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Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Außengehäuse, einem Innengehäuse, welches im Außengehäuse angeordnet und vom Kühlmittel umströmt sowie von einem zu kühlenden Medium durchströmbar ist und welches mit einem Flansch gegen das Außengehäuse anliegt, einem Mischgehäuse, welches fest mit dem Außengehäuse verbunden ist und fluidisch mit dem Innengehäuse verbunden ist und einer Dichtung, welche zwischen Innengehäuse und Außengehäuse angeordnet ist.
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Derartige Wärmeübertragungsvorrichtungen werden beispielsweise als Kühler in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Sie dienen zur Kühlung von Abgasen zur Verbesserung des Verbrennungsprozesses oder zur Kühlung der Ladeluft. Es ist bekannt, Wärmetauscher aus mehreren ineinander angeordneten Druckgussschalen herzustellen, wobei bei der Montage üblicherweise das Innengehäuse von einer offenen Seite in das Außengehäuse geschoben wird. Bekannt ist es zunächst, das Innengehäuse mit dem Außengehäuse zu verschweißen, um einen dichten Wassermantel zu verwirklichen. Anschließend wird aus Temperaturgründen ein vorgelagertes Mischgehäuse mit dem Außengehäuse verschweißt. Diese Schweißnaht ist jedoch aufgrund der einseitigen Einspannung stark belastet, so dass ein Reißen nicht auszuschließen ist.
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Es wurde daher versucht, eine Abdichtung des Wassermantels an der heißen Seite des Abgases über Dichtungen zu verwirklichen. So wird in der
DE 10 2006 051 000 A1 vorgeschlagen, das Außengehäuse mit einer über den Umfang verlaufenden, sich in axialer Richtung erstreckenden Nut auszubilden, gegen die ein Flansch des Innengehäuses anliegt, wobei in der Nut eine Dichtung angeordnet ist, die mit dem Kühlmittelmantel in Kontakt ist.
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Bei dieser bekannten Ausbildung einer Abdichtung besteht jedoch weiter das Problem der zu hohen thermischen Belastung der Dichtung, da im Anschlussbereich des heißen Mischgehäuses ein direkter Kontakt zwischen dem Flansch des Innengehäuses und dem Mischgehäuse besteht und der Flansch gleichzeitig direkt gegen die Dichtung anliegt. Daraus folgt jedoch ein nicht unterbrochener Wärmefluss vom Mischgehäuse über den Flansch zur Dichtung, ohne dass zuvor Wärme abgeführt würde. Insbesondere bei Aluminiumdruckgusskühlern mit hoher Wärmeleitfähigkeit führt die beschrieben Anordnung zum Verlust der Dichtfähigkeit der Dichtung.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere für einen Druckgusskühler, bereitzustellen, mit der die Bauteilefestigkeit im Vergleich zum Stand der Technik erhöht wird und gleichzeitig eine zuverlässige und dauerhaltbare Abdichtung des Kühlmittelmantels erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass der Flansch am zum Mischgehäuse weisenden Ende des Innengehäuses angeordnet ist und eine radiale Umfangsnut aufweist, welche zwischen Dichtung und Mischgehäuse angeordnet ist, entsteht eine thermische Trennung. Die Umfangsnut wirkt dabei als Luftspaltisolator. Unter radialer Umfangsnut wird dabei eine Nut verstanden, die am Bauteil durch die Nut eine Einschnürung des Umfangs in radialer Richtung aufweist, während im Folgenden unter axialer Umfangsnut eine sich über den Umfang erstreckende Nut verstanden wird, die eine axiale Vertiefung aufweist. Der Wärmeübergang zum Außengehäuse wird durch die Nut ebenso behindert wie der Wärmefluss innerhalb des Flansches und somit zur Dichtung. Ein derartiger Wärmefluss zur hinteren Seite des Flansches, der eine Berührungsfläche mit der Dichtung aufweist, kann somit lediglich über die Gehäusewände des Innengehäuses erfolgen, die jedoch durch das Kühlmittel in diesem Bereich direkt gekühlt sind.
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Vorzugsweise ist am Außengehäuse eine umlaufende Einschnürung ausgebildet, die einer Rückseite des Flansches gegenüberliegt und als Anschlag dient. Hierdurch wird auf einfache Weise die Lage des Innengehäuses im Außengehäuse festgelegt. Des Weiteren ist bei einer derartigen Ausführung eine Verbindung des Mischgehäuses mit dem Außengehäuse ausreichend, so dass ein Arbeitsschritt zur Befestigung des Außengehäuses am Innengehäuse im Vergleich zum Stand der Technik entfällt.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Dichtung zwischen der Rückseite des Flansches und dem Anschlag angeordnet, so dass durch die Befestigung des Mischgehäuses am Außengehäuse auch die Abdichtung des Kühlmittelmantels verwirklicht wird, da beim Verbinden des Mischgehäuses mit dem Außengehäuse das Innengehäuse gegen die Dichtung und diese gegen den Anschlag gedrückt wird. Bei einer derartigen Ausführung bleibt der Aufbau der Wärmeübertragungsvorrichtung sehr einfach und kostengünstig herstellbar.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Dichtung in einem Kühlmittelmantel zwischen Innengehäuse und Außengehäuse anzuordnen. Durch den direkten Kontakt der Dichtung mit dem Kühlmittel wird die thermische Belastung der Dichtung deutlich gesenkt.
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Ein zusätzlicher Vorteil kann erlangt werden, indem die Rückseite des Flansches von Kühlmittel umströmt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Rückseite des Flansches, gegen die die Dichtung anliegt, keine zu hohen Temperaturen aufweist, da sie direkt gekühlt wird. Ein Wärmefluss, der vom Mischgehäuse über den Flansch zur Dichtung übertragen werden könnte, wird somit weitestgehend verhindert.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Innengehäuse eine zweite radiale Umfangsnut auf, die an der zum Mischgehäuse abgewandten Seite der Einschnürung angeordnet ist, wobei die Dichtung in der zweiten Nut angeordnet ist. Die thermische Trennung ist somit weiter vorhanden, wobei jedoch die Dichtung weiter in einen thermisch geringer belasteten Teil der Wärmeübertragungsvorrichtung verschoben wird.
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Um bei einer derartigen Ausführung die Dichtwirkung zu erhöhen, ist axial neben der zweiten Umfangsnut eine dritte, radiale Umfangsnut am Innengehäuse ausgebildet, in der eine zweite Dichtung angeordnet ist. Dies kann erforderlich sein, da die radialen Anpresskräfte niedriger sind als bei einer axialen Einspannung der Dichtung.
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Vorzugsweise ist am Außengehäuse eine axiale Umfangsnut im Bereich der Einschnürung ausgebildet. Dies kann die Anordnung einer Dichtung im Bereich der Einschnürung vereinfachen oder eine zusätzliche thermische Trennung zwischen den radial innenliegenden Dichtungen und dem am Mischgehäuse befestigten radial außenliegenden Außengehäuse bewirken.
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Es wird somit eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit höherer Festigkeit bei guter Abdichtung des Kühlmittelmantels geschaffen. Der Zusammenbau ist einfach gestaltet und kostengünstig durchführbar. Die Abdichtung weist eine hohe Lebensdauer durch gute thermische Entkopplung der Dichtung von heißen Teilen auf.
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Zwei Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung mit geschnittenem Außengehäuse.
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2 zeigt einen Ausschnitt A der 1 in vergrößerter Darstellung.
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3 zeigt einen zu 2 entsprechenden Ausschnitt einer alternativen Ausführung einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung.
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Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung weist ein Innengehäuse 2 auf, welches mit Ausnahme einer freien Seite von einem Außengehäuse 4 umgeben ist, wobei die freie Seite durch ein Mischgehäuse 6 abgedeckt wird, welches am Außengehäuse 4 befestigt ist.
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Das Außengehäuse 4 weist einen Kühlmitteleinlassstutzen 8 sowie einen nicht dargestellten Kühlmittelauslassstutzen auf, über die Kühlmittel in einen zwischen dem Innengehäuse 2 und dem Außengehäuse 4 entstehenden Kühlmittelmantel 10 ein- und wieder ausströmen kann. Damit ein solcher Kühlmittelmantel 10 entsteht, ist der Außenumfang des Innengehäuses 2 mit Ausnahme von am Außenumfang angeordneten Stegen 11 zur Kühlmittelführung kleiner als der Innenumfang des Außengehäuses 4. Zusätzlich ist am Außengehäuse 4 ein Austrittsstutzen 12 für ein zu kühlendes Medium, welches durch das Innengehäuse 2 strömt, ausgebildet, der sich in Strömungsrichtung des zu kühlenden Mediums verengt, bis der Austrittsstutzen 12 einen Durchmesser aufweist, der einem üblichen Rohrdurchmesser zur Anbindung einer weiterführenden Leitung entspricht. Das Außengehäuse 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einstückig ausgebildet, so dass das Innengehäuse 2 nur von der offenen Seite 14, an der das Mischgehäuse 6 befestigt ist, in das Außengehäuse 4 eingeschoben werden kann.
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Um dennoch einen dichten Kühlmittelmantel 10 zur Verfügung stellen zu können, weist das Innengehäuse 2 an seinem zum Austrittsstutzen 12 des Außengehäuses 4 weisenden Ende einen erweiterten Abschnitt 16 auf, dessen Außenumfang im Wesentlichen dem Innenumfang des Außengehäuses 4 entspricht und in dem zwei radiale Umfangsnuten 18 ausgebildet sind, in denen jeweils ein Dichtring 20 angeordnet ist. Da diese Dichtringe 20 an der kühleren Seite der Wärmeübertragungsvorrichtung angeordnet sind, treten hier im Normalbetreib keine thermischen Überlastungen der Dichtringe 20 auf.
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Im Ausschnitt der 2 ist zu erkennen, wie die Abdichtung des Kühlmittelmantels 10 an der warmen Seite der Wärmeübertragungsvorrichtung erfindungsgemäß durchgeführt wird.
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Das Innengehäuse weist an diesem zum Mischgehäuse 6 weisenden Ende einen Flansch 22 auf, an dessen Außenumfang eine radiale Umfangsnut 24 ausgebildet ist. Unter radialer Umfangsnut wird im Sinne dieser Anmeldung eine über einen Umfang verlaufende Nut verstanden, deren Nuttiefe in radialer Richtung verläuft. Durch die Nut 24 wird der Flansch 22 an seinem Umfang in eine zum Mischgehäuse 6 weisende, vordere Platte 26 und eine vom Mischgehäuse 6 weiter entfernte hintere Platte 28 geteilt. Während eine Vorderseite 30 der Platte 26 gegen das Mischgehäuse 6 anliegt, liegt eine Rückseite 32 des Flansches 22 beziehungsweise der Platte 28 gegen eine Dichtung 34 an, welche wiederum mit ihrer entgegengesetzten Seite gegen einen Anschlag 36 anliegt, der durch eine Einschnürung 38 am inneren Umfang des Außengehäuses 4 gebildet wird.
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Beim Zusammenbau der Wärmeübertragungsvorrichtung wird das Mischgehäuse 6 am Außengehäuse befestigt, wobei der Flansch 22 des Innengehäuses 2 gegen den Anschlag 36 gedrückt wird. Somit kann ein zu kühlendes Medium, beispielsweise Abgas, über das Mischgehäuse 6 in einen im Innengehäuse ausgebildeten Kanal einströmen und weiter über den Austrittsstutzen 12 des Außengehäuses 4 wieder ausströmen.
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Die Dichtung 34 ist im Kühlmittelmantel 10 angeordnet und wird somit direkt durch das Kühlmittel gekühlt. Des Weiteren wirkt die Umfangsnut 24 als Luftspalt zwischen Dichtung 34 und Mischgehäuse 6 und somit zur Isolation gegen das heiße Mischgehäuse 6. Es ist ersichtlich, dass ein Kontakt zum heißen Mischgehäuse 6 lediglich im Bereich der vorderen Platte 26 vorhanden ist, während die hintere Platte 28 an ihrem Außenumfang an ihrer einen Seite lediglich Kontakt zur Luft und an ihrer Rückseite 32 lediglich Kontakt zur Dichtung 34 beziehungsweise zum Kühlmittel hat. Somit wird die hintere Platte in ihrem außenliegenden Bereich stetig gekühlt, wodurch die thermische Belastung der Dichtung 34 zusätzlich reduziert wird.
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In der in 3 dargestellten alternativen Ausführung weist das Innengehäuse 2 neben der ersten umlaufenden Nut 24 zwei weitere radiale Umfangsnuten 40, 42 auf, die an der zum Mischgehäuse 6 entgegengesetzten Seite des Flansches 22 und vom Mischgehäuse 6 aus betrachtet hinter der Einschnürung des Außengehäuses 4 ausgebildet sind. In diesen Nuten 40, 42 sind zwei Dichtungen 44, 46 angeordnet, deren Außenumfänge gegen die Innenwand des Außengehäuses 4 anliegen. In diesem Bereich ist der Außendurchmesser des Innengehäuses 2 lediglich unwesentlich kleiner als der Innendurchmesser des Außengehäuses 4, so dass hier im Wesentlichen kein Kühlmittel fließt. Wiederum vom Mischgehäuse 6 aus betrachtet weist das Innengehäuse 2 möglichst nah hinter den Nuten 40, 42 einen Absatz 48 in Form einer Einschnürung auf. Hinter diesem Absatz 48 beginnt somit der Kühlmittelmantel 10.
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Zusätzlich ist in dieser Ausführung eine axiale Umfangsnut 50 an der Einschnürung 38 am Außengehäuse 4 ausgebildet. Die Abdichtung erfolgt somit im Vergleich zur zuvor beschriebenen Ausführung statt in axialer Richtung in radialer Richtung.
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Wärme vom Mischgehäuse 6 geht auch hier vom Mischgehäuse 6 auf die erste Platte 26 über, ein weiterer Übergang wird jedoch wiederum durch die Nut 24 in bekannter Weise behindert. Des Weiteren wird in dieser Ausführung ein Wärmeübergang vom Mischgehäuse 6 über das Außengehäuse 4 zu den Dichtungen 44, 46 erschwert, da ein zusätzlicher isolierender Luftspalt durch die axiale Nut 50 gebildet wird. Da die Dichtungen 44, 46 möglichst nah am Kühlmittelmantel 10 angeordnet sind, besteht auch hier eine gute Kühlwirkung, so dass eine thermische Überlastung der Dichtungen 44, 46 verhindert wird.
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Es ist zu erwarten, dass durch die beschriebenen Ausführungen eine dauerhaltbare Abdichtung eines Kühlmittelmantels ohne stoffschlüssige Verbindung und eine hohe Dauerhaltbarkeit der gesamten Wärmeübertragungsvorrichtung erreicht werden. Die thermische Belastung der hierzu notwendigen Dichtungen wird im Vergleich zu bekannten Ausführungen erheblich reduziert. Gleichzeitig ist eine kostengünstige Montage möglich.
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Selbstverständlich sind innerhalb des Schutzbereichs der Hauptansprüche konstruktive Änderungen denkbar. Insbesondere die Reihenfolge des beschriebenen Zusammenbaus ist flexibel. Auch die konstruktive Ausgestaltung des Wärmetauschers ist veränderbar. So kann diese Form der erfindungsgemäßen Abdichtung und thermischen Trennung beispielsweise auch für einen U-förmig durchströmten Kühler verwendet werden. Die Verbindung zwischen dem Mischgehäuse und dem Außengehäuse lässt sich ebenfalls auf unterschiedliche Weise herstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006051000 A1 [0003]
