DE102011081401A1

DE102011081401A1 - Wärmetauscheranordnung, insbesondere für ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät

Info

Publication number: DE102011081401A1
Application number: DE102011081401A
Authority: DE
Inventors: Andreas Collmer; Michael Haefner; Christoph Köberle; Andreas Alber; Andreas WETZL; Jörg Zweckbronner; Frank Rudolf; Dieter Heybach; Benjamin Hezinger; Oliver Sauter
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2031-08-24
Also published as: DE102011081401B4

Abstract

Eine Wärmetauscheranordnung, insbesondere für ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät, umfasst ein topfartiges äußeres Gehäuse (16) mit einer in Richtung einer Längsachse (L) langgestreckten Umfangswandung (20) und einer Bodenwandung (22), ein topfartiges inneres Gehäuse (18) mit einer in Richtung der Längsachse (L) langgestreckten Umfangswandung (24) und einer Bodenwandung (26), wobei zwischen dem topfartigen inneren Gehäuse (18) und dem topfartigen äußeren Gehäuse (16) ein erster Strömungsraum (28) für zu erwärmendes Fluid gebildet ist, wobei an einem von den Bodenwandungen (22, 26) entfernten axialen Endbereich ein im Inneren des inneren Gehäuses (18) gebildeter zweiter Strömungsraum (34) durch eine Abschlusswandung (38) axial abgeschlossen ist, wobei in einem ersten Anschlussbereich (44) die Abschlusswandung (38) an das äußere oder/und das innere Gehäuse (16, 18) fluiddicht anschließt und wobei in einem zweiten Anschlussbereich (50) das innere Gehäuse (18) an das äußere Gehäuse (16) fluiddicht anschließt, wobei der erste Anschlussbereich (44) im Wesentlichen in einer zur Längsachse (L) geneigten ersten Anschlussebene (E1) liegt oder/und der zweite Anschlussbereich (50) im Wesentlichen in einer zur Längsachse (L) geneigten zweiten Anschlussebene (E2) liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung, die insbesondere bei einem brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerät Anwendung finden kann. Die Wärmetauscheranordnung umfasst ein topfartiges äußeres Gehäuse und ein topfartiges inneres Gehäuse. Diese begrenzen mit einer jeweiligen Umfangswandung und einer jeweiligen Bodenwandung einen Strömungsraum für zu erwärmendes Fluid, also beispielsweise das in einem Heiz/Kühl-Kreislauf eines Fahrzeugs zirkulierende Wasser.
Aus der DE 197 49 821 C1 ist eine Wärmetauscheranordnung bekannt, bei welcher die beiden ineinander geschachtelten topfartigen Gehäuse den Strömungsraum für die zu erwärmende Flüssigkeit begrenzen. Die beiden Gehäuse schließen im Bereich ihrer Umfangswandungen unter Zwischenlagerung eines ringartigen Dichtungselements aneinander an. Dieses ist zu einer Längsmittenachse der beiden Gehäuse im Wesentlichen zentrisch angeordnet. Im Inneren des inneren Gehäuses ist ein Strömungsraum für die eine Brennkammer und ein Flammrohr verlassenden und auf die Bodenwandung des inneren Gehäuses zu strömenden heißen Verbrennungsabgase gebildet. Dieser Strömungsraum ist in einem axialen Endbereich durch die Bodenwandung des inneren Gehäuses axial begrenzt und ist in seinem anderen axialen Endbereich durch eine an eine Stirnfläche der Umfangswandung des inneren Gehäuses fluiddicht anschließende Abschlusswandung axial begrenzt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauscheranordnung, insbesondere für ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät bereitzustellen, welche bei kompakter Baugröße eine effiziente Ausnutzung der zur Wärmeübertragung nutzbaren Volumina bzw. Oberflächengewebe leistet.
Erfindungsgemäß wird dieses Aufgabe gelöst durch eine Wärmetauscheranordnung, insbesondere für ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät, umfassend ein topfartiges äußeres Gehäuse mit einer in Richtung einer Längsachse langgestreckten Umfangswandung und einer Bodenwandung, ein topfartiges inneres Gehäuse mit einer in Richtung der Längsachse langgestreckten Umfangswandung und einer Bodenwandung, wobei zwischen dem topfartigen inneren Gehäuse und dem topfartigen äußeren Gehäuse ein erster Strömungsraum für zu erwärmendes Fluid gebildet ist, wobei an einem von den Bodenwandungen entfernten axialen Endbereich ein im Inneren des inneren Gehäuses gebildeter zweiter Strömungsraum durch eine Abschlusswandung axial abgeschlossen ist, wobei in einem ersten Anschlussbereich die Abschlusswandung an das äußere oder/und das innere Gehäuse fluiddicht anschließt und wobei in einem zweiten Anschlussbereich das innere Gehäuse an das äußere Gehäuse fluiddicht anschließt, wobei der erste Anschlussbereich im Wesentlichen in einer zur Längsachse geneigten ersten Anschlussebene liegt oder/und der zweite Anschlussbereich im Wesentlichen in einer zur Längsachse geneigten zweiten Anschlussebene liegt.
Durch die Schrägstellung von zumindest einem der beiden Anschlussbereiche bezüglich der Längsachse der Wärmetauscheranordnung, also derjenigen Achse, entlang welcher die beiden Umfangswandungen ausgehend von den jeweiligen Bodenwandungen sich erstrecken, wird für den ersten Strömungsraum einerseits und den zweiten Strömungsraum andererseits jeweils unter Bereitstellung der Möglichkeit, die bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungsabgase aus dem zweiten Strömungsraum ableiten zu können, ein kompakter Aufbau erhalten.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung die Angabe, dass ein Anschlussbereich bezüglich der Längsachse geneigt ist, bedeutet, dass dieser Anschlussbereich bzw. die Anschlussebene, in welcher der Anschlussbereich liegt, bezüglich der Längsachse nicht orthogonal orientiert ist, sondern die Längsachse zur jeweiligen Ebene einen von 90° sich unterscheidenden Winkel einschließt.
Um bei insbesondere axial kompakter Baugröße die Möglichkeit der Ableitung von Verbrennungsabgasen aus dem Inneren des inneren Gehäuses bereitstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass der erste Anschlussbereich und der zweite Anschlussbereich zueinander gegensinnig bezüglich der Längsachse geneigt sind. Insbesondere wird durch diese gegensinnige Neigung der beiden Anschlussebenen bezüglich einander ermöglicht, dass in einem ersten Umfangsbereich der erste Anschlussbereich und der zweite Anschlussbereich einen minimalen Axialabstand zueinander aufweisen und in einem zweiten Umfangsbereich einen maximalen Axialabstand zueinander aufweisen, wobei vorzugsweise der erste Umfangsbereich bezüglich der Längsachse dem zweiten Umfangsbereich diametral gegenüber liegt.
Das Erzeugen eines vergleichsweise großen axialen Abstands zwischen den beiden Abstützbereichen im zweiten Umfangsbereich wird bei einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung dazu nutzbar, dass im Bereich des zweiten Umfangsbereichs ein aus dem Inneren des inneren Gehäuses herausführender Auslassbereich vorgesehen ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Auslassbereich einen von der Umfangswandung des inneren Gehäuses sich nach radial außen erstreckenden Auslassstutzen umfasst.
Der Auslassstutzen kann eine Ausnehmung in der Umfangswandung des äußeren Gehäuses durchsetzen.
Um im ersten Anschlussbereich die fluiddichte Anbindung der Abschlusswandung zu erreichen und dadurch effizient auch den zweiten Strömungsraum abzuschließen, wird vorgeschlagen, dass im ersten Anschlussbereich die Abschlusswandung z. B. unter Zwischenlagerung einer ersten Dichtungsanordnung an eine Stirnfläche des inneren Gehäuses anschließt.
Gleichermaßen kann zum fluiddichten Abschluss des ersten Strömungsraums vorgesehen sein, dass im zweiten Anschlussbereich die Umfangswandung des äußeren Gehäuses z. B. unter Zwischenlagerung einer zweiten Dichtungsanordnung an die Umfangswandung des inneren Gehäuses anschließt.
Dabei kann wenigstens eine der Dichtungsanordnungen ein ringartiges Dichtungselement, beispielsweise O-Ring, umfassen.
Um die bei Verbrennung entstehenden Verbrennungsabgase in das Innere des inneren Gehäuses, insbesondere den von diesem auch umschlossenen zweiten Strömungsraum, einleiten zu können, wird vorgeschlagen, dass die Abschlusswandung eine zentrale Öffnung zur Aufnahme eines Flammrohrs aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeugheizgerät, umfassend einen Brennerbereich mit einer Brennkammer sowie eine erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung.
Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass ein Verbrennungsabgase von der Brennkammer weg leitendes Flammrohr die zentrale Öffnung in der Abschlusswandung durchsetzt und sich in das Innere des inneren Gehäuses erstreckt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:
1 eine Längsschnittansicht einer Wärmetauscheranordnung, geschnitten längs einer Linie I-I in 2;
2 eine Axialansicht der Wärmetauscheranordnung, betrachtet in Blickrichtung II in 1.
In 1 ist eine Wärmetauscheranordnung 10 im Längsschnitt dargestellt.
Die Wärmetauscheranordnung 10 kann in besonders vorteilhafter Weise bei einem brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerät eingesetzt werden, welches einen Brennerbereich mit einer darin vorgesehenen Brennkammer aufweist. In die Brennkammer werden Brennstoff und Verbrennungsluft eingespeist und verbrannt. Die dabei entstehenden Abgase verlassen die Brennkammer durch ein in der 1 dargestelltes Flammrohr 12 und treten aus diesem in einem beispielsweise axial offenen Endbereich 14 aus.
Die Wärmetauscheranordnung 10 umfasst ein topfartiges äußeres Gehäuse 16 und ein in dieses eingesetztes topfartiges inneres Gehäuse 18. Das äußere Gehäuse 16 ist mit einer in Richtung einer Längsachse bzw. Längsmittenachse L langgestreckten Umfangswandung 20 und einer daran anschließenden Bodenwandung 22 aufgebaut. Gleichermaßen ist das innere Gehäuse 18 mit einer in Richtung der Längsachse L langgestreckten Umfangswandung 24 und einer daran anschließenden Bodenwandung 26 aufgebaut. Die Umfangswandungen 20, 24 und die Bodenwandungen 22, 26 liegen einander unter Belassung eines geringen radialen bzw. axialen Zwischenraums gegenüber, so dass zwischen den beiden Gehäusen 16, 18 ein erster Strömungsraum 28 für ein zu erwärmendes Fluid, also beispielsweise Wasser, gebildet ist. Über in der 2 auch erkennbare Anschlussstutzen 30 bzw. 32 wird dieses zu erwärmende Fluid in den ersten Strömungsraum 28 eingeleitet bzw. von diesem auch wieder abgezogen.
Im Inneren des inneren Gehäuses 18 ist zwischen der Umfangswandung 24 desselben und dem Flammrohr 12 ein zweiter Strömungsraum 34 gebildet. In diesem zweiten Strömungsraum 34 strömen die aus dem Flammrohr 12 austretenden und an der Bodenwandung 26 nach radial außen umgelenkten heißen Verbrennungsabgase und übertragen dabei Wärme auf das innere Gehäuse 18. Um hier einen effizienten Wärmeübertrag zu erreichen, können an der Innenseite des inneren Gehäuses 18 sich im Wesentlichen in der Längsrichtung L erstreckende Wärmeübertragungsrippen 36 vorgesehen sein.
Für eine axiale Begrenzung bzw. einen Abschluss des zweiten Strömungsraums 34 sorgt eine Abschlusswandung 38. Während die beiden Gehäuse 16, 18 beispielsweise als Gussteile bereitgestellt sein können, kann die Abschlusswandung 38 als Blechformteil ausgebildet sein. In einem zentralen Bereich ist die Abschlusswandung 38 mit einer Öffnung 40, beispielsweise in einem durch Ausformung gebildeten zylindrischen Ansatz 42 ausgebildet. In dieser Öffnung 40 durchsetzt das Flammrohr 12 die Abschlusswandung 38. Zwischen dem Flammrohr 12 und der Abschlusswandung 38 kann hier beispielsweise durch Presspassung oder/und Materialschluss, z. B. Verlötung oder dergleichen, eine stabile und auch fluiddichte Verbindung geschaffen sein.
In ihrem radial äußeren Endbereich schließt die Abschlusswandung 38 zum Erzeugen eines axialen Abschlusses des zweiten Strömungsraums 34 in einem ersten Anschlussbereich 44 an das innere Gehäuse 18 an. In diesem ersten Anschlussbereich 44 kann das innere Gehäuse 18 mit einer Stirnfläche 46 ausgebildet sein, an welcher die Abschlusswandung 38 unter Zwischenlagerung eines ringartigen Dichtungselements 48, beispielsweise einer Flachdichtung, anliegt. Eine feste Anbindung kann beispielsweise durch an verschiedenen Umfangspositionen eingebrachte Schraubbolzen oder dergleichen erzielt werden.
Man erkennt in 1, dass dieser erste Anschlussbereich 44 bezüglich der Längsachse L unter einem Winkel α₁, welcher sich von 90° unterscheidet, geneigt ist. Dies bedeutet, dass die Längsachse L zu einer beispielsweise durch die Stirnfläche 46 auch definierten ersten Anschlussebene E₁ nicht orthogonal steht, sondern unter dem Winkel α₁ geneigt ist.
In einem zweiten Anschlussbereich 50 schließen die beiden Gehäuse 16, 18 bzw. deren Umfangswandungen 20, 24 fluiddicht aneinander an. Hierzu ist zwischen den beiden Umfangswandungen 20, 24 bzw. daran jeweils gebildeten Dichtungsflächen 52, 54 ein ringartiges Dichtungselement 56, beispielsweise O-Ring, angeordnet. Dieses ringartige Dichtungselement 56 bzw. der zweite Anschlussbereich 50 liegt in einer zweiten Anschlussebene E₂, welche bezüglich der Längsachse L unter einem von 90° sich unterscheidenden Winkel α₂ geneigt ist.
Man erkennt in 1 weiter, dass die beiden Anschlussebenenen E₁ und E₂, mithin also die beiden Anschlussbereiche 44, 50 bezüglich der Längsachse L gegensinnig geneigt sind. In dem in 1 oben liegend dargestellten ersten Umfangsbereich 58 weisen die beiden Anschlussbereiche 44, 50 einen minimalen Abstand auf. In dem in 1 unten liegend dargestellten zweiten Umfangsbereich 60, der bezüglich der Längsachse L dem ersten Umfangsbereich 58 diametral gegenüber liegt, weisen die beiden Anschlussbereiche 44, 50 einen maximalen Axialabstand auf. Dies nutzt der erfindungsgemäße Aufbau dazu, in diesem zweiten Umfangsbereich 60 einen Abgasauslass 62 mit einem von der Umfangwandung 24 des inneren Gehäuses 18 nach radial außen sich erstreckenden Auslassstutzen 64 bereitzustellen. Dieser Auslassstutzen 64 erstreckt sich im zweiten Umfangsbereich 60 zwischen den beiden Dichtungselementen 48, 56 durch eine Ausnehmung 66 in der Umfangswandung 20 des äußeren Gehäuses 16 hindurch. Da im Bereich dieser Ausnehmung 66 keine Dichtwirkung zu erzeugen ist, kann der Auslassstutzen 64, wie dies in 2 auch erkennbar ist, unter Belassung eines geringfügigen Zwischenraums zur Umfangswandung 20 des äußeren Gehäuses 16 durch die Ausnehmung 66 hindurch laufen.
Die Schrägstellung insbesondere des ersten Anschlussbereichs 44 ist so gewählt, dass dieser erste Anschlussbereich 44 im zweiten Umfangsbereich 60 den maximalen axialen Abstand zu den Bodenwandungen 26 bzw. 22 aufweist, so dass hier bei ansonsten kompakter axialer Baugröße Bauraum zur Bereitstellung des Abgasauslasses 62 belassen ist. Da gleichermaßen der zweite Anschlussbereich 50 in diesem zweiten Umfangsbereich 60 den minimalen Abstand zu den Bodenwandungen 26, 22 aufweist, wird bei weiterhin unterstützter kompakter Baugröße im ersten Umfangsbereich 58 eine maximale Erstreckung des ersten Strömungsraums 28 und dort auch die maximal von den Bodenwandungen 26, 22 entfernte Positionierung der Anschlussstutzen 30, 32 ermöglicht.
Weiterhin gestattet der erfindungsgemäße Aufbau durch die Schrägstellung insbesondere des ersten Anschlussbereichs 44 die Bereitstellung eines Raumbereichs 70, in dem beispielsweise ein Zündorgan, wie z. B. Glühkerze, zum Starten der Verbrennung in der nicht dargestellten Brennkammer angeordnet werden kann. Dieser Raumbereich 70 liegt also an der vom zweiten Strömungsraum 34 abgewandten Seite der Abschlusswandung 38.
Es ist selbstverständlich, dass bei dem erfindungsgemäßen Aufbau verschiedenste Variationen vorgenommen werden können. So können beispielsweise die beiden Gehäuse 16, 18 mit einer von der kreisrunden Kontur, wie sie in der 2 erkennbar ist, abweichenden Umfangskontur ausgebildet sein. Auch können selbstverständlich die Anschlussstutzen 30, 32 an zueinander unterschiedlichen Axialpositionierungen oder auch noch weiter sich unterscheidenden Umfangspositionierungen im äußeren Gehäuse 16 vorgesehen sein. Von Bedeutung ist, das bei dem erfindungsgemäßen Aufbau in der Abschlusswandung 38 keine Öffnungen vorgesehen sein müssen, welche den Hindurchtritt der im zweiten Strömungsraum 34 strömenden Verbrennungsabgase in Richtung zu dem Abgasauslass 62 ermöglichen. Dieser ist an der von der Brennkammer abgewandten Seite der Abschlusswandung 38 gebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19749821 C1 [0002]

Claims

Wärmetauscheranordnung, insbesondere für ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät, umfassend ein topfartiges äußeres Gehäuse (16) mit einer in Richtung einer Längsachse (L) langgestreckten Umfangswandung (20) und einer Bodenwandung (22), ein topfartiges inneres Gehäuse (18) mit einer in Richtung der Längsachse (L) langgestreckten Umfangswandung (24) und einer Bodenwandung (26), wobei zwischen dem topfartigen inneren Gehäuse (18) und dem topfartigen äußeren Gehäuse (16) ein erster Strömungsraum (28) für zu erwärmendes Fluid gebildet ist, wobei an einem von den Bodenwandungen (22, 26) entfernten axialen Endbereich ein im Inneren des inneren Gehäuses (18) gebildeter zweiter Strömungsraum (34) durch eine Abschlusswandung (38) axial abgeschlossen ist, wobei in einem ersten Anschlussbereich (44) die Abschlusswandung (38) an das äußere oder/und das innere Gehäuse (16, 18) fluiddicht anschließt und wobei in einem zweiten Anschlussbereich (50) das innere Gehäuse (18) an das äußere Gehäuse (16) fluiddicht anschließt, wobei der erste Anschlussbereich (44) im Wesentlichen in einer zur Längsachse (L) geneigten ersten Anschlussebene (E₁) liegt oder/und der zweite Anschlussbereich (50) im Wesentlichen in einer zur Längsachse (L) geneigten zweiten Anschlussebene (E₂) liegt.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlussbereich (44) und der zweite Anschlussbereich (50) zueinander gegensinnig bezüglich der Längsachse (L) geneigt sind.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlussbereich (44) und der zweite Anschlussbereich (50) in einem ersten Umfangsbereich (58) einen minimalen Axialabstand zueinander aufweisen und in einem zweiten Umfangsbereich (60) einen maximalen Axialabstand zueinander aufweisen, wobei vorzugsweise der erste Umfangsbereich (58) bezüglich der Längsachse (L) dem zweiten Umfangsbereich (60) diametral gegenüber liegt.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zweiten Umfangsbereichs (60) ein aus dem inneren des inneren Gehäuses (18) herausführender Auslassbereich (62) vorgesehen ist.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassbereich (62) einen von der Umfangswandung (24) des inneren Gehäuses (18) sich nach radial außen erstreckenden Auslassstutzen (64) umfasst.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassstutzen (64) eine Ausnehmung in der Umfangswandung (20) des äußeren Gehäuses (16) durchsetzt.
Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Anschlussbereich (44) die Abschlusswandung (38) vorzugsweise unter Zwischenlagerung einer ersten Dichtungsanordnung (48) an eine Stirnfläche (46) des inneren Gehäuses (18) anschließt.
Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Anschlussbereich (50) die Umfangswandung (20) des äußeren Gehäuses (16) vorzugsweise unter Zwischenlagerung einer zweiten Dichtungsanordnung (56) an die Umfangswandung (24) des inneren Gehäuses (18) anschließt.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtungsanordnung (48) oder/und die zweite Dichtungsanordnung (56) ein ringartiges Dichtungselement umfasst.
Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlusswandung (38) eine zentrale Öffnung (40) zur Aufnahme eines Flammrohrs (12) aufweist.
Fahrzeugheizgerät, umfassend einen Brennerbereich mit einer Brennkammer und eine Wärmetauscheranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 11 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungsabgase von der Brennkammer weg leitendes Flammrohr (12) die zentrale Öffnung (40) in der Abschlusswandung (38) durchsetzt und sich in das Innere des inneren Gehäuses (18) erstreckt.