DE102008002430A1

DE102008002430A1 - Abgaswärmetauscher mit schwingungsgedämpftem Tauscher-Rohrbündel

Info

Publication number: DE102008002430A1
Application number: DE102008002430A
Authority: DE
Inventors: Andreas Capelle; Andrej Repa; Guillaume Hebert
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2028-06-14
Also published as: DE102008002430C5; US8387684B2; US20130213368A1; US20090014151A1; DE102008002430B4; CN101435389A; US9534529B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wäremtauscher (1) für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Bündel separat ausgebildeter, strömungstechnisch parallel geschalteter abgasführender Tauscherrohre (20), die in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse (40) angeordnet sind, welches von einem Kühlmittel durchströmt wird, das die Tauscherrohre (20) außenseitig umströmt. Es sind mechanische Mittel vorgesehen, über die sich Tauscherrohre (20) aneinander abstützen.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für ein Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs. Aufgrund der stetig verschärften gesetzlichen Vorschriften in Bezug auf die Abgasimmission von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Bezug auf die Immission von Stickoxyden, ist im Bereich der Verbrennungskraftmaschine eine Rückführung von Verbrennungsabgasen auf die Einlassseite der Verbrennungskraftmaschine Stand der Technik. Die Verbrennungsgase nehmen selbst nicht noch einmal an dem Verbrennungsvorgang im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine teil und stellen so einen Inertgas dar, welches das Gemisch aus Verbrennungsluft und Kraftstoff im Brennraum verdünnt und für eine innigere Vermischung sorgt. Auf diese Weise ist es möglich, das Auftreten sogenannter Hot-Spots während des Verbrennungsvorgangs zu minimieren, die sich durch lokal extrem hohe Verbrennungstemperaturen auszeichnen. Solche sehr hohen Verbrennungstemperaturen begünstigen die Bildung von Stickoxyden und müssen daher unbedingt vermieden werden.
Da der Wirkungsgrad einer Verbrennungsmaschine typisch von der Temperatur der dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft abhängig ist, können die Verbrennungsgase nach ihrem Austritt aus dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine nicht unmittelbar wieder der Ansaugseite zugeführt werden. Vielmehr ist eine deutliche Absenkung der Verbrennungsgastemperatur erforderlich. Typische Austrittstemperaturen der Verbrennungsgase aus dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine liegen im Bereich von 900°C und darüber, die Temperatur der eingangsseitig dem Brenn raum der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft sollte hingegen nicht über 150° betragen, vorzugsweise deutlich darunter liegen. Zur Abkühlung der rückgeführten Verbrennungsgase ist aus dem Stand der Technik bekannt, sogenannte Abgasrückführkühler einzusetzen. Aus dem Stand der Technik sind die verschiedensten Konstruktionen bekannt, bei denen in der Regel die zu kühlenden Verbrennungsgase durch Tauschrohre geführt werden, die außenseitig von einem Kühlmittel umströmt werden, wobei es sich bei dem Kühlmittel in der Regel um das Kühlwasser des Kraftfahrzeugs handelt. Zur Erhöhung der Effizienz wird im Stand der Technik vorgeschlagen, die zu kühlenden Verbrennungsgase durch ein Bündel von strömungstechnisch parallel geschalteten Tauschrohren zu leiten, die insgesamt vom Kühlmittel umspült werden.
Aus der DE 10 2004 019 554 A1 ist ein Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, welches einen Abgaswärmetauscher umfasst, der als zweiteiliges Gusteil ausgeführt ist. Da die sehr heißen Verbrennungsgase aufgrund der niemals 100%igen Verbrennung des Kraftstoffs reaktiv sind, stellt sich hier das Problem, dass es technisch schwierig bis unmöglich ist, Oberflächen eines metallischen Gussteils als inerte Oberflächen vergleichbar einer Edelstahloberfläche auszugestalten.
Aus der DE 10 2005 055 482 A1 ist ein Abgaswärmetauscher für einen Verbrennungsmotor bekannt, der die vorgenannten Probleme vermeidet, indem diejenigen Oberflächen, welche mit den heißen Verbrennungsgasen in Berührung kommen, als korrosionsbeständige Stahloberflächen ausgeführt sind. Die Wärmetauscherrohre und das Gehäuse, in dem die Wärmetauscherrohre angeordert sind, als separate Teile ausgebildet, die im Rahmen des Herstellungsprozesses zusammengefügt werden.
Bei dem aus der DE 10 2006 009 948 A1 zur bekannten Abgaswärmetauscher sind die das heiße Gas führenden Kanäle und das Gehäuse, in dem das die Abgaskanäle umströmende Kühlmittel strömt, integral in Form eines Plattenwärmetauschers ausgebildet. Sowohl die Strömungswege für die heißen Verbrennungsgase als auch die Strömungswege für das Kühlmittel bilden sich erst bei der Zusammenführung einzelner beispielsweise tiefgezogener Platten zu einem Plattenwärmetauscher. Ein ähnliches Konzept wird auch in der DE 10 2006 049 106 A1 verfolgt.
Allgemeine Informationen zur Technikerabgasrückführung bei Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen können beispielsweise der DE 100 119 54 A1 entnommen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs anzugeben, welcher ein Bündel separat ausgebildeter Tauscherrohre aufweist, welcher ein verbessertes NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher ist für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Er weist ein Bündel separat ausgebildeter Strömungstechnisch parallel geschalteter abgasführende Tauscherrohre auf. Diese sind in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse angeordnet, welches von einem Kühlmittel durchströmt wird. Das Kühlmittel umströmt die Tauscherrohre außenseitig. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein mechanisches Mittel vorgesehen ist, über das sich Tauscherrohre aneinander abstützen. Dabei ist das mechanische Mittel bevorzugt separat vom Gehäuse des Wärmetauschers ausgebildet ist. Bevorzugt ist das mechanische Mittel in einem Bereich des Gehäuses angeordnet, in dem bei Fehlen des mechanischen Mittels im Betrieb des Kraftfahrzeugs hohe Schwingungsamplituden der abgasführenden Tauscherrohre auftreten würden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Bandage für das Bündel von Wärmetauscherrohren vorgesehen, die außenseitig am Bündel angeordnet ist. Weiterhin verbindet die Bandage eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren mechanisch fest miteinander, so dass eine Vibration zumindest der außenliegenden Rohre des Bündels von Tauscherrohren durch die Bandage sicher unterdrückt wird.
In einer weiterentwickelten Ausgestaltung bildet die Bandage weiterhin eine mechanische Abstützung für die durch die Bandage miteinander verbundenen Wärmetauscherrohre gegenüber dem Gehäuse aus. Auf diese Weise verhindert die Bandage nicht nur Relativschwingungen der Tauscherrohre des Bündels gegen einander, sondern auch Kollektivschwingungen des Bündels insgesamt gegenüber dem das Bündel umgebende Gehäuse.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Abstützung federnd ausgebildet ist, so dass sich insgesamt eine federnde Abstützung des Bündels von Wärmetauscherrohren gegenüber dem Gehäuse des Wärmetauschers ergibt.
In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist die Bandage so ausgeführt, dass sie das Bündel der Tauscherrohre zumindest teilweise, bevorzugt, aber vollständig umgreift.
In einer weiteren verbesserten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist im Gehäuse des Wärmetauschers innerhalb des Rohrbündels ein Leitblech für die Strömungsführung des Kühlmittels im Gehäuse angeordnet. Vorteile bezüglich des NVH-Verhalten ergeben sich, wenn dieses Leidbleche mit einer Mehrzahl von Tauscherrohren mechanisch verbunden ist, beispielsweise mittels verlöten oder verschweißen. In der Regel wird das Leitblech hier mit den unmittelbar an das Leitblech angrenzenden Tauscherrohren verbunden. Vorteilhaft ist dabei das Leitblech nicht nur mit einer Mehrzahl verbunden, sondern auch mechanisch fest mit dem Gehäuse des Wärmetauschers verbunden, hier insbesondere mit einem Gehäuseabschnitt wie beispielsweise einem Deckelteil.
Die besondere schwingungsreduzierte Ausführung des Wärmetauscherbündels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist besonders dann von Vorteil, wenn die Einlässe und die Auslässe der Tauschrohre außerhalb des Gehäuses des Wärmetauschers angeordnet sind und sich in den Tauscherrohren innerhalb des Gehäuses ein gewundener Strömungspfad erstreckt, der ein Drehwinkel von zumindest 135° einschließt, bevorzugt aber von 180°. In einer solch u-förmigen oder halbkreisförmigen Konfiguration der Tauscherrohre sind die Tauscherrohre in der Regel nur an ihren Durchführungspunkten durch die Wandung des Wärmetauschergehäuses mechanisch abgestützt und bilden daher ein sehr gut schwingungsfähiges System aus. Diese Schwingungsfähigkeit wird stark herabgesetzt durch die erfindungsgemäß vorgesehene Bandage, welche das Rohrbündel umgreift. Sie wird weiter herabgesetzt durch das vorstehend bereits erwähnte Leitblech, welches ebenfalls mit einer Mehrzahl von Tauscherrohren verbunden ist.
Die Schwingungsfähigkeit des Bündels aus Tauscherrohren kann weiter herabgesetzt werden, wenn innerhalb des Bündels ein Versteifungselement angeordnet wird, welches eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren mechanisch fest miteinander verbindet. Ein solches Versteifungselement kann beispielsweise aus einem geeignet geformten Metallstreifen bestehen, welcher mittels verlöten oder verschweißen mit den Tauscherrohren verbunden wird. Durch entsprechende Profilierung des Metallstreifens beispielsweise in Form eines V- oder U-Profil kann der Metallstreifen mit der erforderlichen Steifigkeit ausgestattet werden.
Bevorzugt werden die Tauscherrohre im erfindungsgemäßen Wärmetauscher zumindest zwischen den Punkten an denen sie durch die Wandung des Gehäuses des Wärmetauschers hindurchgeführt sind, einstückig ausgebildet und bestehen aus einem korrosions- und hitzebeständigen Material wie Edelstahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Um einen möglichst guten Wärmeübertritt vom in den Tauscherrohren geführten Eisenverbrennungsabgas und dem die Tauscherrohre außenseitig umspülenden Kühlmittel zu erzielen, sind die Tauscherrohre mit möglichst geringer Wandstärke ausgestattet, wodurch sich allerdings ihre Schwingungsfähigkeit erhöht. Der thermische Wirkungsgrad kann weiter erhöht werden, wenn für eine intensive Verwirbelung des in den Tauscherrohren geführten Abgases gesorgt wird, hierzu kann eine Spiralstruktur auf den Innenflächen der Tauscherrohre ausgebildet werden. Auf besonders effiziente Weise lässt sich eine solche Spiralstruktur mittels prägen der Wandung der jeweiligen Tauscherrohre erzeugen, hierdurch wird jedoch die Steifigkeit der Tauscherrohre nochmals reduziert, wodurch sich nochmals die Schwingungsfähigkeit des Tauscherrohrbündels erhöht. Insbesondere in diesem Zusammenhang sind die vorstehend erwähnten schwingungsreduzierenden Maßnahmen am Tauscherrohrbündel vorteilhaft.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. In dieser Zeigen:
1: eine Explosionszeichnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers,
2: eine Aufsicht auf die Montageschnittstelle F eines Abgaswärmetauschers gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
3: eine Aufsicht auf ein Bündel von Tauscherrohren eines Abgaswärmetauschers gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
4: eine schematische Darstellung eines Tauscherrohrs des Wärmetauschers gemäß 1,
5: einen Schnitt durch das in 4 dargestellte Tauscherrohr,
6: eine schematische Darstellung eines Tauscherrohrs, welches einen gewundenen Strömungspfad ausbildet, zur Illustration des Umlaufwinkels α,
7: eine Aufsicht auf die von einem Gehäusedeckel ausgebildete Schnittestelle S, in der die Ein- und Auslassöffnungen of Gitterplätzen eines orthogonalen Gitters angeordnet sind,
8: eine Aufsicht auf die von einem Gehäusedeckel ausgebildete Schnittestelle S, in der die Ein- und Auslassöffnungen of Gitterplätzen eines hexagonalen Gitters angeordnet sind, und
9: einen Schnitt durch eine Einlass-/Auslassöffnung eines Tauscherrohrs im Bereich eines Gehäusedeckels.
10: eine Explosionsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Abgaswärmetauschers mit schwingungsgedämpften Tauscherrohrbündel,
11: eine Aufsicht auf das montierte Tauscherrohrbündel aus 10,
12: eine Explosionsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Abgaswärmetauschers mit schwingungsgedämpften Tauscherrohrbündel,
13: eine Aufsicht auf das montierte Tauscherrohrbündel aus 12,
14: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers mit schwingungsgedämpften Tauscherrohrbündel in einer Explosionsdarstellung,
15: eine perspektivische Darstellung eines im Abgaswärmetauscher gemäß 14 eingesetzten schwingungsdämpfenden Federelements,
16: das Tauscherrohrbündel des Ausführungsbeispiels gemäß 14 in montiertem Zustand in einer perspektivischen Darstellung,
17: das Tauscherrohrbündel aus 16 in Aufsicht,
18: das Tauscherrohrbündel eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in Explosionsdarstellung,
19: das Tauscherrohrbündel aus 18 in einer weiteren Explosionsdarstellung,
20: das Tauscherrohrbündel aus 18 in montiertem Zustand in Aufsicht,
21: einen Schnitt durch das außenliegende Tauscherrohrbündel in 19 entlang der Ebene C-C, und
22a, b, c: verschiedene Versteifungselemente gemäß 21.
1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers 1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels. Der Wärmetauscher 1 umfasst ein Gehäuse 40, welches aus einem Mantelteil 50 besteht, welches mittels eines Gehäusedeckels 60 verschlossen wird. Das Mantelteil 50 ist als Gussteil ausgebildet und kann insbesondere aus Aluminiumdruckguss bestehen. Alternativ ist eine Herstellung des Mantelteils 50 im gezeigten Ausführungsbeispiel aus jedem Werkstoff möglich, welcher einerseits im Gussverfahren verarbeitet werden kann und andererseits eine ausreichende thermische Stabilität aufweist. Da aber das Mantelteil 50 des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 nur mit dem Kühlmittel in Berührung kommt, welches in der Regel aus dem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs stammt, ist eine Temperaturbeständigkeit bis zu Temperaturen bis 150°C für die meisten Anwendungsfälle ausreichend. Als weitere Materialien für das Mantelteil haben sich Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen, Grauguss oder auch hitzebeständige und spritzgussfähige Kunststoffe erwiesen.
Vorderseitig bildet das Mantelteil einen Flansch 59 für eine Verbindung mit einem Gehäusedeckel 60 aus. Der Gehäusedeckel 60 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer gestanzten Edelstahlplatte mit einer Stärke von wenigen Millimetern, bevorzugt von etwa 2 mm. Das Mantelteil 50 wird mit dem Gehäuseteil 60 flüssigkeits- und gasdicht verbunden unter Zwischenfügung einer Dichtung 52, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel als Metalldickendichtung ausgebildet ist. Der Gehäusedeckel 60 wird dabei mit dem Flansch 59 des Mantelteils 50 mittels Schrauben 54 verschraubt, hierzu bildet das Mantelteil 50 eine Mehrzahl von großen Gewindebohrungen 55 aus. Der Gehäusedeckel 60 weist an den korrespondierenden Positionen Durchgangsbohrungen 65 mit großem Durchmesser auf, durch die passend dimensionierte Schrauben 54 hindurchgeführt und in die Gewindebohrungen 55 eingeführt werden, so dass der Gehäusedeckel 60 mit dem Mantelteil 50 verschraubt werden kann.
Das Mantelteil 50 bildet einen Innenraum 42 aus, der dazu vorgesehen ist, ein Bündel von U-förmig gebogenen Tauscherrohren 20 in sich aufzunehmen. Dabei sind die Tauscherrohre 20 von ihren Rohrdimensionen wie Innen- und Außendurchmesser identisch, jedoch variiert die Öffnungsweite W des U-förmigen Profils. Die Formgebung des Innenraums 42 und damit auch des Mantelteils 50 ist aber insgesamt an die Formgebung des Bündels von Tauscherrohren 20 angepasst, so dass sich eine möglichst effektive Raumnutzung des Innenraums 42 durch das Bündel der Tauscherrohre 20 ergibt.
Die Tauscherrohre 20 bilden an ihren jeweiligen Enden jeweils einen Einlass 22 und einen Auslass 24 aus. Die Enden der Tauscherrohre 20 sind dabei in korrespondierende Bohrungen im Gehäusedeckel 60 hindurchgeführt, die Durchführungspunkte 66, 68 für die Einlässe bzw. die Auslässe der Tauscherrohre 20 ausbilden. Die Ein- und Auslässe 22, 24 der Tauscherrohre 20 sind dabei durch die im Gehäusedeckel 60 ausgebildeten Bohrungen hindurchgeführt, die Tauscher rohre 20 sind an den Durchführungspunkten 66, 68 gas- und flüssigkeitsdicht mit dem Gehäusedeckel 60 verbunden, beispielsweise mittels Verlöten oder Verschweißen. Hierdurch ergibt sich eine mechanische Abstützung der Tauscherrohre 20 am Gehäusedeckel 60.
In einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Tauscherrohre 20 aus dünnwandigen Edelstahlrohren, dabei sind die Tauscherrohre 20 mit einer geprägten Struktur versehen, so dass sich von der Innenoberfläche der Tauscherrohre 20 eine Spiralstruktur 26 erhebt. Das Bündel der Tauscherrohre 20 ist dabei so angeordnet, dass alle Einlässe 22 und alle Auslässe 24 jeweils in einer zusammenhängenden Gruppe angeordnet sind, so dass ein Anschluss des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 an das Abgassystem des Kraftfahrzeugs auf einfache Weise möglich ist. Hierzu bildet die Vorderseite des Gehäusedeckels 60 eine Montageschnittstelle S aus, die aufgrund der planen Ausführung des Gehäusedeckels 60 im Wesentlichen flanschartig ausgestaltet ist. Zur Montage des Wärmetauschers 1 am Kraftfahrzeug sind im Mantelteil 50 weitere Gewindebohrungen 53 ausgebildet, die einen gegenüber den Gewindebohrungen 55 verringerten Innendurchmesser aufweisen. In der Metallsickendichtung 52 sowie in dem Gehäusedeckel 60 sind korrespondierende Durchgangsbohrungen 63 ausgebildet. Hierüber kann der Wärmetauscher 1 über eine Mehrzahl von in 1 nicht dargestellten Schrauben mit dem Abgas- und Kühlmittelsystem des Kraftfahrzeugs verbunden werden.
Das Mantelteil 50 bildet neben dem Innenraum 42, in dem das Bündel der Tauscherrohre 20 nicht angeordnet ist, einen Einlasskanal 56 und Auslasskanal 58 für ein Kühlmittel aus, bei dem es sich beispielsweise um Kühlflüssigkeit des Kraftfahrzeugs handeln kann. Der Einlasskanal 56 und Auslasskanal 58 sind dabei so angeordnet, dass sich im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers 1 ein von oben nach unten (in 1) erstreckender Strömungspfad durch den Innenraum 42 des Mantelteils 50 ergibt, so dass das Bündel der Tauscherrohre intensiv vom Kühlmittel umspült wird. Um eine möglichst intensive Wechselwirkung des Kühlmittels mit der Oberfläche der abgasführenden Tauscherrohre 20 zu verwirklichen, ist es weiterhin innerhalb der Schenkel der U-förmig gestalteten Tauscherrohre 20 ein Leitblech 36 angeordnet, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum bevorzugt aus Edelstahl besteht und stumpf mit dem ebenfalls aus Edelstahl bestehenden Gehäusedeckels 60 ver schweißt oder verlötet ist. Das Leitblech 36 verlängert den Strömungspfad des Kühlmittels im Innenraum 42 des Gehäuses 40 und sorgt somit für einen intensiveren thermischen Austausch zwischen dem in den Tauscherrohre 20 strömenden Abgas und dem in Innenraum 42 strömenden Abgas.
Der im Mantelteil 50 ausgebildeter Einlasskanal 56 sowie der Auslasskanal 58 enden ebenfalls im vom Mantelteil 50 ausgebildeten Flansch 59, wobei an den Enden der Kanäle 56 und 58 Stege 57 ausgebildet sind, welche eine mechanische Abstützung für die auf dem Flansch 59 aufliegende Metallsickendichtung 52 ausbilden. Diese bildet ebenfalls Durchlässe für das den Wärmetauscher 1 durchströmende Kühlmittel aus, welche mit den im Gehäusedeckel 60 ausgebildeten Kühlmitteleinlass 62 und Kühlmittelauslass 64 korrespondieren. Im zusammengefügten Wärmetauscher 1 kann daher über die Vorderseite des Gehäusedeckels 60 sowohl Kühlmittel über den Kühlmitteleinlass 62 zugeführt als auch über den Kühlmittelauslass 64 abgeführt werden als auch das zu kühlende Verbrennungsabgas über die Einlässe 22 der Tauscherrohre 20 zugeführt und über die Auslässe 24 abgeführt werden. In der dargestellten Konstruktion ist dies über eine einzige gemeinsame Montageschnittstelle S möglich.
Dies wird insbesondere auch aus der Darstellung gemäß 2 deutlich, welche eine Aufsicht auf eine Montageschnittstelle des Wärmetauschers 1 in einer geringfügig abgewandelten Ausführungsform zeigt. Deutlich zu erkennen sind die im Gehäusedeckel 60 ausgebildete Kühlmitteleinlass 62 sowie der Kühlmittelauslass 64. Die Mehrzahl der Einlässe 22 sowie Auslässe 24 der Tauscherrohre 20 ist hingegen der Darstellung gemäß 2 durch Gitterstrukturen 23 abgedeckt, die Anordnung der Einlässe 22 sowie Auslässe 24 im Gehäusedeckel 60 entspricht aber im Wesentlichen der in 1 dargestellten Konfiguration. Ansonsten unterscheidet sich der Wärmetauscher gemäß der Darstellung von 2 im Wesentlichen durch die veränderte Anordnung von Befestigungspunkten 51 am Mantelteil 50, wobei diese Befestigungspunkte 51 einer Befestigung des Wärmetauschers 1 an Montagestrukturen des Kraftfahrzeugs dienen.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Bündels von Tauscherrohren 20 eines Wärmetauschers 1 in einer dritten Ausgestaltung. Gegenüber dem Wärmetauscher 1 gemäß 1 unterscheidet sich das hier gezeigte Bündel von Tauscherrohren 20 im Wesentlichen dadurch, dass es sich bei den Tauscherroh ren 20 um glatte, nahtlos gezogene dünnwandige Edelstahlrohre handelt, die keine Spiralstruktur 26 aufweisen, wie sie in 1 dargestellt ist. Darüber hinaus sind die Tauscherrohre 20 so angeordnet, dass sie sich jeweils paarweise überkreuzen, was an den Umkehrpunkten der U-förmig ausgebildeten Tauscherrohre 20 in 3 sichtbar wird.
Aus 1 wird weiterhin sichtbar, mittels technischer Maßnahmen unerwünschte Schwingungen des Bündels von Tauscherrohren 20 im Innenraum 42 des Gehäuses 40 verhindert werden. So ist einerseits das Leitblech 36, welches mechanisch starr mit dem Gehäusedeckel 60 verbunden ist und welches innerhalb des Bündels von Tauscherrohren 20 angeordnet ist, an seiner umgebogenen Spitze mechanisch fest mit den benachbart angeordneten Tauscherrohren 20 verbunden, beispielsweise mittels Verlöten oder Verschweißen. Das Leitblech 36 stellt damit eine mechanische Versteifung für die innenliegenden Tauscherrohre 20 des Tauscherrohrbündels dar und dämpft damit deren Schwingungen.
Als weitere schwingungsreduzierende Maßnahme ist eine Bandage 30 vorgesehen, welche aus einem gestanzten Edelstahlblech geringer Wandstärke besteht. Diese Bandage umgreift das Bündel der Tauscherrohre 20 vollständig und ist an den Berührungspunkten mit den benachbarten Tauscherrohren 20 mechanisch fest verbunden, beispielsweise mittels verlöten oder verschweißen. Durch die das Tauscherrohrbündel umgreifende Anordnung verhindert die Bandage 30 Relativschwingungen der außenliegenden Tauscherrohre 20 zueinander. Darüber hinaus bildet die Bandage 30 integral ausgebildete Abstützungen 32 aus, welche aus abgewinkelten Vorsprüngen bestehen. Diese Abstützungen 32 stellen eine federnde Abstützung des gesamten Tauscherrohrbündels gegenüber der Innenwandung des Gehäuses 40 dar.
Schließlich sind innerhalb des Bündels von Tauscherrohren 20 Versteifungselemente 34 angeordnet, welche ebenfalls aus gestanzten Edelstahlblechstreifen bestehen. Diese Versteifungselemente 34 stellen eine mechanisch starre Abstützung der Tauscherrohre 20 des Tauscherrohrbündels dar, sie sind hierzu mechanisch fest mit den Tauscherrohren 20 verbunden, beispielsweise mittels Verschweißen oder Verlöten.
Es sei darauf hingewiesen, dass auf die mechanisch feste Verbindung der Bandage 30 bzw. der Versteifungselemente 34 mit den einzelnen Tauscherrohren 20 in Einzelfällen verzichtet werden kann, ggf. kann der bloße Formschluss zwischen Tauscherrohrbündel und Bandage 30 bzw. Versteifungselement 34 bereits für eine ausreichende Abstützung des Tauscherrohrbündels und für ein ausreichend festen Sitz der Bandage 30 bzw. der Versteifungselemente 34 am Tauscherrohrbündel sorgen.
4 zeigt nun eine Aufsicht auf ein einzelnes Tauscherrohr 20 des Wärmetauschers 1 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels. Das Tauscherrohr 20 weist eine mit L bezeichnete freie Länge auf, die je nach Dimensionierung des Wärmetauschers 1 im Bereich zwischen zwei und 30 cm liegen kann, wobei für eine Verwendung in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmaschine geringerer Leistung typische Dimensionierungen von L im Bereich von 5 cm geeignet sind. Für Personenkraftwagen höherer Leistung von 100 kW und darüber können Dimensionierungen im Bereich von L zwischen 10 und 15 cm sinnvoll sein. Für eine Verwendung in Lastkraftwagen können Dimensionierungen von L = 20 cm und darüber geeignet sein.
Das Tauscherrohr 20 weist einen Außendurchmesser D auf, der typisch im Bereich zwischen 1 und 15 mm beträgt, bevorzugt einen Bereich zwischen 6 und 12 mm, da sich dieser als besonders geeignet für die bestimmungsgemäße Verwendung des Wärmetauschers als Abgaswärmetauscher für ein Kraftfahrzeug herausgestellt hat. Die aus 4 sowie 5, welche einen perspektivisch dargestellten Schnitt durch das Tauscherrohr 20 der 4 darstellt, ersichtlich ist, sind bei einer Verbindung von Edelstahl Werte im Bereich von 0,1 bis 1 mm geeignet, abhängig insbesondere auch von der Länge L des Tauscherrohrs im spezifischen Wärmetauscher 1. Bevorzugt liegt die Wandstärke WS der Tauscherrohre 20 im Bereich von 0,3 bis 0,6 mm.
Für den Abstand W der Schenkel der U-förmig geformten Tauscherrohre 20 hat es sich herausgestellt, dass dieser bevorzugt größer oder gleich dem Zweifachen des Außendurchmessers D des Tauscherrohrs 20 beträgt. Insbesondere gilt:
W ist größer gleich 2,2 × D, wobei sich herausgestellt hat, dass die Schenkelweite W, die unmittelbar mit dem Biegeradius des U-förmig gebogenen Tauscherrohrs 20 korreliert ist über W = RR, wenn als Tauscherrohr 20 ein mit einer durchgehenden Spiralstruktur 26 versehenes dünnwandiges Rohr beispielsweise aus Edelstahl oder aus Aluminium verwendet wird. Eine besonders kleine Schenkelweite W ist für eine möglichst effiziente Nutzung des Innenraumvolumen des Gehäuses 40 günstig und aufgrund des in einem Kraftfahrzeug nur sehr begrenze zur Verfügung stehenden Bauraums zu bevorzugen.
Im Rahmen der praktischen Erprobung hat sich herausgestellt, dass besonders günstige Eigenschaften bezüglich einer Verwirbelung des das Tauscherrohr 20 durchströmenden Abgases und somit einem besonders intensiven Wärmeübertrag vom Abgas auf die Wandung des Tauscherrohrs erzielt wird, wenn das Tauscherrohr eine Spiralstruktur 26 zumindest auf seiner Innenwandung aufweist. Der Windungsabstand DS der Spiralstruktur 26 beträgt dabei vorteilhaft zwischen 1 und 15 mm, bevorzugt wird ein Bereich zwischen 4 und 8 mm. Der hiermit einhergehende Steigungswinkel wird in 4 mit DW bezeichnet. Die Höhe DT der sich auf der Innenwandung des Tauscherrohrs 20 erhebenden Spiralstruktur 26 beträgt vorteilhaft zwischen 1 und 20% des Außendurchmessers D des jeweiligen Tauscherrohrs 20, bevorzugt wird hier ein Bereich zwischen 4 und 14%.
Ist eine Mehrzahl von Tauscherrohren 20 vorgesehen, so dass sich ein Tauscherrohrbündel ausbildet, so hat es sich herausgestellt, dass der bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Wärmetauschers erzielbare Wirkungsgrad besonders hoch ist, wenn der minimale Abstand d der Außenfläche der Tauscherrohre 20 des Tauscherrohrbündels voneinander im Bereich zwischen 0,5 und 5 mm beträgt, bevorzugt wird hier ein Bereich zwischen 1 und 2 mm, welcher bei einer Verwendung von Wasser als Kühlmittel besonders gute Ergebnisse bezüglich des Wirkungsgrads liefert.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Spiralstruktur 26 im Tauscherrohr 20 nicht nur auf der Innenoberfläche des Tauscherrohrs 20 ausgebildet. Vielmehr wird die Spiralstruktur 26 durch spiraliges Prägen der Außenfläche des Tauscherrohrs 20 erzeugt, wobei die eingeprägte Spiralstruktur 26 von der Innenoberfläche des Tauscherrohrs 20 erhebt.
6 zeigt schematisch den Drehwinkel Alpha, der von dem sich im Tauscherrohr 20 ausbildenden Strömungspfad umschlossen wird. In den bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 beträgt dieser Drehwinkel Alpha 180°, d. h. die Stromrichtung des aus dem Innenraum 42 des Wärmetauschers 1 austretenden Abgasstrom ist um 180° der Stromrichtung des eintretenden Abgasstroms entgegengesetzt. In anderen Konfigurationen kann der Drehwinkel Alpha aber auch kleiner als 180° sein, bevorzugt wird allgemein ein Winkelbereich zwischen 135° und 225°. Die Verwendung von Tauscherrohren 20, die an ihrer Innenoberfläche eine Spiralstruktur 26 ausbilden, hat sich aber bereits bei Drehwinkel Alpha von 45° als Wirkungsgrad erhöht erwiesen.
7 zeigt nochmals schematisch eine Aufsicht auf die Einlässe 22 und die Auslässe 24 mit einer Mehrzahl von Tauscherrohren 20, die als Tauscherrohrbündel im Innenraum 42 eines Wärmetauschergehäuses 40 angeordnet sind. Man erkennt, dass sowohl die Einlässe 22 als auch die Auslässe 24 auf den Gitterpunkten eines orthogonalen Gitters angeordnet sind.
Eine noch effizientere Raumnutzung ergibt sich in der Anordnung der Einlässe 22 bzw. Auslässe 24 gemäß 8. Hier sind die Einlässe 22 bzw. Auslässe 24 auf Gitterpunkten eines hexagonalen Gitters angeordnet, das bedeutet jeder Einlass 22 bzw. jeder Auslass 24 ist von sechs benachbarten Einlässen 22 bzw. Auslässen 24 umgeben. In dieser Konfiguration lässt sich die höchstmögliche Raumerfüllung im Innenraum 42 des Gehäuses 40 durch die Tauscherrohre 20 realisieren.
9 zeigt einen Schnitt durch einen Gehäusedeckel 60 im Bereich einer Bohrung, durch die das einlass- bzw. auslassseitige Ende eines Tauscherrohrs 20 hindurchgeführt ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung, welche besondere Vorteile bei der Herstellung aufweist, weist das Tauscherrohr 20 an seinem einlass- bzw. auslassseitigen Ende eine Auflagestruktur 27 auf, die eine mechanische Abstützung des Rohrendes gegenüber dem Gehäusedeckel 60 ausbildet. Diese Auflagestruktur kann beispielsweise aus einem oder mehreren punktförmigen Vorsprüngen ausgebildet sein, im Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist sie aber als umlaufender Wulst ausgeprägt. Das außenseitige Ende des Tauscherrohrs 20 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 9 umgebördelt, so dass sich insgesamt eine mechanische Abstützung des Tauscherrohrs 20 am Gehäusedeckel 60 aus der Kombination der Auflagestruktur 27 und dem umbördelten Ende ergibt. Dieser sich aufgrund der strukturellen Eigenschaften des Rohrendes des Tauscherrohrs 20 ergibt, stellt eine wesentliche Vereinfachung bei der Fertigung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dar, da die Tauscherrohre 20 im Ge häusedeckel 60 bereits mechanisch vorfixiert sind. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche Fixierung der Tauscherrohre 20 am Gehäusedeckel 60 beispielsweise mittels Laserschweißpunkten während eines nachfolgenden Verlötens oder Verschweißens der Tauscherrohrenden mit dem Gehäusedeckel 60 verzichtet werden. Die in 9 dargestellten Strukturen können auf einfachste Weise in das Tauscherrohrende eingebracht werden, in dem ein Tauscherrohr 20 mit gleichförmigen Innen- und Außendurchmesser durch die entsprechende Bohrung im Gehäusedeckel 60 hindurchgeführt wird. Nachfolgend wird dann unter Anwendung eines geeigneten Werkzeugs der umlaufende Wulst 27 sowie gleichzeitig der umgebördelte Rand erzeugt. Bei dem entsprechenden Werkzeug handelt es sich dabei beispielsweise um ein Rohrexpansionswerkzeug handeln.
10 zeigt das Tauscherrohrbündel eines weiteren erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers 1, dessen Aufbau im Wesentlichen demjenigen des aus 3 ersichtlichen Tauscherrohrbündels entspricht, wobei verschiedene schwingungsdämpfende Maßnahmen ergriffen wurden. So ist am innenliegenden Ende, d. h. im Bereich der U-förmigen Umlenkung der Tauscherrohre 20, ein Gitterblech 70 auf die Tauscherrohre 20 aufgeschoben. Aus 11, welche den montierten Zustand des Tauscherrohrbündels zeigt, ist ersichtlich, dass bis auf die beiden innenliegenden Tauscherrohre 20 sämtliche Tauscherrohre 20 von dem Gitterblech 70 erfasst und damit mechanisch abgestützt werden. Das Gitterblech 70 kann bei der Montage des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 auf die Tauscherrohre 20 aufgeschoben werden. Es kann darüber hinaus noch mittels weiterer Maßnahmen wie beispielsweise Verlöten mit einzelnen oder mehreren Tauscherrohren 20 auf dem Tauscherrohrbündel mechanisch fixiert werden. Das Gitterblech 70 ist dabei als Stanzteil aus einem Metallblech hergestellt, dessen Stärke bevorzugt zwischen 0,5 und 2 mm beträgt. Da es in den meisten Fällen nicht vom hochkorrosiven Abgas, sondern nur vom Kühlmittel umströmt wird, kann es beispielsweise aus Aluminium, bevorzugt aber aus einem nichtrostenden Stahlblech bestehen.
Wie aus 10 weiterhin ersichtlich ist, ist zwischen die beiden Schenkel der zu innerst liegenden Tauscherrohre 20, die sich darüber hinaus im Bereich der U-förmigen Umlenkung überkreuzen, ein Leitblech 36 eingefügt, welches mechanisch fest mit dem Gehäusedeckel 60 verbunden ist, beispielsweise mittels Verlöten oder Punktschweißen. An seinem vom Gehäusedeckel 60 abgewandten Ende weist das Leitblech 36 eine U-förmige Falzung auf, deren Öffnungsweite im Wesentlichen der Öffnungsweite der U-Schenkel der zu innerst liegenden U-förmigen Tauscherrohre 20 entspricht, bevorzugt etwas größer dimensioniert ist. Der Falz weist eine gewisse Federwirkung auf, so dass das Leitblech 36 zwischen die Schenkel der Tauscherrohre 20 eingeschoben werden kann und sich eine mechanische Abstützung der zu innerst liegenden Tauscherrohre 20 an dem Falz des Leitblechs 36 ausbildet. Neben dieser kraftschlüssigen mechanischen Verbindung zwischen Leitblech 36 und den zu innerst liegenden Tauscherrohren 20 kann darüber hinaus noch eine stoffschlüssige Verbindung beispielsweise mittels Verlöten hergestellt werden.
12 zeigt nun das Tauscherrohrbündel eines weiteren erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers in einer Explosionsdarstellung, wobei dieses Tauscherrohrbündel in seinem Aufbau im Wesentlichen dem aus der 10 ersichtlichen Tauscherrohrbündel entspricht. Es wird daher im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen. So ist das Gitterblech 70 in diesem Ausführungsbeispiel verkleinert, so dass es nicht mehr die beiden außenliegenden Tauscherrohrlagen übergreift, wie dies insbesondere aus 13 ersichtlich ist. Weiterhin ist aus 13 ersichtlich, dass die Formgebung des Gitterblechs 70 so gewählt wurde, dass es der Innenkontur der zweitäußersten Tauscherrohrlage 20 folgt, wodurch sich ein Klemmsitz des Gitterblechs 70 ergibt.
Um Vibrationen der beiden außenliegenden Tauscherrohrlagen zu verhindern, ist zwischen diese beiden Tauscherrohrlagen im Bereich der U-förmigen Umlenkung ein separates Versteifungselement 34 bestehend aus einem vielfach gewinkelten Blechstreifen eingefügt, welches im einfachsten Fall während der Montage zwischen die beiden Tauscherrohrlagen eingelegt wird. In einer verbesserten Ausgestaltung ist das Versteifungselement darüber hinaus mit den beiden Tauscherrohrlagen mechanisch verbunden, beispielsweise mittels Verlöten.
Weiterhin ist das Leitblech 36 gegenüber der Ausgestaltung nach 10 verändert, wie beispielsweise aus den 12 und 13 ersichtlich ist. So bildet das Leitblech 36 drei Abstandselemente 37 aus, die beispielsweise mittels Prägung des Leitblechs 36 ausgebildet wurden und die sich von gegenüberliegenden Oberflächen des Leitblechs 36 erheben, wie aus 13 deutlich wird. Aus 13 ist ebenfalls ersichtlich, dass die Abstandselemente 37 so dimensioniert sind, dass das Leitblech 36 beim Einschieben zwischen die beiden zu innerst liegenden Tauscherrohrlagen dort mit den Abstandselementen 37 zur Anlage gelangt. Auch hier kann zusätzlich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Abstandselementen 37 des Leitblechs 36 und den zu innerst liegenden Tauscherrohrlagen vorgesehen werden, beispielsweise mittels Verlöten.
14 zeigt das Tauscherrohrbündel eines weiteren erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers 1, dessen Aufbau wiederum im Wesentlichen dem aus 3 ersichtlichen entspricht. Gegenüber 3 unterscheidet sich das Tauscherrohrbündel gemäß 14 einerseits durch das in die innerste Tauscherrohrlage eingefügte Leitblech 36, wobei hier die innerste Lage nicht aus sich wechselseitig überkreuzenden Tauscherrohren 20 besteht. Hier ergibt sich eine mechanische Abstützung der innersten Tauscherrohrlage 20 am Leitblech 36, welches mechanisch fest mit dem Gehäusedeckel 60 verbunden ist, über das innenliegende Ende des Leitblechs 36, welches kreisabschnittsförmig abgewinkelt ist. Hierdurch bildet sich ein federndes Ende des Leitblechs 36 aus, welches in mechanischen Kontakt mit den U-förmigen Umlenkbereichen der innersten Tauscherrohrlage gelangt.
Weiterhin ist zwischen die einzelnen Tauscherrohrlagen im U-förmigen Umlenkbereich jeweils ein separates Federelement 72 eingefügt, welches aus 15 nochmals im Detail ersichtlich ist. Dieses Federelement 72 besteht aus einem federnden Blech, beispielsweise aus einem nichtrostenden Stahl, wobei ein Schlitz 74 vorgesehen ist, um eine Federwirkung zu erzielen. Die Formgebung des Federelements 72 folgt stark der Lagenstruktur der Tauscherrohre 20, so dass in dem aus 16 ersichtlichen gebrauchsfertigen Tauscherrohrbündel die Federelemente 72 den Abstand der benachbarten Tauscherrohre 20 sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung bestimmen. Dabei kann sich ein einfacher Formschluss zwischen den Tauscherrohren 20 und den Federelementen 72 ergeben, darüber hinaus können aber auch die Federelemente 72 stoffschlüssig mit den angrenzenden Tauscherrohrlagen 20 beispielsweise mittels Verlöten verbunden sein. Aufgrund seiner geometrischen Struktur weist das Federelement 72 eine Federwirkung nicht nur quer zu seiner Längsachse auf. Vielmehr weist es auch eine gewisse Federwirkung in Richtung seiner Längsachse auf. Bei entsprechender Dimensionierung der Federelemente 72 können diese zusätzlich mit ihren außenliegenden Köpfen zur Anlage an die Innenfläche des Mantelteils 50 des Abgaswärmetauschers 1 gelangen und auf diese Weise eine weitere mechanische Abstützung des gesamten Tauscherrohrbündels am Mantelteil 50 bereitstellen.
17 zeigt schließlich nochmals eine Aufsicht auf das Tauscherrohrbündel aus 16, wobei aus dieser Darstellung die regelmäßige Anordnung des im Federelement 72 vorgesehenen Schlitzes 74 deutlich sichtbar wird.
18 zeigt schließlich das Tauscherrohrbündel eines letzten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers 1, wiederum in einer Explosionsdarstellung. Auch hier entspricht der Aufbau des Tauscherrohrbündels im Wesentlichen demjenigen, der aus 3 ersichtlich ist, so dass wiederum nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Auch hier ist – wie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen – zwischen die Schenkel der innersten Tauscherrohrlage ein Leitblech 36 eingebracht, welches stoffschlüssig mit dem Gehäusedeckel 60 verbunden ist (in 20 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Weiterhin ist zwischen die einzelnen Lagen der Tauscherrohre 20 eine Vielzahl von Versteifungselementen 34 eingebracht, die jeweils aus einem vielfach abgewinkelten Blechstreifen bestehen und im Wesentlichen der Anordnung der Tauscherrohre 20 im Innenraum 42 des Wärmetauschers 1 folgen. Über die Versteifungselemente 34 stützen sich sowohl jeweils in horizontaler als auch in vertikaler Richtung benachbart angeordnete Tauscherrohre 20 aneinander ab. Dabei können die Versteifungselemente 34 durch einen Formschluss mit den Tauscherrohren 20 in ihrer Position fixiert sein. Sie können darüber hinaus aber auch noch stoffschlüssig mit den Tauscherrohren 20 verbunden sein, beispielsweise mittels Verlöten. Weiterhin bilden die Versteifungselemente 34 an ihren beiden Enden federnde Zungen aus, über die sich die Versteifungselemente 34 und die mit ihnen verbundenen Tauscherrohre 20 mechanisch an der Innenwand des Mantelteils 50 des Wärmetauschers 1 abstützen. Aus 19 wird ersichtlich, auf welche Weise die Versteifungselemente 34 im Rahmen der Montage des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 zwischen die einzelnen Lagen der Tauscherrohre 20 eingebracht werden können. Aufgrund der Formgebung der Versteifungselemente 34 ergibt sich ein Halt der Versteifungselemente 34 auf den Tauscherrohren 20 aufgrund von Formschluss.
Wie bereits erwähnt kann die mechanische Verbindung noch verbessert werden, wenn die Versteifungselemente 34 mit den Tauscherrohren 20 verlötet werden. Hierzu können die Versteifungselemente 34 ein- oder beidseitig mit Lötmaterial beschichtet sein. Nachdem die gesamte aus 19 ersichtliche Anordnung mechanisch zusammengefügt wurde, kann sie dann durch einen Lötofen geschickt werden, wodurch sich eine Verlötung der Versteifungselemente 34 mit den Tauscherrohren 20 ergibt. Diese Art der Verlötung ist insbesondere auch dazu geeignet, an anderer Stelle verwendet zu werden, wo vorstehend von einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einzelnen Komponenten des Abgaswärmetauschers die Rede war.
20 zeigt nochmals das Tauscherrohrbündel aus 19 im betriebsfertigen Zustand, wobei hier die Anordnung der Versteifungselemente 34 zwischen den Lagen der Tauscherrohre 20 deutlich sichtbar wird.
Aus 21 schließlich ist ein Schnitt durch die außenliegende Tauscherrohrlage in 19 entlang der Ebene C-C dargestellt. Hier kann beispielsweise zusätzlich zu den aus 19 ersichtlichen, vielfach abgewinkelten Versteifungselementen 34 ein weiteres Versteifungselement 34 auf die außenliegende Tauscherrohrlage 50 aufgebracht sein, beispielsweise aufgelötet. Wie aus 21 ersichtlich ist, folgt die Formgebung des Versteifungselements 34 im Wesentlichen der Anordnung der übereinander liegenden Tauscherrohre 20. In dem aus 21 ersichtlichen weiterentwickelten Ausführungsbeispiel bildet das Versteifungselement 34 zusätzlich zwischen den einzelnen Tauscherrohren 20 angeordnete Abstandselemente 37 aus. Diese können in einer weiter verbesserten Ausgestaltung an ihren Enden zusätzliche Federelemente 35 ausbilden, die insbesondere während der Montage des Tauscherrohrbündels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 für einen vorteilhaften Klemmsitz der Versteifungselemente 34 auf den Tauscherrohren 20 sorgen.
Aus den 22a, b und c sind schließlich Blechstreifen (Stanzteile) ersichtlich, aus denen die in 21 dargestellten Versteifungselemente 34 gefertigt werden können. 22a zeigt einen einfachen Blechstreifen, der so verformt wird, dass er in seiner Formgebung im Wesentlichen der übereinander liegenden Anordnung der Tauscherrohre 20 entspricht. Zusätzliche Abstandselemente 37, wie sie aus 21 ersichtlich sind, sind hier nicht vorgesehen. Die aus den 22b und c ersichtlichen Versteifungselemente 34 hingegen weisen solche Abstandselemente 37 auf, wobei die Abstandselemente 37 bei der Herstellung des Versteifungselements 34 um 90° abgewinkelt werden. Das Versteifungsele ment 34 gemäß 22c schließlich weist zusätzlich zu den Abstandselementen 37 an dessen Enden angeordnete zusätzliche Federelemente 35 auf, die bei der Herstellung der Versteifungselemente 34 nochmals um 90° gegen die Ebene der Abstandselemente 37 abgewinkelt werden. Auch hier können die zur Herstellung der Versteifungselemente 34 verwendeten Blechstreifen aufgrund ihrer Anordnung im Kühlwasser beispielsweise aus Aluminium ausgebildet sein, bevorzugt aber aus einem federnden nichtrostenden Stahl.

1: Wärmetauscher
20: Tauschrohr
22: Einlass
23: Gitterstruktur
24: Auslass
26: Spiralstruktur
27: Auflagestruktur
30: Bandage
32: Abstützung
34: Versteifungselement
35: Federelement
36: Leitblech
37: Abstandselement
40: Gehäuse
42: Innenraum
50: Mantelteil
51: Befestigungspunkt
52: Dichtung
53: Gewindebohrung
54: Schraube
55: Gewindebohrung
56: Einlasskanal
57: Steg
58: Auslasskanal
59: Flansch
60: Gehäusedeckel
63: Durchgangsbohrung
65: Durchgangsbohrung
66: Durchführungspunkt Einlass
68: Durchführungspunkt Auslass
S: Montageschnittstelle
70: Gitterblech
72: Federelement
74: Schlitz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004019554 A1 [0003]
- DE 102005055482 A1 [0004]
- DE 102006009948 A1 [0005]
- DE 102006049106 A1 [0005]
- DE 10011954 A1 [0006]

Claims

Wärmetauscher (1) für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Bündel separat ausgebildeter, strömungstechnisch parallel geschalteter abgasführender Tauscherrohre (20), die in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse (40) angeordnet sind, welches von einem Kühlmittel durchströmt wird, das die Tauscherrohre (20) außenseitig umströmt, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisches Mittel vorgesehen ist, über das sich Tauscherrohre (20) aneinander abstützen.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel separat vom Gehäuse (40) des Wärmetauschers ausgebildet ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel in einem Bereich des Gehäuses (40) angeordnet ist, in dem bei Fehlen des mechanischen Mittels im Betrieb des Kraftfahrzeugs hohe Schwingungsamplituden der abgasführenden Tauscherrohre (20) auftreten würden.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel als Bandage (30) für das Bündel von Wärmetauscherrohren (20) ausgebildet ist, die a. außenseitig am Bündel angeordnet ist und b. eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren (20) mechanisch fest miteinander verbindet.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandage (30) eine mechanische Abstützung (32) für die mechanisch fest miteinander verbundenen Wärmetauscherrohre (20) gegenüber dem Gehäuse (40) ausbildet.
Wärmetauscher (9) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (32) federnd ausgebildet ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandage (30) das Bündel zumindest teilweise umgreift.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versteifungselement (34) vorgesehen ist, das a. innerhalb des Bündels angeordnet ist und b. eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren (20) mechanisch fest miteinander verbindet.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (40) innerhalb des Rohrbündels ein Leitblech (36) für die Strömungsführung des Kühlmittels im Gehäuse (40) angeordnet ist, welches mit einer Mehrzahl von Tauscherrohren (20) mechanisch fest verbunden ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (36) mechanisch fest mit dem Gehäuse (40) verbunden ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe (22) und die Auslässe (24) der Tauscherrohre wie folgt angeordnet sind: a. außerhalb des Gehäuses (40), und b. so relativ zueinander, dass sich zwischen Einlass (22) und Auslass (24) jedes Tauscherrohrs (20) jeweils ein gewundener Strömungspfad erstreckt, der einen Drehwinkel α von zumindest 135° einschließt, bevorzugt von 180°.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungspfade der verschiedenen Tauscherrohre (20) zwischen dem Einlass (22) und Auslass (24) des jeweiligen Tauscherrohrs (20) keine Berührung miteinander haben.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20) zwischen den Punkten (66, 68), an denen sie durch die Wandung des Gehäuses (40) hindurchgeführt sind, einstückig ausgebildet sind.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20) zwischen den Punkten (66, 68), an denen sie durch die Wandung des Gehäuses (40) hindurchgeführt sind, im Wesentlichen U-förmig oder halbkreisförmig gebogen sind.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20) an den Punkten (66, 68), an denen sie durch die Wandung des Gehäuses (40) hindurchgeführt sind, mechanisch fest mit diesem verbunden sind.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20) aus einem korrosionsbeständigen und hitzefesten Werkstoff wie Edelstahl oder Aluminium bestehen.