten Abbildungen zeigen Folgendes:
1 Draufsicht auf ein Strömungsleitelement;
2 Schnitt durch ein Strömungsleitelement;
3 Ausschnitt aus einem Stapel;
4 Explosionsdarstellung eines Stapels;
5 Teilsweise geschnittene Ansicht des Stapels im Gehäuse,
6 Draufsicht auf ein anderes Strömungsleitelement;
7 wie 4, aber mit dem Strömungsleitelement aus 6;
8 Ansicht auf einen bereits gelöteten Stapel;
9 Teil-Längsschnitt durch den Abgaswärmetauscher;
10 Ansicht des Gehäuses des Abgaswärmetauschers;
11 ein anderes Strömungsleitelement in einer Draufsicht;
12 ein bereits gelöteter Stapel in einem anderen Ausführungsbeispiel;
13 Ausschnitt aus einem Stapel;
Die Integration des Abgaswärmetauschers in eine Abgasrückführungsanordnung wurde nicht gezeigt, da hierzu auf Lösungen aus dem Stand der Technik zurückgegriffen werden kann. In dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 – 12 wurden Platten eingesetzt, wobei jeweils zwei Platten ein Flachrohr bilden, weshalb dort von Plattenstapel gesprochen wird. Demgegenüber zeigt die 13 eine Ausführung, in der die Flachrohre einstückig und mit einer Längsnaht geschweißt ausgebildet worden sind.
Der Plattenstapel des Abgaswärmetauschers besteht, aus einer Vielzahl von zwei an ihren Längsrändern 10 verbundenen Platten 1, wobei zwei solche Platten jeweils ein Flachrohr 2 bilden. Jedes Flachrohr 2 enthält einen Turbulator 3, durch das bzw. den das Abgas strömt. Zwischen zwei Flachrohren 2 ist jeweils ein Kühlmittelkanal 5 angeordnet ist, der mit Strömungsleitelementen 6 ausgestattet ist. Alle erwähnten Bestandteile werden aus Edelstahlblech hergestellt.
Die Strömungsleitelemente 6 bestehen aus einer gewellten Platte 7. In der gewellten Platte 7 sind Kanäle 13 mit Ein – und Austritten 14, 15 ausgebildet worden, wobei wenigstens einige der Kanäle 13 im Eintrittsbereich 16 des Kühlmittels einen ungeraden, die Strömung aufteilenden oder verteilenden Verlauf aufweisen. Die gewellten Platten 7 weisen abgebogene Längsränder 17 auf, die jeweils das darüber angeordnete Flachrohr 2 an dessen Längsränder einfassen können. (3) Im Eintrittsbereich 16 wurden an den Strömungselementen 6 dagegen keine abgebogenen Ränder sondern unverformte Ränder vorgesehen.
Die erwähnten Bestandteile werden gemäß den 4 bzw. 7 zum Plattenstapel zusammengesetzt. Die beiden Figuren unterscheiden sich dadurch voneinander, dass in der 4 zweiteilige Strömungsleitelemente 6 jeweils in einem Kühlmittelkanal 5 angeordnet wurden und in der 7 handelt es sich um ein einteiliges Strömungsleitelement 6. In der 1 wurde eines der zweiteiligen Strömungsleitelemente 6 gezeigt und in der 6 wurde das einteilige Strömungsleitelement 6 dargestellt. An beiden Enden des Plattenstapels wird ein ebenfalls aus Edelstahl hergestellter Rohrboden 30 und ein Sammelkasten oder ein Diffusor 31 angesetzt. Der Plattenstapel wird ferner von zwei Edelstahl-Seitenteilen 25 oben und unten abgeschlossen. Die beschriebene Konstruktion wird zunächst gelötet, mit all den Teilen, die in den 4 oder 7 gezeigt sind. Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine Abdichtung 40 um den Umfang des Plattenstapels herum angebracht, die dafür sorgen soll, dass das Kühlmittel auf die Kühlmittelkanäle 5 konzentriert wird. Eine Strömung des Kühlmittels zwischen dem Gehäuse 11 und dem Umfang des Plattenstapels soll möglichst unterdrückt werden. Diese Wirkung wird durch die beschriebene spezielle Konstruktion der Längsränder 17 an den gewellten Platten 7 unterstützt. In einem abschließenden Verfahrensschritt wird die vorgefertigte Einheit des Plattenstapels in das weiter unten näher beschriebene Gehäuse 11 so eingesetzt, dass Längenänderungen kompensiert werden können, die sich unter Temperaturwechselbelastungen einstellen.
Das gerade angesprochene Gehäuse 11 ist eine Druckgusskonstruktion aus Aluminium, das in der 10 gezeigt ist. Es besitzt einen sich verjüngenden Austrittsflansch 60 für das Abgas, welcher so dimensioniert ist, dass der am Plattenstapel angelötete Diffusor 31 dort hinein passt. Ferner wurde eine Nut 61 ausgebildet, in der sich ein Dichtring oder eine andere geeignete Abdichtung 62 befindet. (9) Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass sich durch Temperaturwechsel verursachte Längenänderungen durch Zulassen von Bewegungen in Längsrichtung des Plattenstapels bzw. des Gehäuses 11 ausgleichen können. Die beiden doppelten Blockpfeile an der linken Seite in der 9 sollen das anzeigen. Durch die speziell ausgebildeten Strömungsleitelemente 6 wurde zusätzlich dafür gesorgt, dass die durch Temperaturwechselbelastungen verursachten Spannungen bzw. Formänderungen reduziert werden. Am anderen Ende des Gehäuses 11 ist ein weiterer Flansch 50 ausgebildet worden, an dem der Rohrboden 30 des Plattenstapels und ein weiterer Abgas-Sammelkasten 51 befestigt werden. Ferner sind am Gehäuse 11 Befestigungsmittel 52 ausgeformt, um den Abgaswärmetauscher an einer nicht gezeigten Anschlussstruktur befestigen zu können. Schließlich sind am Gehäuse 11 auch Anschlussstutzen 70 ausgeformt worden, um das Kühlmittel in die Kühlmittelkanäle 5 des Plattenstapels ein – bzw. ausströmen zu lassen. Das Ein – und Ausströmen wird auch durch die im Eintritts- 16 und im Austrittsbereich unverformten Ränder 18 an den Strömungsleitelementen 6 gewährleistet, die in allen Kühlmittelkanälen 5 angeordnet sind.
Die 11 und 12 beziehen sich auf ein Ausführungsbeispiel mit sich in Querrichtung des Abgaswärmetauschers erstreckenden Kanälen 13, die in dem Strömungsleitelement 6 ausgebildet sind. Die 11 zeigt eine Draufsicht auf ein solches Strömungsleitelement 6. Die schwarzen Blockpfeile zeigen wieder die Richtung des Kühlmittels an. Nur einige der Kanäle 13 weisen Ein – bzw. Austritte 14, 15 innerhalb der gewellten Platte 6 auf. Bei der Mehrzahl der Kanäle 13 sind die Ein – bzw. Austritte an den beiden Längsrändern der gewellten Platte 6 angeordnet worden. Die 12 zeigt eine Darstellung des gelöteten Abgaswärmetauschers, die äußerliche Ähnlichkeiten mit der 8 hat. Dort sind allerdings die Strömungsleitelemente 6 aus der 11 eingesetzt worden. Das um diesen Stapel angeordnete Gehäuse muss entsprechend modifiziert werden. Es wurde für diesen Einsatzfall nicht gezeichnet. Auch dort zeigen die Pfeile die Durchströmungsrichtung des Kühlmittels und des Abgases an. Ein sichtbarer Unterschied zur 8 besteht darin, dass sich die Abdichtung 40 in Längsrichtung des Abgaswärmetauschers erstreckt. Auch hier sorgt die Abdichtung 40, die an der nicht gezeigten Gehäusewand anliegen soll, dafür, dass die Kühlflüssigkeit auf die Kühlmittelkanäle 5 konzentriert wird.
Schließlich zeigt die 13 einen der 3 ähnlichen Ausschnitt aus einem Stapel, in dem Flachrohre 2 vorhanden sind, die aus einem Blechstreifen geformt und mittels einer Längsnaht 20 verschweißt sind.

Claims

Abgaswärmetauscher in einer Abgasrückführungsanordnung, der aus einem Stapel besteht, der von einem Gehäuse (11) umgeben ist; wobei der Stapel aus Flachrohren (2) besteht die einen Turbulator (3) enthalten, durch die das Abgas strömt, wobei jeweils zwischen zwei Flachrohren (2) ein Kühlmittelkanal (5) angeordnet ist, der mit Strömungsleitelementen (6) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (6) aus einer gewellten Platte (7) bestehen, in der Kanäle (13) mit Ein – und Austritten (14, 15) ausgebildet sind, die sich in Längsrichtung oder in Querrichtung des Abgaswärmetauschers erstrecken, wobei wenigstens einige der Kanäle (13) einen ungeraden Verlauf aufweisen, und dass zwischen dem Stapel und dem Gehäuse (11) Längenänderungen zugelassen werden.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1, mit sich in Längsrichtung erstreckenden Kanälen (13), dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsbereich (16) des Kühlmittels in der Nähe des Eintrittsbereich (21) des Abgases vorgesehen ist, sodass der Abgaswärmetauscher im Gleichstrom durchströmbar ist, und dass der ungerade Verlauf der Kanäle (13) wenigstens im Eintrittsbereich (16) des Kühlmittels vorgesehen ist
Abgaswärmetauscher nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellte Platte (7) an den beiden Längsrändern (17) so ausgestaltet ist, dass zumindest im Eintrittsbereich (20) das Kühlmittel zwischen dem Plattenstapel und dem Gehäuse (11) vorhanden ist.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsränder (17) der gewellten Platte (7) abgebogen sind und am angrenzenden Flachrohr (2) anliegen und damit verbunden, vorzugsweise verlötet sind.
Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellte Platte (7) wenigstens im Eintrittsbereich (20) ebene Ränder (18) aufweist.
Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Kühlmittels zwischen dem Gehäuse (11) und dem Stapel mittels einer Abdichtung (40) weitestgehend unterbunden ist.
Abgaswärmetauscher, nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel zwei Seitenteile (25) aufweist, die jeweils einen außen liegenden Kühlmittelkanal (5) begrenzen.
Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kanäle (13) im Anschluss an den Eintrittsbereich (16) im Wesentlich gerade in Längsrichtung des Abgaswärmetauschers erstrecken.
Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) aus Aluminium besteht und vorzugsweise als Druckgussteil ausgeführt ist, in das der als Edelstahl – Lötkonstruktion ausgeführte Plattenstapel, einschließlich der an den Flachrohrenden vorgesehenen Rohrböden (30) und einem Diffusor (31) einsetzbar ist.
Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) ein mit dem Diffusor (31) abgestimmten Anschlussflansch (60) aufweist, wobei die die Längenänderungen zulassenden Einrichtungen aus einer Nut (62) und einer Abdichtung (61) zwischen dem Diffusor (31) und dem Anschlussflansch (60) bestehen.
Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüch, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (2) entweder aus Paaren von Platten bestehen oder aus einem Blechstreifen hergestellt und mit einer Längsnaht (20) verschweißt sind.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1, mit sich in Querrichtung erstreckenden Kanälen (13), dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mehrzahl der Kanäle (13) die Ein – und Austritte (14, 15) an den Längsrändern der gewellten Platte ausgebildet sind.