DE102006049106A1

DE102006049106A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102006049106A1
Application number: DE102006049106A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Irmler; Ulrich Dr.-Ing. Maucher; Jens Dipl.-Ing. Ruckwied
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Wärmetauscher, insbesondere zur Kühlung von Abgas, mit mindestens einem ersten Strömungskanal eines ersten Mediums, insbesondere eines Gases, mit mindestens einem zweiten Strömungskanal eines mindestens zweiten Mediums, insbesondere eines Kühlmediums, mit mindestens einer ersten Scheibe, mit mindestens einer zweiten Scheibe, wobei die erste Scheibe und die zweite Scheibe miteinander verbunden sind und den ersten Strömungskanal des ersten Mediums bilden, mit mindestens einem Gehäuseelement, insbesondere einem ersten Gehäuseelement und mit einem zweiten Gehäuseelement, welches mit der ersten Scheibe und der zweiten Scheibe den zweiten Strömungskanal des zweiten Mediums bilden, wobei das erste Gehäuseelement durch das zweite Medium kühlbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher, insbesondere zur Kühlung von Abgas, sowie ein modulares Wärmetauschersystem.
Heutige Dieselmotoren werden normalerweise mit Abgasrückführkühlern ausgestattet, um die immer weiter steigenden Anforderungen an die Abgasreinhaltung zu erfüllen. Durch die Abkühlung des Abgases und Wiederzuführung des gekühlten Abgases wird die Verbrennungstemperatur abgesenkt und führt zu verminderten NOX-Emissionen.

In der DE 102 30 852 A1 ist ein Wärmetauscher offenbart mit einem ersten Sammelkasten und mit einem zweiten Sammelkasten für ein erstes Medium, wobei die beiden Sammelkästen jeweils einen ersten Medienanschluss für das erste Medium aufweisen und über mindestens ein Wärmetauscherelement mit einander kommunizierend verbunden sind und mit einem, das Wärmetauscherelement aufnehmenden, im Inneren ein zweites Medium führenden Gehäuse, das zweite Medienanschlüsse für das zweite Medium aufweist. Das Gehäuse nimmt in seinem Inneren mindestens einen Sammelkasten, vorzugsweise beide Sammelkästen, zumindest teilweise mit zumindest bereichsweise vorliegendem Abstand zur Gehäuseinnenwand auf.

In der DE 100 61 949 A1 ist ferner ein Wärmetauscher offenbart, welcher einen Kernbereich zur Durchführung eines Wärmetauschs zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, wobei der Kernbereich eine Vielzahl von Röhrchen, die im Inneren erste Durchtritte bilden, durch die hindurch das erste Fluid strömt, wobei die Röhrchen zur Bildung von mehreren Räumen zwischen benachbarten Röhrchen angeordnet sind, durch die hindurch das zweite Medium strömt und eine Vielzahl von Rippen, die je in jedem Raum zwischen benachbarten Röhrchen zur Aufteilung jedes Raums in mehrere Raumteile angeordnet sind, die miteinander über Öffnungen in Verbindung stehen, die in jeder Rippe vorgesehen sind; und ein Kerngehäuse, in dem der Kernbereich untergebracht ist und das einen zweiten Durchtritt, der die mehreren Räume aufweist bildet, wobei die beiden Enden jedes Röhrchens in Breitenrichtung rechtwinklig zur Längsrichtung der Röhrchen von der Innenwandfläche des Kerngehäuses getrennt sind, damit vorbestimmte Freiräume zu der Innenwandfläche des Kerngehäuses bestehen, und die vorbestimmten Freiräume derart vorgesehen sind, dass sie entlang des gesamten Flächenbereichs der Röhrchen in der Laminierungsrichtung des Röhrchens miteinander in Verbindung stehen.

Abgaskühler sind in der Regel lasergeschweißt. oder Ni-basis-gelötet. und weisen Rippen auf der Gasseite auf. Dabei werden normalerweise Rippen in Rohren kassettiert und anschließend in einem Gehäuse verlötet. Andere bekannte Konzepte sehen das Aufeinanderlöten von Scheiben vor.

Die meisten Anmeldungen sehen in der Regel die axiale Durchströmung eines Scheibenpakets durch Gas vor, wobei das Kühlmittel von oben über die Deckplatte zu- oder abgeführt wird. Diese Konstruktion weist allerdings das Problem auf, dass das Gehäuse in der Regel sehr warm werden kann, da das Gehäuse nicht gekühlt wird.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher, insbesondere zur Kühlung von Abgas, sowie ein modulares Wärmetauschersystem zu verbessern.

Die Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Wärmetauscher nach Anspruch 1, insbesondere zur Kühlung von Abgas, mit mindestens einem ersten Strömungskanal eines ersten Mediums, insbesondere eines Gases, mit mindestens einem zweiten Strömungskanal eines mindestens zweiten Mediums, insbesondere eines Kühlmediums, mit mindestens einer ersten Scheibe, mit mindestens einer zweiten Scheibe, wobei die erste Scheibe und die zweite Scheibe miteinander verbunden sind und den ersten Strömungskanal des ersten Mediums bilden, mit mindestens einem Gehäuseelement, insbesondere einem ersten Gehäuseelement und einem zweiten Gehäuseelement, welches mit der ersten Scheibe und mit der zweiten Scheibe den zweiten Strömungskanal des zweiten Mediums bilden, wobei das erste Gehäuseelement durch das zweite Medium kühlbar ist.

Der erste Strömungskanal führt über Eintrittsöffnungen des für das erste Medium, welches insbesondere heißes Abgas mit einer Temperatur von 200°C bis 800°, durch Scheibenpaare, die jeweils von zwei Scheiben gebildet sind zu einer Austrittsöffnung. Der zweite zweiten Strömungskanal eines zweiten Mediums, insbesondere eines Kühlmediums, insbesondere eines flüssigen Kühlmediums wie Wasser, führt durch mindestens einen Eintritt sowie durch mindestens ein Gehäuseelement, insbesondere auch ein zweites Gehäuseelement sowie durch die Öffnung aufgrund einer Beabstandung von benachbarten Scheibenpaaren sowie Scheibenränderflächen zu einem Austritt, in einem zweiten Gehäuselement. Jeweils eine erste Scheibe ist mit einer zweiten Scheibe verbunden, insbesondere durch Stoffschluss, wie Löten, Schweißen, Kleben. Die ersten Scheiben, die zweiten Scheiben sowie das Gehäuseelement umschließen die zweiten Strömungskanäle. Durch das zweite Medium, insbesondere Kühlmedium wie flüssiges Kühlmittel, Kühl wasser, Luft, Kältemittel, insbesondere einer Klimaanlage, wird das erste Gehäuseelement gekühlt. Dabei werden die Thermospannungen reduziert. Der Wärmetauscher, insbesondere der Abgaswärmetauscher weist eine viel größere Haltbarkeit auf. Das Gehäuseelement ist aus einem Material herstellbar, das nicht wärmebeständig ist und insbesondere bei Temperaturen größer als 200°C, insbesondere Temperaturen größer als 400°C zerstört würde. Insbesondere ist das Gehäuseelement aus Kunststoff oder Aluminium kostengünstig herstellbar, wodurch die Herstellkosten erheblich sinken.

In einer vorteilhaften Ausbildung weist der Wärmetauscher ein erstes Gehäuseelement auf, das im Wesentlichen vollständig von dem zweiten Medium, insbesondere Kühlmedium, umströmbar ist und die das Gehäuseelement besonders vorteilhaft kühlt, so dass nahezu keine Thermospannungen auftreten bzw. vorteilhaft reduziert werden und die Dauerfestigkeit erheblich gesteigert wird und die Materialkosten besonders vorteilhaft gesenkt werden.

In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Temperatur des ersten Mediums, insbesondere des Abgases eines Verbrennungsmotors, vor dem Eintritt in den Wärmetauscher höher ist als die Temperatur des zweite Mediums, insbesondere des Kühlmediums, vor dem Eintritt in den Wärmetauscher. Trotz einer hohen Temperatur des ungekühlten Abgases treten kaum Thermospannungen am Gehäuseelement auf, welches besonders vorteilhaft aus einem kostengünstigen Material herstellbar ist.

In einer vorteilhaften Ausbildung ist das erste Gehäuseelement aus einem ersten Material, insbesondere Aluminium oder Kunststoff, und das zweite Gehäuseelement aus einem anderen zweiten Material, insbesondere Stahl, ausgebildet. In besonders vorteilhafter werden beide Gehäuseelemente durch das Kühlmedium besonders vorteilhaft gekühlt. Das erste Material, Aluminium, Kunststoff usw. ist besonders vorteilhaft kostengünstig und führt vorteilhafterweise zu einer Gewichtsersparnis und einem geringeren Bauraumbedarf.

In einer vorteilhaften Ausbildung weist das zweite Gehäuseelement mindestens eine Gehäuseöffnung, insbesondere eine erste Gehäuseöffnung für einen Eintritt des ersten Mediums in den ersten Strömungskanal, insbesondere eine zweite Gehäuseöffnung für einen Ausritt des ersten Mediums aus dem ersten Strömungskanal, insbesondere eine dritte Gehäuseöffnung für einen Eintritt des zweiten Mediums in den zweiten Strömungskanal und insbesondere eine vierte Gehäuseöffnung für den Ausritt des ersten Mediums aus dem zweiten Strömungskanal, auf.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement in mindestens eine Stapelrichtung der ersten Scheiben und der zweiten Scheiben öffenbar. Die Scheiben und Scheibenpaare sind besonders vorteilhaft montierbar und herstellbar.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement miteinander stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Schweißen, Kleben usw., verbunden und verbindbar und/oder formschlüssig, insbesondere durch Schrauben, Clipsen, oder durch Umformen wie, Falzen, Crimpen, Bördeln usw., verbunden oder verbindbar.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement mit einem Dichtelement, insbesondere einen O-Ring, Vierkantring, eine Filmdichtung usw., besonders vorteilhaft gegeneinander abgedichtet.

In einer vorteilhaften Ausbildung weist die erste Scheibe und/oder die zweite Scheibe Ausprägungen, insbesondere turbulenzerzeugende Elemente zwischen benachbarten Scheiben und/oder Scheibenpaaren auf, wodurch die Wärmeübertragung zweichen dem ersten Medium und dem zweiten Medium besonders vorteilhaft verbessert wird.

In einer vorteilhaften Ausbildung weisen die ersten und/oder die zweiten Scheiben an Scheibenenden jeweils mindestens einen Napf auf, wodurch benachbarte scheibenpaare besonders vorteilhaft miteinander verbundnen sind und das erste Medium besonders vorteilhaft strömen kann.

In einer vorteilhaften Ausbildung weisen die Näpfe jeweils mindestens eine Napföffnung, insbesondere zum Durchtritt des ersten Kühlmediums, auf.

In einer vorteilhaften Ausbildung bilden jeweils eine erste Scheibe mit jeweils einer zweiten Scheibe ein Scheibenpaar und sind besonders vorteilhaft stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Schweißen, Kleben usw, miteinander verbunden und bilden ein Scheibenpaar.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind mehrere Scheibenpaare besonders vorteilhaft aufeinander stapelbar und an Napföffnungsrändern stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Schweißen, Kleben usw, miteinander verbunden.

In einer vorteilhaften Ausbildung bilden die Scheibenpaare die ersten Strömungskanäle für das erste Medium, insbesondere für zu kühlendes Abgas, bilden, wobei das zu kühlende Abgas innerhalb einer Anzahl von Scheibenpaaren besonders vorteilhaft strömt.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind zwei benachbarte Scheibenpaare beabstandet voneinander angeordnet. Auf diese Weise sind die zweiten Strömungskanäle des zweiten Mediums, insbesondere Kühlmediums, besonders vorteilhaft zwischen benachbarten Scheibenpaaren ausgebildet.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind zwischen dem ersten Gehäuseelement und einer Scheibenpaarrandfläche die zweiten Strömungskanäle des zweiten Mediums, insbesondere Kühlmedium, ausgebildet. Die Scheibenpaarrandfläche ist insbesondere die Außenfläche der Außenseite der miteinander verbundenen Scheibenpaare von ersten und zweiten Scheiben.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind neben den zweiten Strömungskanälen dritte Strömungskanäle eines dritten Mediums ausgebildet, wodurch das Abgas in zwei Kühlstufen nacheinander besonders vorteilhaft kühlbar ist.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind die dritten Strömungskanäle des dritten Mediums zwischen dem ersten Gehäuseelement und den Scheibenpaarrandflächen besonders vorteilhaft ausgebildet.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind die dritten Strömungskanäle von den zweiten Strömungskanälen, insbesondere durch mindestens ein Trennwandelement, getrennt. Auf diese Weise werden die mindestens beiden Kühlkreisläufe besonders vorteilhaft getrennt und das erste Gehäuseelement wird besonders vorteilhaft gekühlt, wodurch Thermospannungen besonders vorteilhaft reduziert werden und die Dauerfestigkeit des Wärmetauschers besonders vorteilhaft erhöht, sowie die Hestellkosten besonders vorteilhaft reduziert werden.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind weiten Strömungskanäle mit dem zweiten Medium, insbesondere Kühlmedium, eines Hochtemperaturkühlkreislaufs beströmbar und die dritten Strömungskanäle mit einem dritten Medium, insbesondere Kühlmedium, eines Niedertemperaturkühlkreislaufs beströmbar.

Ein Wärmetauscher weist ein erstes Gehäuseelement auf, das integraler Bestandteil mindestens eins anderen Bauteils, insbesondere eines Wassermantels, eines Zylinderkopfes eines Verbrennungsmotors, eines Wassertanks eines Kühlmittelkühlers usw., ist. Der Wärmetauscher ist auf diese Weise in ein bestehendes Bauteil integrierbar, wodurch insbesondere der Bauraum insbesondere im vorderen Bereich eines Fahrzeugs erheblich reduziert wird.

Ein Wärmetauscher, weist ein zweites Gehäuseelement aber kein erstes Gehäuseelement auf. Der Wärmetauscher dient insbesondere zur Kühlung von Abgas, mit mindestens einem ersten Strömungskanal eines ersten Mediums, insbesondere eines Gases, mit mindestens einem zweiten Strömungskanal eines mindestens zweiten Mediums, insbesondere eines Kühlmediums, mit mindestens einer ersten Scheibe, mit mindestens einer zweiten Scheibe, wobei die erste Scheibe und die zweite Scheibe miteinander verbunden sind und den ersten Strömungskanal des ersten Mediums bilden, mit mindestens einem zweiten Gehäuseelement.

Ein modulares Wärmetauschersystem weist mindestens einen Wärmetauscher auf, insbesondere zur Kühlung von Abgas, mit mindestens einem ersten Strömungskanal eines ersten Mediums, insbesondere eines Gases, mit mindestens einem zweiten Strömungskanal eines mindestens zweiten Mediums, insbesondere eines Kühlmediums, mit mindestens einer ersten Scheibe, mit mindestens einer zweiten Scheibe, wobei die erste Scheibe und die zweite Scheibe miteinander verbunden sind und den ersten Strömungskanal des ersten Mediums bilden, mit mindestens einem Gehäuseelement, insbesondere einem ersten Gehäuseelement und einem zweiten Gehäuseelement, welches mit der ersten Scheibe und der zweiten Scheibe den zweiten Strömungskanal des zweiten Mediums bilden, wobei das erste Gehäuseelement durch das zweite Medium kühlbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung besteht der Kühler aus einem Scheibenpaket. Das Scheibenpaket besteht aus Scheibenpaaren die einen Strömungskanal für ein erstes Medium bilden und turbulenzerzeugenden Strukturen, insbesondere Turbulenzeinlagen aufweisen. Diese können ent weder durch Einprägungen in den Scheiben oder bevorzugterweise durch ein eingelötetes Turbulenzblech gebildet werden. Die Zwischenräume zwischen zwei Scheiben bilden Kanäle für ein zweites Medium. Jeweils zwei benachbarte Scheibenpaare stehen an beiden Enden mit den benachbarten Scheibenpaaren in Strömungsverbindung über seitliche Öffnungen, die in einer aus einer Scheibe oder aus beiden Scheiben ausgeprägten Domen bzw. Näpfen angeordnet sein können, um den Zwischenraum zwischen den Scheibenpaaren zu überbrücken. Die Scheibenpaare werden insbesondere aus zwei identischen Scheiben gebildet. Die Zwischenräume zwischen den Scheiben können jeweils durch Noppen, Dimpel oder eingelegte Elemente, wie z.B. Bleche, Rippen, Abstützelemente gegeneinander abgestützt werden. Die abstützenden Elemente können miteinander verschweißt, verlötet oder verklebt oder durch Formschluss gehalten werden. Noppen bzw. Dimpel sind in das Scheibenmaterial eingeprägt. Sie können auch als längliche Sicken zur Verbesserung der Strömungsverteilung des zweiten Mediums im Strömungskanal ausgeprägt sein.

In einer weiteren Ausbildung wird das erste Medium ein zu kühlendes Medium insbesondere ein heißes Medium sein, üblicherweise ein heißes Gas wie Abgas oder verdichtete Ladeluft und das zweite Medium ein flüssiges Kühlmedium, wie Kühlmittel eines Verbrennungsmotors oder in zukünftigen Anwendungen Kältemittel eines Kältekreislaufes. Das Kühlmitttel kann parallel oder entgegen der Haupströmungsrichtung des ersten Mediums geführt werden (Gleichstrom bzw. Gegenstrom). Das Konzept ist besonders geeignet für die thermodynamisch zu bevorzugende Gegenstromverschaltung, da es sich durch ein besonders geringes Siederisiko im Kühlmittel auszeichnet, weil durch geeignete Lenkung des Kühlmittels Totwassergebiete weitgehend verhindert werden können.

In einer weiteren Ausbildung kann der Strömungskanal für das zweite Medium in zwei Abschnitte unterteilt sein, die mit Kühlmittel aus unterschiedlichen Kühlkreisläufen versorgt werden, insbesondere einem Kreislauf mit wärmerem Kühlmittel am Eintrittsende des ersten Mediums und einem Niedertemperaturkühlkreislauf am Austrittsende des ersten Mediums zur Steigerung der Kühlleistung. Die Trennung der Kreisläufe kann beispielsweise durch eine in die Scheiben eingeprägte Quersicke erreicht werden, wobei der seitlich freibleibende Kanal durch ein zu dem Scheibenpaar formschlüssiges Bauteil (einer Art Rechen) mit ausreichender Dichtheit blockiert wird. Solche Rechen können auch so ausgeführt werden, dass keine Quersicken in den Scheiben erforderlich sind, sondern der Kanal durch mindestens zwei auf den gegenüberliegenden Seiten in das Scheibenbündel eingesteckte Rechen blockiert wird. Diese Rechen können aber wiederum durch Sicken oder Noppen positioniert werden, insbesondere während eines Lötprozesses oder falls keine feste Verbindung mit dem Scheibenbündel erfolgt

In einer weiteren Ausbildung kann der Kanal für das zweite Medium nach außen durch einen Gehäusemantel oder er durch einen von Kühlmittel durchströmten Hohlraum in einem anderen Bauteil gebildet werden, zum Beispiel im Wassermantel oder Zylinderkopf des Motorblocks, im Wassertank eines Kühlmittelkühlers (Intank) oder in einem kühlmitteldurchströmten Kombigehäuse, in das mehrere Wärmeübertrager integriert und zu einem Modul zusammengeschlossen sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Wärmetübertragers mit eigenem Gehäusemantel wird ein mindestens zweiteiliger Gehäusemantel verwendet, der sich im wesentlichen in der Stapelrichtung des Scheibenbündels öffnet. Die wesentlichen Bauteile des Gehäusemantels bilden beispielsweise ein das Scheibenbündel oben abschließender Deckel bzw. Abdeckplatte, sowie eine Wanne, in die das Scheibenbündel eingelegt wird. Deckel und Wanne werden in besonders günstiger Ausführung umlaufend miteinander verbunden, insbesondere auch verlötet. Die Anschlüsse für das zweite Medium befinden sich an den gegenüberliegenden Enden des Gehäuses und können in beliebeiger Anordnung in einem der Teile des Gehäuses angeordnet sein. Zur Integration mehrerer Kühlkreisläufe werden weitere Anschlüsse in der Kühlermitte vorgesehen. Die Anschlüsse für das erste Medium können entweder auf der gleichen Seite des Wärmeübertragers liegen, also beispielsweise beide im Deckel oder beide in der Gehäusewanne. Weiterhin ist auch eine diagonale Durchströmung möglich, bei der entweder der Eintritt oder der Austritt im Deckel und der andere Anschluss in der Gehäusewanne liegt. Schließlich ist auch die Führung des ersten Mediums im U-Flow möglich. Dabei stehen beim Eintritt für das erste Medium nicht alle Scheibenpaare in Strömungsverbindung, sondern diese Verbindung ist an einer Stelle zwischen zwei spezifischen Scheibenpaaren unterbunden, indem zwischen diesen Paaren die seitlichen Verbindungsöffnungen entweder nicht ausgeführt sind oder ein zusätzliches Blech eingelegt ist, das die Verbindung versperrt und die beim Eintritt liegenden Scheibenpaare von den weiter unten liegenden Scheibenpaaren entkoppelt. Das erste Medium durchströmt den Kühler in den unter dem Eintritt bis zur Unterbrechung miteinander verbundenen Scheiben in Wärmetauscherlängsrichtung. Am anderen Ende sind alle Scheibenpaare miteinander verbunden und das erste Medium strömt in die am Eintrittsende entkoppelten Scheibenpaare und strömt zurück zum Eintrittsende, wo es auf der dem Eintritt gegenüberliegenden Seite durch einen Austritt den Wärmeübertrager verlässt.

Das Gehäuse muss dem Druck des zweiten Mediums standhalten. In der Richtung senkrecht zur Stapelrichtung des Wärmeübertragers ist das Gehäuse nicht mit dem Scheibenbündel verlötet. Es kann sinnvoll sein die Druckstabilität dieser Seite durch eingeprägte Sicken im Gehäuse zu erhöhen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird besonders vorteilhaft verhindert, dass sich die Scheiben während des Lötprozesses quer zur Stapelrichtung verschieben. Die Scheiben können stellenweise formschlüssig zur Gehäusekontur ausgeführt sein.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn in einem ersten Fügeschritt jeweils Scheibenpaare mit einer Turbulenzeinlage zu Kanälen für das erste Medium vorgefertigt werden. Diese Scheibenpaare können durch formschlüssige Ausführung mit oder ohne Verpressen, durch eine Klemm- bzw. Crimpverbindung, wobei es sich im Wesentlichen um eine Falzverbindung handelt, durch Schweißpunkte oder Klebepunkte oder ähnliches miteinander verbunden sein. Durch dieses Vorgehen kann der Kassettierprozess (Stapeln der Einzelteile, insbesondre der Scheiben) erheblich vereinfacht werden und die Prozesssicherheit des gesamten Fügeprozesses erhöht werden.

Besonders vorteilhaft sind auch Ausführungen ohne eigenen Gehäusemantel des Wärmetauschers. Dann wird das Scheibenbündel oben von einer Abdeckplatte abgeschlossen, in die der Eintritt und Austritt für das erste Medium integriert ist. Unten befindet sich in der Regel eine Grundplatte. Die Befestigung am Einbauort erfolgt durch eine dichte Fügung zwischen Abdeckplatte und dem den kühlmitteldurchströmten Hohlraum bildenden Bauteils, beispielsweise über eine Schraubverbindung, Crimp- bzw. Bördelverbindung, Klemmverbindung, wobei die Abdichtung in der Regel durch ein Dichtelement, beispielsweise einen O-Ring erfolgt. Diese Anbindungsart kann auch zur Ausführung eines eigenen Kühlergehäusemantels genutzt werden, indem beispielsweise eine Abdeckplatte aus einem Stahl- oder Aluminiumwerkstoff in genannter Weise mit einem wasserführenden Kunststoffgehäuse verbunden wird. Zur Verbindung können hier beispielsweise eine Bördelverbindung oder eine Schraubverbindung mit Einspritzgewindemuffen in einem Kunstoffbauteil und Langlöchern in der Abdeckplatte verwendet werden. Weiterhin kann die Verschraubung durch Durchgangslöcher im Gehäuse und Verschraubung in der Abdeckplatte erfolgen (Gewinde in Durchzügen, selbstfurchende Schrauben in glattem Durchzug, Gewindebuchse).

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist der Strömungskanal für das zweite Medium (Gehäuse oder Hohlraum in einem anderen Bauteil) vorteilhaft so ausgeführt sein, dass er sich in dem Bereich erweitert, in dem der Kanalquerschnitt durch die Dome an den Scheibenenden stark eingeschränkt ist, und sich anschließend zur Wärmeübertragermitte hin wieder verengt, so dass das 2. Medium in die Kanäle zwischen den Scheibenpaaren gedrängt wird. So kann die Verteilung des zweiten Mediums erheblich verbessert werden. Eine ebenfalls sehr günstige Möglichkeit, eine möglichst gute Verteilung des 2. Mediums zu erreichen ist die Trichterförmige Gestaltung des Übergangs der Scheiben von den Domen hin zum Kanal für das 1. Medium. Auch hierdurch wird das 2. Medium in die Kanäle zwischen den Scheibenpaaren gedrängt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbilung kann im Kühler ein ungekühlter Bypasskanal vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Scheibenpaare. Um die weitgehend ungekühlte Durchleitung des ersten Mediums (insbesondere rückgeführtes Abgas eines Verbrennungsmotors) zu erreichen, wird bevorzugterweise eine Luftspaltisolierung des Bypasskanals genutzt. Ausführungsbeispiele für luftspaltisolierte Bypassrohre:

– äußere Hülle aus Halbschalen verlötet, innen eingelegt ein Rohr mit Abstütznoppen
– äußere und innere Hülle aus Halbschalen verlötet
– auf Deckel bzw. Abdeckscheibe wird ein weiteres Blech aufgelötet, das mit dem Deckel/Abdeckscheibe einen Kanal bildet, der als Bypasskanal genutzt wird (nicht luftspaltisoliert).
– auf der dem Scheibenbündel zugewandten Seite des Deckels Abdeckblech wird ein weiteres Blech aufgelötet und einen zusätzlichen Gaskanal bildet (nicht luftspaltisoliert)
– auf dem Deckel/Abdeckscheibe wird ein Bypassrohr, das einteilig oder zweiteilig sein kann aufgelötet, wobei durch Sicken bzw. Noppen im Bypasskanal und/oder im Abdeckblech/Deckel eine flächige Auflage vermieden wird
– bei Gaseintritt oder Austritt in der Gehäusewanne kann der Bypass auf die gleichen Arten mit zusätzlichen Blechen oder Rohren gebildet werden wie für den Deckel/Abdeckplatte beschrieben.
– bei Gaseintritt oder Austritt im Deckel/Abdeckplatte und dem anderen gasanschluss in der Gehäusewanne kann der Bypass auf einem der beiden Teile aufgebracht werden und der Bypass die Querverbindung zwischen den Scheibenpaaren mit einschließen
– Im U-Flow kann eine Bypasslösung dadurch bereit gestellt werden, dass die Entkoppelung zwischen den Scheibenpaaren auf der Eintrittsseite und auf der gegenüberliegenden Seite schaltbar ausgeführt wird, beispielsweise durch einen Drehschieber, der im Bypassfall den direkten Weg vom Eintritt zum Austritt freigibt und bei normalem Kühlerbetrieb den Durchgang unterbricht, so dass der Kühler im U-Flow durchströmt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung wird als Bypassventil ein übliches, externes Ventil verwendet mit getrennten Zuleitungen zum Bypass und zu den wärmeübertragenden Strömungskanälen. Es können aber auch in den Eintrittsszutzen oder Austrittsstutzen integrierte Klappen bzw. Ventile eingesetzt werden. Diese können insbesondere auch als Klappe oder Drehschieber ausgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist die Ausführung der Bypassklappe als Kombiventil, bei dem neben der Schaltung zwischen Bypass und normalem Kühlerbetrieb auch beide Pfade komplett verriegelt werden können und somit die rückgeführte Abgasmenge geregelt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird insbesondere in der gehäuselosen Ausführung ein Wärmeübertrager im Kreuzstrom zwischen erstem und zweitem Medium eingesetzt werden. Solche Wärmetauscher könnten bevorzugt im Kühlmodul eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden. Dabei würde das zu kühlende Medium als erstes Medium durch den Wärmetauscher geführt und als zweites Medium kommt Kühlluft zum Einsatz. Ein solcher Wärmeübertrager kann mit der Abdeckplatte und der Bodenplatte im Rahmen eines Kühlmodules oder jeweils an anderen Komponenten des Kühlmodules befestigt werden, er kann aber auch einen eigenen Rahmen aufweisen, der einerseits Abdeckplatte und Bodenplatte mit beinhaltet zudem jedoch auch eine Verbindung zwischen der Abdeckplatte und Bodenplatte herstellt und so für eine Versteifung des Wärmetauschers sorgt. Die Verbindung zwischen Abdeck- und Bodenplatte kann entweder durch zusätzliche Bauteile, die mit Abdeck- und Bodenplatte verbunden sind dargestellt werden oder durch die geschickte Ausgestaltung der Abdeck- und Bodenplatte, beispielsweise als sich gegeneinander öffnende, U-förmige Bauteile, die gemeinsam den Rahmen bilden. Dieser Rahmen kann zudem in Verbindung mit den einzelnen Scheibenpaaren stehen. Dadurch wird insbesondere die Schwingungsfestigkeit der Komponente erhöht. Die Verbindung kann durch Formschluss erfolgen, insbesondere aber auch durch eine feste Lötverbindung dargestellt werden. Die Befestigung des Wärmeübertragers erfolgt dann am Rahmen und/oder über die Anschlüsse für das erste Medium. Statt der Anordnung des Wärmeübertragers in einem Kühlmodul kann dieser auch im Chassis also insbesondere am Rahmen eines Kraftfahrzeuges befestigt werden, in Ausnahmefällen auch motorfest. Bevorzugt kann eine solche Komponente als direkter Abgaskühler eingesetzt werden. Es sind aber auch Anwendungen als Ladeluftkühler, Kühlmittelkühler, Ölkühler, Kondesator usw. sinnvoll.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Zeichnung.
Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen
1 eine Explosionsansicht eines Wärmetauschers,
2 eine isometrische Darstellung des Wärmetauschers,
3 einen Schnitt A-A durch den Wärmetauscher,
4 einen Schnitt B-B durch den Wärmetauscher,
5 eine Explosionsansicht eines weiteren Wärmetauschers,
6a eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Wärmetauschers mit einer Ausformung im Ein- bzw- Austrittsbereich des Gehäuseelements,
6b eine isometrische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Wärmetauschers mit einer Ausformung im Ein- bzw- Austrittsbereich des Gehäuseelements,
7 ein weiters Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers als U-Flow-Kühler,
8 ein weiters Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers als Doppelwärmetauscher,
9 ein weiters Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers mit zweistufiger Kühlung,
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers als Doppelwärmetauschers mit, wobei der erste Teilwärmetauscher mit einem Hochtemperaturkreislauf gekühlt wird und der zweite Teilwärmetauscher mit einem Niedertemperaturkreislauf gekühlt wird,
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers in Kreuzstromkonfiguration,
12 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers mit einem integrierten Bypasskanal und einem Drehschieber zur Ansteuerung der Beströmung des Bypasskanals und/oder des Wärmetauscherabschnitts,
13 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers mit einem integrierten Bypasskanal der luftspaltisoliert ausgebildet ist.
1 zeigt eine Explosionsansicht eines Wärmetauschers. Der Wärmetauscher 1 weist ein erste Gehäuseelement 6, 7 und ein zweites Gehäuseelement 8 auf. Das Gehäuseelement 6, 7 nimmt erste Scheiben 4 und zweite Scheiben 5 in sich auf. Die ersten Scheiben 4 und die zweiten Scheiben 5 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und stapelbar. Eine erste Scheibe 4 bildet mit einer zweiten Scheibe 5 ein Scheibenpaar 22. Die ersten und zweiten Scheiben sind miteinander stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Schweißen oder Kleben, verbunden. Ebenso sind benachbarte Scheibenpaare 22 insbesondere an Näpfen 20 an beiden Scheibenenden 19 der Scheiben 4, 5 bzw. der Scheibenpaare 22 miteinander stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Schweißen oder Kleben, verbunden. Die Scheiben 4, 5 und die Scheibenpaare weisen Napföffnungen 21 auf. Das erste Gehäuseelement 6, 7 ist stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem zweiten Gehäuseelement verbunden. Das zweite Gehäuseelement weist eine erste Gehäuseöffnung 10, für den Eintritt 11 des ersten Mediums auf. Durch den ersten Strömungskanal 2 strömt das erste Medium, insbesondere das heiße Abgas, in die Scheibenpaare 22 durch die Napföffungen 21 ein undhindurch, durchströmt die Scheibenpaare in dem im Inneren ausgebildeten Strömungskanal 2 und strömt durch eine zweite Gehäuseöffnung 12 des Gehäuseelements 8 aus diesem übe den Austritt 13 heraus. Die Scheibenpaare sind in der Stapelrichtung S stapelbar. Das Gehäuseelement 8 weist eine dritte Gehäuseöffnung 14 auf, wodurch über einen Eintritt 15 Kühlmedium, insbesondere flüssiges Kühlmittel, Kühlwasser, Gas oder Kältemittel, insbesondere einer Klimaanlage, in das erste Gehäuseelement 6, 7 gelangt und dieses Kühlt, so dass im Wesentlichen keine Thermospannungen entstehen. Das zweite Kühlmedium umspült die Außenseiten der Scheiben 4, 5 und der Scheibenpaare 22 sowie die die Scheibenpaarrandflächen 24. Es strömt durch Öffnungen, die durch die beabstandeten Scheibenpaare gebildet werden, wodurch ein Wärmeaustausch zwischen dem zu kühlendem Abgas erfolgt. Zwischen dem ersten Gehäuseelement 6, 7 und den Scheibenpaarrandflächen 24 werden ebenfalls zweite Strömungskanäle 3 des Kühlmediums gebildet, wodurch das Gehäuseelement 6, 7 im Wesentlichen gekühlt wird. Das Kühlmedium verlässt über einen Austritt 17 eine vierte Gehäuseöffnung 16 des Gehäuseelements 8. Der Wärmetauscher 1 ist als Modul in ein modulares System einbaubar. Der Wärmetauscher ist in ein Kühlmodul integrierbar. Ein Kühlmodul umfasst insbesondere mehrere Wärmetauscher, insbesondere Kühlmittelkühler, Ölkühler, Ladeluftkühler, Abgaskühler, Wärmetauscher einer Klimaanlage.
2 zeigt eine isometrische Darstellung des Wärmetauschers. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1.
Das Gehäuseelement 6, 7 nimmt in seinem Inneren die Scheiben 4, 5 und die Scheibenpaare 22 auf. Das erste Gehäuseelement 6, 7 ist mit dem zweiten Gehäuseelement 8 stoffschlüssig durch Löten, Schweißen, Kleben usw. und/oder formschlüssig durch Bördeln, Wellschlitzbördeln, Crimpen, Falzen, Clipsen usw. verbunden. In einer nicht dargestellten Ausführung sind beide Gehäuseelemente durch ein Dichtelement, insbesondere einen O-Ring usw. gegenüber einander abgedichtet.
3 zeigt einen Schnitt A-A durch die Napföffnungen 21 des Wärmetauschers. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Merkmalen versehen wie in den vorhergehenden Figuren.
4 zeigt einen Schnitt B-B durch den Wärmetauscher. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Merkmalen versehen wie in den vorhergehenden Figuren. Benachbarte Scheibenpaare sind durch Ausprägungen, insbesondere Turbulenzeinlagen bzw. turbulenzerzeugende Elemente, 18 beabstandet. Insbesondere. Insbesondere wird die Wärmeübertragung zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium verbessert. Innerhalb der Scheibenpaare sind ebenfalls Ausprägungen, insbesondere Turbulenzeinlagen bzw. turbulenzerzeugende Elemente, 18 angeordnet und insbesondere stoffschlüssig mit den Scheiben 4, 5 durch Löten, Schweißen, Kleben verbunden und/oder aus diesen durch Umformen ausgeprägt.
Die Scheibenpaare können seitlich mit Gehäuseelement 6 sowohl in Kontakt sein, als auch einen definierten Abstand zueinander haben. Schnitt B-B zeigt Scheibenpaar in Kontakt mit Gehäuseelement.
5 zeigt eine Explosionsansicht eines weiteren Wärmetauschers. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Merkmalen versehen wie in den vorhergehenden Figuren. Der Wärmetauscher 25 verfügt über kein erstes Gehäuseelement. 8. Der Wärmetauscher 25 ist als Modul in ein modulares System einbaubar. Inbesondere ist er benachbart zu einem Lüfter 26 angeordnet und mit Luft L durchtrömbar. Der Wärmetauscher ist in ein Kühlmodul integrierbar. Ein Kühlmodul umfasst insbesondere mehrere Wärmetauscher, insbesondere Kühlmittelkühler, Ölkühler, Ladeluftkühler, Abgaskühler, Wärmetauscher einer Klimaanlage.
6a zeigt eine Draufsicht und 6b zeigt eine isometrische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels Wärmetauschers 60 mit einer Ausformung im Ein- bzw- Austrittsbereich des Gehäuseelements. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den vorherigen Figuren.
Beim Wärmetauscher 60 wird das Kühlmedium 17 im Eintrittsbereich durch eine Ausformung 61, die insbesondere als Ausbuchtung ausgebildet ist, in dem Gehäuseelement 6, 7 optimal über die gesamt Breite der Scheibenpaare verteilt. Somit wird der Eintrittsbereich des ersten Mediums an seinem ganzen Umfang gekühlt.
7 zeigt ein weiters Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers als U-Flow-Kühler. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den vorherigen Figuren.
In einer Schnittdarstellung ist der Wärmetauscher 70 dargestellt. Der Wärmetauscher ist als so genannte U-Flow Ausführung ausgebildet. Dabei wird das Kühlmedium 15, 17 axial durchgeleitet, während das erste Medium U-förmig durch den Wärmetauscher strömt. Dies wird dadurch realisiert, dass zwischen zwei Scheibenpaaren ein Trennblech 71 eingelegt wird. Dieses weist im Bereich des Ein-/Austritts des ersten Mediums (Napfbereich) keine Öffnung auf. Während auf der entgegen gesetzten Seite eine geeignete Öffnung im Napfbereich vorhanden ist, so dass das erste Medium von der oberen Hälfte des Kühlers in die untere Hälfte strömen kann. Dabei wird die Lage des Trennblechs 71 in anderen nicht dargestellten Ausführungsformen oberhalb oder unterhalb der Mitte angeordnet, so dass entweder ober-/unterhalb der Trennbleches die gleich Anzahl an Scheibenpaaren vorhanden sind oder diese ungleich verteilt sind.
8 zeigt ein weiters Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers als Doppelwärmetauscher. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den vorherigen Figuren.
Der zeigt einen Schnitt des Wärmetauschers 80 wobei das oben genannte Trennblech 81 vollständig geschlossen ist. Dadurch kann sehr einfach ein Wärmetauscher realisiert werden, der als Doppelwärmetauscher ausgebildet ist. In dem Doppelwärmetauscher 80 werden zwei Medien, ein erstes Medium und ein drittes Medium, insbesondere zwei verschiedene Medien, gekühlt werden. Dazu gibt es sowohl am unteren Ende als auch am oberen Ende des Scheibenstapels mit den Scheiben 4, 5 Öffnungen 82, 83, 84 und 85 für den Ein-/Austritt des ersten Mediums und des dritten Mediums. Die Strömungsrichtung der beiden Medien erfolgt dabei im Gleichstrom oder im Gegenstrom.
Bezugszeichen 86 stellt den Austritt für das dritte Medium dar. Bezugszeichen 87 stellt den Eintritt für das dritte Medium dar. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Eintritt 87 und der Austritt 86 vertauscht.
9 zeigt ein weiters Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers mit zweistufiger Kühlung. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den vorherigen Figuren.
Der Wärmetauscher 90 weist zwei Kühlmedien Kreisläufe auf. Der erste Kühlkreislauf ist ein Hochtemperaturkreislauf. Der zweite Kreislauf ist ein Niedertemperaturkreislauf. Das Kühlmittel im Hochtemperturkreislauf weist eine höhere Temperatur auf, als das Kühlmittel im Niedertemperaturkreislauf. Damit lässt sich ein Hoch- und Niedertemperatur Kühlmittelkreislauf in einem Wärmetauscher realisieren. Das Trennblech 91 ist als Rechen ausgebildet. Das Trennblech 91 ist auf die Scheibenpaare aufgeschoben, insbesondere orthogonal zur Scheibenlängsachse SLA. Weiterhin weist das Gehäuseelement vier Öffnungen 92, 93, 94 und 95 auf für den Aus- und/oder Eintritt der zwei Kühlmedien.
Bezugszeichen 97 stellt den Eintritt für das zweite Kühlmedium, insbesondere des Niedertemperaturkreislaufs dar. Bezugszeichen 96 stellt den Austritt für das zweite Kühlmedium dar. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind der Eintritt 97 und der Austritt 96 vertauscht.
In einer anderen Ausführungsvariante der Wärmetauscher 90 als U-Flow-Kühler, wobei das erste und das zweite Kühlmedium einen U-Flow vollzieht, ausgebildet, analog der Ausführungsbeispiele in 7 und 8.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers als Doppelwärmetauschers. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Wärmetauscher 100 weist einen ersten Teilwärmetauscher 101, der mit einem Hochtemperaturkreislauf gekühlt wird und einen zweiten Teilwärmetauscher 102, der mit einem Niedertemperaturkreislauf gekühlt wird, auf.
In einer anderen Ausführungsvariante sind Hochtemperaturkreislauf und Niedertemperaturkreislauf vertauscht.
In den Eintritt 103 tritt das zweite Kühlmedium, insbesondere des Niedertemperaturkreislaufs, in Teilwärmetauscher 102, durchströmt diesen und verlässt den Teilwärmetauscher durch den Austritt 104. Austritt 104 und Eintritt 103 sind in einem anderen Ausführungsbeispiel vertauscht.
Das dritte Medium tritt über den Medieneintritt 105 in den Teilwärmetauscher 102, durchströmt diesen und verlässt ihn über den Medienaustritt 106. In einer anderen Ausführungsvariante sind der Medienaustritt 106 und der Medieneintritt 107 vertauscht.
Die Trennplatte 107 trennt ersten Teilwärmetauscher 102 und zweiten Teilwärmetauscher 103, insbesondere strömungsmäßig.
11 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel des in 5 dargestellten Wärmetauschers in Kreuzstromkonfiguration dar.
Der Wärmetauscher 110 weist kein Gehäuse auf und ist insbesondere als Kreuzströmwärmetauscher ausgebildet. Dabei überkreuzen sich die Ströme zwischen denen eine Wärmeübertragung erfolgt zumindest bereichsweise. Dabei befindet sich zwischen den Scheibenpaaren 4, 5, die die Strömungskanäle für das erste Medium bilden, eine Kühlrippe. Diese ist fest mit den Scheibenpaaren 4, 5 verbunden, beispielsweise gelötet, geklebt, mechanisch gefügt usw., damit eine ausreichende Wärmeleitung zwischen den Scheibenpaaren 4, 5 und der Rippe sichergestellt ist. Die Rippe 111, insbesondere die Wellrippe, wird dabei von einem Kühlmedium, z.B. Luft, durchströmt. Die Luft wird mittels eines Kühlmediumförderers L, z.B. eines Lüfters L, bewegt. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist keine Rippe vorgesehen. In diesem Fall ist eine turbulenzerzeugende Struktur in die Scheiben eingeprägt, die die Wärmeübertragung verbessert. In einer anderen Ausführungsform die Kreuzströmer-Ausführung mit einem Gehäuse ausgeführt. Damit ergibt sich der Vorteil, dass dieser Wärmeübeträger nicht nur im Frontmodul des Fahrzeugs, also im vorderen Fahrzeugbereich, in welchem die Anströmung durch den Fahrtwind erfolgt, sondern unabhängig davon, an geeigneter Stelle im Fahrzeug mit eigener Kühlmedienförderung angebracht werden kann.
12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers 120 mit einem integrierten Bypasskanal und einem Drehschieber zur Ansteuerung der Beströmung des Bypasskanals 121 und/oder des Wärmetauscherabschnitts 122. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den vorherigen Figuren.
Der Drehschieber 123 nimmt eine Bypassstellung ein und/oder eine Kühlerdurchströmungsstellung. Der Drehschieber 123 weist zumindest eine Aussparung auf.
In der Bypassstellung wird der Bypass 121 durchströmt. In der Kühlerstellung wird der Wärmetauscherabschnitt 122 durchströmt. In einer anderen Ausführung sind Bypass 121 und Wärmetauscherabschnitt vertauscht.
Der Drehschieber 123 kann auch eine Stellung einnehmen, in der sowohl der Bypass 121 als auch der Wärmetauscherabschnitt durchströmt werden.
Der Drehschieber vollzieht eine Drehung um einen Drehwinkel, insbesondere von 90°, um von der Bypassstellung in die Wärmetauscherdurchströmungsstellung zu gelangen.
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers mit einem integrierten Bypasskanal 131, der luftspaltisoliert ausgebildet ist. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Bypasskanal 131 dient zum Bypassen von Medium, so dass das Medium nicht durch den Wärmetauscher strömt. Die Isolierung, insbesondere Luftspaltisolierung, dient zur Verhinderung bzw. Reduzierung der Wärmeübertragung zwischen Bypasskanal 131 und dem Wärmetauscher.
In weiteren Ausführungen der 1 bis 13 sind turbulenzerzeugenden Elemente bzw. die Turbulenzeinlagen als Stegrippen ausgebildet.
Turbulenzeinlagen mit Stegrippen haben trotz ihrer grundsätzlich im Vergleich zu anderen Einlagen, geringeren Durchtrittsquerschnitte, eine vergleichsweise geringe Neigung zur Ansammlung von Ablagerungen. Grundsätzlich war zu befürchten, dass Turbulenzeinlagen mit Stegrippen verstärkt zur Verblockung einzelner Durchtrittskanäle aufgrund der feingliedrigen Struktur der Stegrippen führen würden. Dies ist jedoch in überraschend geringem Maße der Fall, insbesondere wenn die Stege der Stegrippen relativ kurz sind. Ein möglicher Erklärungsansatz hierfür könnte sein, dass durch die über große Teile der Stegrippeneinlage vorhandene turbulente Strömung des Abgases eine Ablagerung von Partikeln verringert ist, wogegen bei längeren, einförmigen Kanälen geordnete Strömungen ausgebildet werden, die in Wandnähe aufgrund der dort sehr geringen Strömungsgeschwindigkeit die Ablagerung von Partikeln begünstigen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Stege der Stegrippen eine Länge auf, die nicht mehr als etwa 10 mm, bevorzugt nicht mehr als etwa 5 mm und insbesondere bevorzugt nicht mehr als etwa 3 mm beträgt. Je nach gegebenem Bauraum und Verbrennungsmotor können bestimmte Anforderungen an den Druckabfall am Abgas-Wärmetauscher bestehen. Je nach diesen Anforderungen kann einer der vorgenannten Längenbereiche bevorzugt sein.
Weiterhin bevorzugt beträgt eine Dichte der Stegrippen quer zu der Abgasstromrichtung zwischen etwa 20 Stegrippen/dm und etwa 50 Stegrippen/dm, bevorzugt zwischen etwa 25 Stegrippen/dm und 45 Stegrippen/dm. Diese Stegrippendichten haben sich in Versuchen als besonders geeignet herausgestellt. Insbesondere stellen die Stegrippen besonders vorteilhaft einen guten Kompromiss zwischen Verblockungsrisiko und Kühlleistung dar.
Bezüglich einer Höhe der Stegrippen ist zu berücksichtigen, dass bei großen Höhen nur relativ kleine Primärflächen, also durch Kühlmittel gekühlte Oberflächen, zur Verfügung stehen, über die die gesamte Wärme ins Kühlmittel abgegeben werden muss. Bei relativ kleinen Primärflächen steigt dann das Siederisiko im Falle eines flüssigen Kühlmittels. Zudem nimmt der Wirkungsgrad der Einlagen bei zunehmender Höhe der Stegrippen ab. Eine bevorzugt Höhe der Einlage bzw. Stegrippe beträgt daher zwischen etwa 3,5 mm und etwa 10 mm, besonders bevorzugt zwischen etwa 4 mm und etwa 8 mm und insbesondere bevorzugt zwischen etwa 4,5 mm und etwa 6 mm.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es vorgesehen sein, dass vor der Mehrzahl von Strömungskanälen ein Oxidationskatalysator angeordnet ist. Durch einen solchen Katalysator lassen sich allgemein die Partikelgrößen, Partikeldichten und die Anteile an Kohlenwasserstoffen im Abgas durch Oxidation verringern. Es kann dabei ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Einlagen selber mit einer Beschichtung zur katalytischen Oxidierung des Abgases versehen sind. Insbesondere in Verbindung mit oxidkatalytischen Mitteln kann die sinnvoll einsetzbare Dichte der Stegrippen quer zu der Abgasstromrichtung mehr als etwa 50 Stegrippen/dm, insbesondere etwa 75 Stegrippen/dm betragen. Hierdurch würde eine besonders große Wärmetauscherleistung bei gegebenem Bauraum erzielt werden, ohne dass die langfristige Gefahr von Verblockungen durch Ablagerungen besteht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Stegrippen schrägverzahnt. Schrägverzahnte Rippen sind nach experimentellen Befunden besonders geeignet, eine große Langzeitstabilität des Abgas-Wärmetauschers gegen Ablagerungen zu gewährleisten. Dabei beträgt in bevorzugter Ausführung der Winkel zwischen den Stegwänden und einer Hauptrichtung der Stegrippen zwischen etwa 1° und etwa 45°. In besonders bevorzugter Ausführung beträgt der Winkel zwischen etwa 5° und etwa 25°, wobei er in alternativer bevorzugter Ausführung auch zwischen etwa 25° und etwa 45° betragen kann. Der erstgenannte Wertebereich 5° bis 25° eignet sich besonders gut bei üblichen stark druckverlustsensiblen Anwendungen, wobei sich der zweitgenannte Wertebereich zur Erzielung einer optimierten Leistungsdichte, insbesondere bei weniger druckverlustsensiblen Anwendungen eignet.
Allgemein lässt sich bei der Optimierung einer Einlage mit schräg verzahnten Stegrippen eine Korrelation zwischen dem Winkel der Wandungen und einer Längsteilung der Stegrippe feststellen. Dabei können insbesondere optimale Ausführungen bei kleinen Winkeln größere Teilungen l aufweisen als optimierte Ausführungen mit großen Winkeln. Insbesondere bei kleinen Anstellwinkeln können sich Ausführungen mit moderatem Druckverlust ergeben. Insbesondere bei großen Anstellwinkeln können sich Ausführungen mit optimierter Leistungsdichte ergeben. Insbesondere bei kleinen Anstellwinkeln kann die Längsteilung größer sein, bei großen Anstellwinkeln kann die Längsteilung insbesondere kleiner sein, um optimierte Ausführungen zu erhalten.
In bevorzugter Ausführung ist die Vorrichtung als Stapelscheiben-Wärmetauscher ausgebildet. Sowohl hinsichtlich der Breite eines Strömungskanals als auch hinsichtlich der kostengünstigen Fertigung und Kombinierbarkeit eines Wärmetauschersgehäuses mit Stegrippen-Einlagen bietet sich diese Ausführungsform in besonderem Maße an. Alternativ kann die Vorrichtung aber auch als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildet sein oder als eine andere an sich bekannte Wärmetauscherform.
Allgemein bevorzugt ist die Einlage zur Verhinderung von durch das aggressive Abgas bedingter Korrosion aus einem nichtrostenden Stahl, insbesondere einem austenitischen Stahl, gefertigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Aluminiumwerkstoffe eingesetzt werden, wobei dann besonders vorteilhaft ein geeigneter Korrosionsschutz vorgesehen werden kann, wie insbesondere eine Legierung und/oder eine Beschichtung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Einlage aus Aluminium ausgebildet. Die Einlage aus Aluminium hat ein besonders geringes Gewicht. Besonders vorteilhaft kann die Einlage aus Aluminium mittels einer Legierung oder Beschichtung zum Korrosionsschutz ausgebildet sein.
Abhängig von den Strömungsparametern, insbesondere der Reynoldszahl, beträgt die Länge des Einlaufbereichs der Strömungskanäle, insbesondere Rohre und/oder Stapelscheibenpaare, l/s ca. 2,5 bis 5 und die Länge der Stegrippen muss unterhalb dieses Grenzwertes gewählt werden. S bezeichnet die mittlere Durchtrittsbreite zwischen zwei Stegen und beträgt somit b/2-t, wobei t die Blechstärke bezeichnet. Es ergibt sich ein erforderliches Verhältnis l/s < 4, insbesondere l/s < 2. Bei hohem Verblockungsrisiko durch kritische Abgaszusammensetzung ist l/s < 1,5, insbesondere l/s < 1 zu wählen.
Durch eine Schrägstellung der Stege tritt auf der Drallseite eine höhere Strömungsgeschwindigkeit an der Wand auf, die der Russablagerung entgegenwirkt. Ein weiterer entscheidender Vorteil schrägverzahnter Stegrippen ist, dass in Fällen, bei denen eine geringe Dichte der Stegrippen in Strömungsquerrichtung zur Verblockungsvermeidung erforderlich ist, insbesondere bei ungünstiger Abgaszusammensetzung, trotz geringer Rippenoberfläche eine ausreichende Kühlerleistung gewährleistet werden kann.
Der erfindungsgemäße Stapelscheiben-Wärmetauscher umfasst ein äußeres Gehäuse mit einem Deckel, wobei ein Eintritt und ein Austritt für das Abgas vorgesehen sind sowie ein Eintritt und ein Austritt für ein flüssiges Kühlmittel. Innerhalb des Gehäuses sind mehrere Scheibenelemente vorgesehen, wobei jedes der Scheibenelemente aus einer oberen Hälfte und einer unteren Hälfte zusammengesetzt ist. Mittels aufgestülpter Kragen sind die Scheibenelemente untereinander und mit dem Gehäuse so verschweißt, dass das Kühlmittel jeweils zwischen den zwei Hälften eines Scheibenelements vom Einlass zum Auslass strömt. Zwischen zwei Scheibenelementen ist jeweils eine in nicht gezeigte Einlage mit Stegrippen angeordnet, wobei der Zwischenraum zwischen zwei Scheibenelementen jeweils einen Strömungskanal für das Abgas bildet. Die Einlagen sind in aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Einlagen bestehen aus einem rostfreien Stahl. Zur Verbesserung des thermischen Kontakts zwischen den Einlagen und den Scheibenelementen bzw. dem Gehäuse können die Einlagen flächig mit den genannten Elementen verschweißt oder verlötet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform besteht die Turbulenzeinlage aus einem dünnen Blechmaterial, in das mittels formender Maßnahmen parallele Stegrippen eingebracht sind. Jede der Stegrippen umfasst eine Reihe von in Abgasströmungsrichtung nacheinander angeordneten Stegen. Jeweils zwei in Abgasströmungsrichtung hintereinander folgende Stege sind um eine halbe Stegbreite quer zur Abgasströmungsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet, so dass sich nach jedem Steg eine Schnittkante mit einem nachfolgenden Steg anschließt. Im vorliegenden Beispiel sind die Wandungen parallel zu der Strömungsrichtung des Abgases ausgerichtet und bilden mit einer Achse B der Stegrippen bzw. der Hauptströmungsrichtung des Abgases A einen Winkel von 0°. Eine solche Stegrippen-Einlage wird als geradeverzahnte Stegrippe bezeichnet.
Im ersten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge l eines Steges etwa 4 mm. Die Breite b einer einzelnen Stegrippe ist als Breite der Wiederholeinheit der periodischen Struktur quer zur Hauptströmungsrichtung des Abgases definiert. Die Stegrippendichte 2/b beträgt im vorliegenden Beispiel etwa 40 Stegrippen/dm. Die Breite b einer Stegrippe beträgt somit etwa 5 mm Die Höhe h der Stegrippen entspricht dem Abstand zweier benachbarter Scheibenelemente des Wärmetauschers und beträgt vorliegend etwa 5 mm.
Bei einer weitere Ausgestaltung der Stegrippen-Einlage sind hierbei die seitlichen Wandungen der einzelnen Stege nicht parallel zu der Hauptrichtung B der Stegrippen ausgerichtet. Vielmehr schließt jede der Wandungen der Stege mit der Hauptrichtung B der Stegrippen einen Winkel W von etwa 30° ein. Die weiteren Maße der schrägverzahnten Stegrippen-Einlage entsprechen den Maßen der geradeverzahnten Stegrippe.
Geeignete Längsteilung l für entsprechende Winkel der Wandungen W ergeben geeignete Ausführungen bei 10° mit Längsteilungen l < ca. 10 mm, bei 20° mit l < ca. 6 mm, bei 30° mit l < ca. 4 mm und bei 45° mit l < ca. 2 mm.
Die minimale Längsteilung l liegt bei allen Winkeln bei ca. 1 mm. Die zulässige Kanalstreckung l/s liegt in etwa innerhalb der gleichen Grenze wie für eine gerade verzahnte Stegrippe, wobei s den Stegabstand quer zur Hauptströmungsrichtung B bezeichnet. In der Regel sind Längsteilungen l < 1 mm aus fertigungstechnischen Gründen schlecht herzustellen.
Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind beliebig miteinander kombinierbar. Die Erfindung ist auch für andere als die gezeigten Gebiete einsetzbar.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere zur Kühlung von Abgas, umfassend mindestens einen ersten Strömungskanal (2) eines ersten Mediums, insbesondere eines Gases, mindestens einen zweiten Strömungskanal (3) eines mindestens zweiten Mediums, insbesondere eines Kühlmediums, mindestens eine erste Scheibe (4), mindestens eine zweite Scheibe (5), wobei die erste Scheibe (4) und die zweite Scheibe (5) miteinander verbunden sind und den ersten Strömungskanal (2) des ersten Mediums bilden, mit mindestens einem Gehäuseelement (6), insbesondere einem ersten Gehäuseelement (7) und einem zweiten Gehäuseelement (8), welches mit der ersten Scheibe (4) und mit der zweiten Scheibe (5) den zweiten Strömungskanal (3) des zweiten Mediums bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (6, 7) durch das zweite Medium kühlbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (6, 7) im Wesentlichen vollständig von dem zweiten Medium, insbesondere Kühlmedium, umströmbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Temperatur des ersten Mediums, insbesondere des Ab gases eines Verbrennungsmotors, vor dem Eintritt in den Wärmetauscher höher ist als die Temperatur des zweite Mediums, insbesondere des Kühlmediums, vor dem Eintritt in den Wärmetauscher.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (6, 7) aus einem ersten Material, insbesondere Aluminium oder Kunststoff, und das zweite Gehäuseelement (8) aus einem anderen zweiten Material, insbesondere Stahl, ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gehäuseelement (8) mindestens eine Gehäuseöffnung, insbesondere eine erste Gehäuseöffnung (10) für einen Eintritt (11) des ersten Mediums in den ersten Strömungskanal (2), insbesondere eine zweite Gehäuseöffnung (12) für einen Ausritt (13) des ersten Mediums aus dem ersten Strömungskanal (2), insbesondere eine dritte Gehäuseöffnung (14) für einen Eintritt (15) des zweiten Mediums in den zweiten Strömungskanal (3) und insbesondere eine vierte Gehäuseöffnung (16) für einen Ausritt des ersten Mediums aus dem zweiten Strömungskanal (3), aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (6, 7) und das zweite Gehäuseelement (8) in mindestens eine Stapelrichtung S der ersten Scheiben (4) und der zweiten Scheiben (5) öffenbar sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (6, 7) und das zweite Gehäuseelement (8) miteinander stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Schweißen, Kleben usw., verbunden und/oder formschlüssig, insbesondere durch Schrauben, Clipsen, oder durch Umformen wie, Falzen, Crimpen, Bördeln usw., verbunden sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (6, 7) und das zweite Gehäuseelement (8) mit einem Dichtelement, insbesondere einen O-Ring, Vierkantring, eine Filmdichtung usw., gegeneinander abgedichtet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Scheibe (4) und/oder die zweite Scheibe (5) Ausprägungen (18), insbesondere turbulenzerzeugende Elemente (18) aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Scheiben (4) und/oder die zweiten Scheiben (5) an Scheibenenden (19) jeweils mindestens einen Napf (20) aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Näpfe (20) jeweils mindestens eine Napföffnung (21), insbesondere zum Durchtritt des ersten Kühlmediums, aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine erste Scheibe (4) mit jeweils einer zweiten Scheibe (5) ein Scheibenpaar (22) bilden und stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Schweißen, Kleben usw, miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Scheibenpaare aufeinander stapelbar und an Napföffnungs rändern stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Schweißen, Kleben usw, miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenpaare (22) die ersten Strömungskanäle (2) für das erste Medium, insbesondere für zu kühlendes Abgas, bilden.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Scheibenpaare (22) beabstandet voneinander angeordnet sind und auf diese Weise die zweiten Strömungskanäle (3) des zweiten Mediums, insbesondere Kühlmediums, ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwischen dem ersten Gehäuseelement (6, 7) und einer Scheibenpaarrandfläche (24) die zweiten Strömungskanäle (3) des zweiten Mediums, insbesondere Kühlmedium, ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben den zweiten Strömungskanälen (3) dritte Strömungskanäle eines dritten Mediums ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Strömungskanäle des dritten Mediums zwischen dem ersten Gehäuseelement (6, 7) und den Scheibenpaarrandflächen (24) ausgebildet sind
Wärmetauscher nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Strömungskanäle von den zweiten Strömungskanälen (3), insbesondere durch mindestens ein Trennwandelement, getrennt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Strömungskanäle (3) mit dem zweiten Medium, insbesondere Kühlmedium, eines Hochtemperaturkühlkreislaufs beströmbar und die dritten Strömungskanäle mit einem dritten Medium, insbesondere Kühlmedium, eines Niedertemperaturkühlkreislaufs beströmbar sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseelement (6, 7) integraler Bestandteil mindestens eins anderen Bauteils, insbesondere eines Wassermantels, eines Zylinderkopfes eines Verbrennungsmotors, eines Wassertanks eines Kühlmittelkühlers usw., ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein zweites Gehäuseelement (8) aber kein erstes Gehäuseelement (6, 7) aufweist.