DE102010027338B4

DE102010027338B4 - Wärmeaustauscher in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010027338B4
Application number: DE102010027338A
Authority: DE
Inventors: Sven Przybylski; Dr. Andres Thorten
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: DE102010027338A1; US20120180990A1

Abstract

Wärmeaustauscher (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) in einem Kraftfahrzeug, der mindestens zwei sich nebeneinander erstreckende, von einem heißen Gas (HG) durchströmte und von einem Kühlfluid (KF) umströmte Wärmeaustauscherrohre (2) aufweist, wobei unter Bildung eines im Querschnitt mehreckigen Rohrbündels (RB, RB1) zwei einander mit Abstand (A) benachbarte Rohrwände (3, 4) der Wärmeaustauscherrohre (2) parallel nebeneinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (2) einen gleichseitigen dreieckigen Querschnitt besitzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher in einem Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Wärmeaustauscher zählt durch die DE 1 051 817 A zum Stand der Technik. Seine Wärmeaustauscherrohre besitzen einen sechseckigen Querschnitt. Bei einer Bündelung derartiger Wärmeaustauscherrohre ist jedoch festzustellen, dass zwischen den Wärmeaustauscherrohren ein vergleichsweise großes Volumen vorhanden ist, das wärmetechnisch nicht optimal genutzt werden kann.
Ein weiterer Wärmeaustauscher ist durch die DE 31 22 947 A1 bekannt. Bei diesem liegen die Wärmeaustauscherrohre eng aneinander. Eine Lötschicht stellt den unmittelbaren Kontakt benachbarter Wärmeaustauscherrohre her. Zwischen den Wärmeaustauscherrohren ist mithin kein Raum für ein strömendes Kühlfluid vorhanden. Ferner ist Vorsorge dafür getroffen, dass in einem Teil der Wärmeaustauscherrohre ein heißes Gas und in dem anderen Teil ein Kühlmittel strömt. Des Weiteren weisen die Wärmeaustauscherrohre einen ungleichseitigen dreieckigen Querschnitt mit einer längeren Hypotenuse und zwei kürzeren Katheten auf, die im rechten Winkel einander zugeordnet sind.
Im Umfang der DE 10 2008 028 244 B3 zählt ein Abgaswärmetauscher zum Stand der Technik, der eine rohrförmige Kühlkassette aus Stahlblech besitzt, die aus einer gestanzten, zu einem mehrkantigen Rohr umgeformten und längsnahtgeschweißten Platine gebildet ist, wobei einander gegenüberliegende Seitenwände der Kühlkassette mit Sicken versehen sind.
Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zugrunde, einen Kraftfahrzeug-Wärmeaustauscher zu schaffen, der bezüglich der Oberflächen der Wärmeaustauscherrohre eine maximale Größe aufweist und bei welchem ein deutlich verringerter Platzbedarf für die Wärmeaustauscherrohre benötigt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 12.
Danach besitzen die vorzugsweise aus Stahl bestehenden Wärmeaustauscherrohre nunmehr einen gleichseitigen dreieckigen Querschnitt. Ein solcher Querschnitt weist gegenüber einem Wärmeaustauscherrohr mit einem kreisförmigen Querschnitt bei gleicher innerer Querschnittsfläche eine um das etwa 1,3-fache größere Oberfläche auf. Mithin steht eine vergleichsweise große Wärmeaustauschfläche zwischen dem in den Wärmeaustauscherrohren strömenden heißen Gas und dem die Wärmeaustauscherrohre umströmenden Kühlfluid zur Verfügung.
Die Erfindung erlaubt es mithin, bei einem um etwa ein Drittel reduzierten Flächenbedarf im Vergleich zu Rundrohren die Kühlfläche um etwa ein Drittel zu erhöhen. Hierbei können die Abstände der dreieckigen Wärmeaustauscherrohre im Rohrbündel so variiert werden, dass die Kühlwirkung entsprechend der Durchflussrichtung des Kühlfluids, insbesondere Kühlwasser, bestmöglich genutzt wird.
Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Wärmeaustauscherrohre – mindestens zwei Wärmeaustauscherrohre – jetzt so einander zugeordnet werden können, dass ein im Querschnitt rautenförmiges Rohrbündel gebildet wird, wobei zwei einander mit Abstand benachbarte Rohrwände der Wärmeaustauscherrohre parallel nebeneinander verlaufen.
Bei einer solchen Verschachtelung von Wärmeaustauscherrohren wird hinsichtlich ihrer Oberflächen einerseits und des in den Wärmeaustauscherrohren eingeschlossenen Volumens andererseits ein optimales Verhältnis erreicht. Dies macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn zwei, vier, sechs, acht oder mehr Wärmeaustauscherrohre mit einem gleichseitigen dreieckigen Querschnitt zu einem rautenförmigen Rohrbündel zusammengefasst werden.
Das Kühlfluid kann quer zu den Wärmeaustauscherrohren strömen. Es kann aber auch in Längsrichtung der Wärmeaustauscherrohre fließen, und zwar sowohl im Gleich- als auch im Gegenstrom.
Im Hinblick auf die optimale Nutzung des für das Kühlfluid zur Verfügung stehenden Raums umfangsseitig der Wärmeaustauscherrohre können diese von einer im Querschnitt rautenförmigen Kassette mit Abstand ummantelt sein. Die Kassette besteht dann ebenfalls bevorzugt aus Stahl.
Sinnvoll kann es ferner sein, dass sich seitlich neben den geneigten Wänden der Kassette Bypass-Rohre erstrecken. Diese können, wie die Wärmeaustauscherrohre, einen gleichseitigen dreieckigen Querschnitt aufweisen. Sie können aber auch als Rundrohre ausgebildet sein.
Das Rohrbündel und die Bypass-Rohre können von einem im Querschnitt rechteckigen Gehäuse ummantelt sein. Dieses ist insbesondere aus Stahlblech gebildet.
Die Wärmeaustauscherrohre können aber auch in einer hexagonalen Konfiguration einander zugeordnet sein. In Abwandlung einer rautenförmigen Kassette können dann die Wärmeaustauscherrohre bei entsprechender Relativzuordnung von einer im Querschnitt hexagonalen Kassette ummantelt sein.
Zur Optimierung der Wärmeübertragung können die Wärmeaustauscherrohre mit Prägungen oder Riefen versehen sein. Die Prägungen können runde, halbrunde, rautenförmige, dreieckige oder ovale Konturen aufweisen. Die Riefen können sich in Längsrichtung der Wärmeaustauscherrohre oder auch wendelförmig erstrecken.
Eine Optimierung der Wärmeübertragung kann aber auch mittels in die Wärmeaustauscherrohre eingeschobener Turbulenzerzeuger erzielt werden.
Eine Kopplung der Wärmeaustauscherrohre kann mittels Bodenblechen, insbesondere in Form von Rohrbodenblechen, bewirkt werden.
Die Bodenbleche können bei Bedarf als Wasserleitbleche ausgeführt sein.
Besonders vorteilhaft ist es im Sinne der Erfindung, dass der Wärmeaustauscher Bestandteil eines Abgasrückführungssystems für eine Brennkraftmaschine bildet, bei welchem. die Wärmeaustauscherrohre vom heißen Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt und von Kühlwasser umströmt sind.
Es ist bekannt, dass im speziellen Segment eines Abgasrückführungssystems ein Teil des Abgases dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine wieder gekühlt zugeführt wird.
Das Rückführen von gekühltem Abgas führt zu einem erhöhten Inertgasanteil im Luftgemisch. Aufgrund der geringeren Sauerstoffkonzentration im Gemisch läuft die Verbrennung kontrollierter ab und erreicht niedrigere Verbrennungstemperaturen, welche die NO_x-Entstehung im Verbrennungsraum reduzieren.
Aufgrund der optimierten dreieckigen Wärmeaustauscherrohre im Abgasrückführungssystem kann jetzt bei gleichem Bauraum die Effektivität der Kühler bei gleichzeitiger Reduzierung des Gegendruckes deutlich gesteigert werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 im schematischen Querschnitt das Grundprinzip eines Kraftfahrzeug-Wärmeaustauschers mit zwei Wärmeaustauscherrohren;
2 ebenfalls im schematischen Querschnitt einen Wärmeaustauscher gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3 die Darstellung der 2 mit zusätzlichen Bypass-Rohren;
4 eine abgewandelte Ausführungsform der 3;
5 im schematischen Querschnitt eine fünfte Ausführungsform eines Wärmeaustauschers;
6 im schematischen Querschnitt eine sechste Ausführungsform eines Wärmeaustauschers und
7 die Darstellung der 6 mit Gehäuse.
Mit 1 ist in der 1 ein Wärmeaustauscher in einem Kraftfahrzeug bezeichnet, der zwei sich nebeneinander erstreckende, von einem heißen Gas HG durchströmte und von einem Kühlfluid KF umströmte Wärmeaustauscherrohre 2 aus Stahl aufweist. Der Wärmeaustauscher 1 bildet Bestandteil eines nicht näher veranschaulichten Abgasrückführungssystems für eine ebenfalls nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine, bei welchem die Wärmeaustauscherrohre 2 vom heißen Abgas HG der Brennkraftmaschine durchströmt und von einem Kühlfluid KF in Form von Kühlwasser umströmt sind.
Die Wärmeaustauscherrohre 2 besitzen einen gleichseitigen dreieckigen Querschnitt. Sie sind unter Bildung eines im Querschnitt rautenförmigen Rohrbündels RB zusammengefasst, wobei zwei einander mit Abstand benachbarte Rohrwände 3, 4 der Wärmeaustauscherrohre 2 parallel nebeneinander verlaufen. Umfangsseitig der Wärmeaustauscherrohre 2 befindet sich eine diese ummantelnde, im Querschnitt rautenförmige Kassette 5 aus Stahl. Es ist zu sehen, dass zwischen den Wärmeaustauscherrohren 2 sowie zwischen den Wärmeaustauscherrohren 2 und den Wänden 6 der Kassette 5 die Abstände A gleich groß bemessen sind.
Bei der Ausführungsform eines Kraftfahrzeug-Wärmeaustauschers 1a der 2 sind insgesamt acht Wärmeaustauscherrohre 2 mit einem gleichseitigen dreieckigen Querschnitt rautenförmig gebündelt. Statt der acht Wärmeaustauscherrohre 2 können auch mehr oder weniger Wärmeaustauscherrohre 2 rautenförmig gebündelt sein. Die Relativzuordnung der Wärmeaustauscherrohre 2 sowie ihre Zuordnung zu der umfangsseitigen Kassette 5 entsprechen derjenigen der 1. Somit erübrigt sich eine nochmalige Erläuterung.
Im Falle der Ausführungsform der 3 sind Bypass-Rohre 7, 7a neben einem Kraftfahrzeug-Wärmeaustauscher 1b mit einem rautenförmigen Querschnitt und Wärmeaustauscherrohren 2 mit einem gleichseitigen dreieckigen Querschnitt seitlich neben den geneigten Wänden 8 der Kassette 5 angeordnet. Die Bypass-Rohre 7, 7a erstrecken sich in der Nähe der in der Zeichnungsebene horizontalen Wände 9 der Kassette 5 parallel zu den Wärmeaustauscherrohren 2. Sie können, wie die Wärmaustauscherrohre 2, einen gleichseitigen dreieckigen Querschnitt aufweisen (Bypass-Rohre 7). Sie können aber auch als Rundrohre 7a ausgebildet sein. Ferner ist eine Kombination von im Querschnitt dreieckigen und runden Bypass-Rohren 7, 7a denkbar.
In der 4 ist ein Kraftfahrzeug-Wärmeaustauscher 1c dargestellt, bei welchem die von einer im Querschnitt rautenförmigen Kassette 5 umgebenen Wärmeaustauscherrohre 2 der 3 zusammen mit den Bypass-Rohren 7, 7a von einem im Querschnitt rechteckigen Gehäuse 10 aus Stahl ummantelt sind.
Bei der Ausführungsform eines Kraftfahrzeug-Wärmeaustauschers 1d gemäß der 5 sind insgesamt sechs Wärmeaustauscherrohre 2 mit einem gleichseitigen dreieckigen Querschnitt hexagonal gebündelt. Ihre Relativzuordnung sowie die Zuordnung zu einer umfangsseitigen, im Querschnitt hexagonalen Kassette 5a entsprechen jedoch derjenigen der Ausführungsform der 1, so dass von einer nochmaligen Erklärung Abstand genommen wird.
Im Falle der Ausführungsform der 6 sind ebenfalls Bypass-Rohre 7, 7a neben einem Kraftfahrzeug-Wärmeaustauscher 1e mit einer hexagonalen Konfiguration und Wärmeaustauscherrohren 2 mit einem gleichseitigen dreieckigen Querschnitt seitlich neben geneigten Wänden 11 einer hexagonalen Kassette 5a angeordnet. Ansonsten gelten die Erläuterungen zu 3.
In der 7 ist ein Kraftfahrzeug-Wärmeaustauscher 1f dargestellt, bei welchem die von einer im Querschnitt hexagonalen Kassette 5a umgebenen Wärmeaustauscherrohre 2 der 6 zusammen mit den Bypass-Rohren 7, 7a von einem im Querschnitt rautenförmigen Gehäuse 10a ummantelt sind.

Claims

Wärmeaustauscher (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f) in einem Kraftfahrzeug, der mindestens zwei sich nebeneinander erstreckende, von einem heißen Gas (HG) durchströmte und von einem Kühlfluid (KF) umströmte Wärmeaustauscherrohre (2) aufweist, wobei unter Bildung eines im Querschnitt mehreckigen Rohrbündels (RB, RB1) zwei einander mit Abstand (A) benachbarte Rohrwände (3, 4) der Wärmeaustauscherrohre (2) parallel nebeneinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (2) einen gleichseitigen dreieckigen Querschnitt besitzen.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (2) von einer im Querschnitt rautenförmigen Kassette (5) mit Abstand (A) ummantelt sind.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich seitlich neben den geneigten Wänden (8) der Kassette (5) Bypass-Rohre (7, 7a) erstrecken.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (RB) und die Bypass-Rohre (7, 7a) von einem im Querschnitt rechteckigen Gehäuse (10) ummantelt sind.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (2) von einer im Querschnitt hexagonalen Kassette (5a) mit Abstand (A) ummantelt sind.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich seitlich neben den geneigten Wänden (11) der Kassette (5a) Bypass-Rohre (7, 7a) erstrecken.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (RB1) und die Bypass-Rohre (7, 7a) von einem im Querschnitt rautenförmigen Gehäuse (10a) ummantelt sind.
Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (2) mit Prägungen und/oder Riefen versehen sind,
Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (2) mit eingeschobenen Turbulenzerzeugern versehen sind.
Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (2) mittels Bodenbleche zu einem Rohrbündel (RB, RB1) zusammengefasst sind.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenbleche als Wasserleitbleche ausgeführt sind.
Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines Abgasrückführungssystems für eine Brennkraftmaschine bildet, bei welchem die Wärmeaustauscherrohre (2) vom heißen Abgas (HG) der Brennkraftmaschine durchströmt und von einem Kühlfluid (KF) in Form von Kühlwasser umströmt sind.