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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bei dem wahlweise eine Bypassleitung oder ein Wärmetauschelement mit einem Fluid beaufschlagbar ist, indem ein um eine Schwenkachse schwenkbewegliches Schließelement eine Einlassöffnung der Bypassleitung oder eine Einlassöffnung des Wärmetauschelements zumindest abschnittsweise verschließt.
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Ein solcher Wärmetauscher wird in modernen Kraftfahrzeugen bereits vielfach eingesetzt und ist somit bereits aufgrund offenkundiger Vorbenutzung bekannt. Beispielsweise sind Abgaswärmetauscher bekannt, die aus einem Rohrbündel von Abgasrohren bestehen, die in einem Wärmetauschergehäuse angeordnet sind, welches vom Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs einer Brennkraftmaschine durchströmt wird. Somit gelangt die Wärme der Abgase über das Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine und damit auch in den Heizungskreislauf.
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Durch die Aufheizung des Kühlmittelkreislaufs über die Abgaswärme kann auch eine schnellere Beheizung des Fahrzeuginnenraums erreicht werden. Dieser Abgaswärmetauscher fungiert somit als Zusatzheizung in der Warmlaufphase. Für den Fall, dass die Aufheizung des Kühlmittelkreislaufs nicht erwünscht ist, wird der Abgasstrom bei dem bekannten Abgaswärmetauscher durch eine Bypassleitung geleitet, die von den Abgasrohren und dem Kühlmittel thermisch isoliert ist. Der durch die Bypassleitung strömende Abgasstrom gibt somit praktisch keine Wärme an das Kühlmittel ab. Hierzu ist das Schließelement als eine um eine Schwenkachse drehbewegliche Verschlussklappe ausgeführt.
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Bei einem durch die
DE 102 03 003 A1 bekannten Abgaswärmetauscher soll eine einfache und betriebssichere Umschaltung des Abgasstroms einerseits durch ein Wärmetauschelement und andererseits durch eine Bypassleitung durch ein biegesteifes, schwenkbares Verschlussorgan erreicht werden, welches an die thermischen, mechanischen und dynamischen Belastungen des Wärmetauschelements angepasst ist. Das Verschlussorgan ist als sogenannte Halbklappe ausgebildet, wobei die Schwenkachse in der Mitte des Strömungsquerschnitts liegt und die Halbklappe jeweils den halben Querschnitt verschließt respektive freigibt. Diese Halbklappe ist einfach von außen über eine Antriebswelle zu betätigen und legt sich umfangsseitig in Schließstellung an die Innenwand des Abgaskanals an. In vorteilhafter Weise nimmt die Halbklappe in ihrer Schließstellung eine zur Abgasströmungsrichtung schräg verlaufende Stellung ein, wobei sie durch den Abgasdruck gegen die innere Gehäusewand des Abgaskanals gedrückt wird. Dies ergibt eine stabile Schließstellung. Durch die zwischen Schwenkachse und Eintrittsquerschnitt des Wärmetauschelements vorgesehene Trennwand wird eine bessere Abdichtung des umgelenkten Abgasstroms erreicht, wobei die Trennwand hierzu an ihrem stromaufwärtigen Ende eine konkave und kreiszylinderförmige Dichtfläche aufweist. Diese Dichtfläche arbeitet mit der Dichtkante der Schwenkklappe zusammen.
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Die
DE 10 2005 012 842 A1 betrifft eine Luftansaugvorrichtung für eine Brennkraftmaschine. Indem eine Bypassklappe in der ersten oder in der zweiten Stellung eine Lage einnimmt, in welcher sie die Abgasströmung vom stromaufwärtigen Teil des Abgasrückführkanals ohne Richtungsumlenkung in den Kühlkanal oder in den Bypasskanal leitet, werden Strömungsverluste infolge einer Umlenkung der Strömungsrichtung vermieden.
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Durch die
EP 1 277 945 A1 ist ein Abgaskühler mit einem von Abgas durchströmbaren Rohrbündel und einem Bypassrohr bekannt, welche in einem gemeinsamen kreiszylindrischen Gehäuse angeordnet sind, welches von einem Kühlfluid durchströmbar ist. Der Eintrittsquerschnitt des verlängerten Bypassrohrs ist durch eine Klappe verschließbar, die in einer zweiten Stellung den Zuleitungsbereich für die Abgasrohre des Rohrbündels verschließt.
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Als nachteilig erweist sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Gestaltungen des Schließelements, dass diese oftmals zu Störungen, insbesondere zu Undichtigkeiten neigen. Oftmals werden die Einlassöffnungen daher vergleichsweise klein bemessen, um so die Abdichtung zu erleichtern, was jedoch zu Druckverlusten führt. Darüber hinaus ist der Wechsel der Funktionsstellungen im Allgemeinen nur entgegen des anliegenden Fluiddrucks möglich, sodass vergleichsweise hohe Betätigungskräfte aufgebracht werden müssen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass eine fehlerfreie Betätigung, insbesondere auch bei großen Einlassquerschnitten der Einlassöffnungen, bei zugleich geringen Betätigungskräften realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmetauscher gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Wärmetauscher vorgesehen, bei dem das Schließelement eine zu der Schwenkachse koaxiale, kreisbogenförmige Umfangsfläche aufweist, durch welche wahlweise eine oder beide Einlassöffnungen zumindest abschnittsweise verschließbar sind, wobei die Einlassöffnungen jeweils durch eine zu der Schwenkachse bzw. der Umfangsfläche koaxiale kreisbogenförmige Dichtungsfläche begrenzt sind. In überraschend einfacher Weise wird dadurch sowohl die Dichtungswirkung als auch die Betätigung des Schließelements wesentlich verbessert. Indem nämlich das Schließelement über seinen gesamten Umfang einen einheitlichen Abstand zu der Schwenkachse aufweist, kommt es auch unter Einwirkung des Fluiddrucks nicht zu einer einseitigen Verformung, wie dies etwa bei Klappen nach dem Stand der Technik insbesondere in einem der Schwenkachse abgewandten Bereich nicht ausgeschlossen ist. Vielmehr führen gegebenenfalls auftretende Verformungskräfte zu einer flächigen Anlage des Schließelements gegen die Dichtungsfläche, sodass die Einlassöffnung zuverlässig verschlossen wird. Zugleich verläuft die Wirkrichtung des auf das Schließelement wirkenden Fluiddrucks nicht etwa entgegen der Öffnungsrichtung des Schließelements, wie dies beim Stand der Technik bei einer Verschlussklappe unvermeidlich ist, sondern im Wesentlichen quer zu der Wirkrichtung des Fluiddrucks, wobei die wirkenden Kräfte von der Schwenkachse aufgenommen werden und die Betätigungskraft nur geringfügig durch den anliegenden Fluiddruck erhöht wird. Da somit die Betätigungskräfte wesentlich vermindert und insbesondere weitgehend unabhängig von dem Fluiddruck sind, wird die Betätigung vereinfacht und zudem eine konstruktiv vereinfachte Auslegung der Betätigungselemente ermöglicht. Dabei umfasst die kreisbogenförmige Gestaltung des Schließelements sowie der Dichtungsfläche neben einfachen zylindrischen Grundformen auch abweichende rotationssymmetrische Geometrien, beispielsweise auch sphärische Formgebungen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform wird auch dadurch erreicht, dass das Schließelement eine kreissegmentförmige Querschnittsform aufweist, also zwischen dem Kreisbogen und der Kreissehne ein Füllmaterial enthält oder massiv ausgeführt ist, um so eine hohe Formstabilität zu erreichen.
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Man könnte daran denken, das Schließelement sowie die Dichtungsfläche hinterschneidend auszuführen, sodass das Schließelement in seiner die Einlassöffnung freigebenden Stellung vor einer Fluidströmung geschützt angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Abwandlung, bei welcher das Schließelement sowie die Dichtungsfläche der Einlassöffnung in der geschlossenen Stellung einen randseitig umlaufenden Überlappungsbereich aufweisen, indem das Schließelement geringfügig größer bemessen ist als die Einlassöffnung.
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Grundsätzlich könnte dasselbe Schließelement unterschiedlich groß bemessene Einlassöffnungen zuverlässig abdecke, womit unterschiedlich große Überlappungsbereiche einhergehen. Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung weist der Wärmetauscher zumindest zwei Einlassöffnungen mit einer übereinstimmenden Einlassquerschnittsfläche auf.
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In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Randbereiche der Umfangsfläche einen Winkel zwischen 10° und 90°, insbesondere zwischen 30° und 60°, einschließen, um so eine ausreichende Größe bei einem praxisgerechten Abstand des Schließelements von der Schwenkachse zu ermöglichen. Die Länge des Kreisbogens ist dabei vorzugsweise kürzer als der Abstand des Schließelements von der Schwenkachse.
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Das Schließelement könnte mehrere, um dieselbe Schwenkachse koaxial angeordnete Umfangsflächen aufweisen, sodass beispielsweise zwei Einlassöffnungen paarweise verschlossen werden können. Eine weitere, ebenfalls besonders praxisgerechte Abwandlung wird dadurch erreicht, dass der Wärmetauscher zwei parallele und kinematisch gekoppelte, um eine jeweilige Schwenkachse insbesondere gegensinnig schwenkbewegliche Schließelemente aufweist. Hierdurch wird eine platzsparende Anordnung der beiden Schließelemente erreicht, die vorzugsweise denselben Abstand zu ihrer jeweiligen Schwenkachse aufweisen. Dabei können die Schließelemente beispielsweise in einer Funktionsstellung mit ihren jeweiligen Umfangsflächen dichtend gegeneinander liegen, um so gemeinsam eine entsprechend größer bemessene Einlassöffnung zu verschließen.
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Hierzu sind gemäß einer weiteren Erfolg versprechenden Ausgestaltung die Schließelemente gegensinnig bzw. gegenläufig gemeinsam antreibbar oder betätigbar ausgeführt, um so durch eine einzige Stellbewegung zugleich mehrere Einlassöffnungen schließen oder öffnen zu können.
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Eine andere, ebenfalls besonders sinnvolle Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch realisiert, dass zumindest eine Schwenkachse als eine Antriebswelle zur Einleitung eines Drehmoments ausgeführt und zu diesem Zweck beispielsweise mit einem Zahnrad verbunden ist, welches mittels eines weiteren Zahnrads oder einer Zahnstange schwenkbeweglich antreibbar ist. Neben der so erreichbaren wegabhängigen Kopplung mehrerer Schließelemente ist beispielsweise mittels eines pneumatischen Antriebs auch eine kraftabhängige Kopplung denkbar, um so übereinstimmende Betätigungskräfte auf die Schließelemente zu übertragen.
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Als besonders praxisgerecht hat sich bereits eine Ausführung erwiesen, bei welcher das Schließelement mittels einer Druckdose schwenkbar ist, die ihrerseits auf jeweils ein mit einer Schwenkachse gekoppeltes Zahnrad des jeweiligen Schließelements wirkt, wobei mehrere Zahnräder vorzugsweise paarweise an gegenüberliegenden Seiten der Zahnstange eingreifen, um so die gewünschte gegensinnige Schwenkbewegung zu erreichen. Selbstverständlich sind grundsätzlich auch andere Antriebsarten, beispielsweise ein Schneckenantrieb, realisierbar.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips des Wärmetauschers ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine geschnittene Seitenansicht des Wärmetauschers in einer ersten Funktionsstellung;
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2 eine geschnittene Seitenansicht des Wärmetauschers in einer zweiten Funktionsstellung;
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3 eine perspektivische, entlang der Schwenkachsen geschnittene Ansicht;
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4 eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschers mit einem Antriebselement.
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In den 1 und 2 ist ein von einem Fluid in Pfeilrichtung 22 durchströmbarer Wärmetauscher 1 dargestellt, wobei in einer in 1 gezeigten ersten Funktionsstellung ein mit mehreren Wärmetauscherleitungen 2 ausgestattetes Wärmetauschelement 3 und alternativ in einer in 2 gezeigten zweiten Funktionsstellung zwei Bypassleitungen 4 mit dem Fluid beaufschlagbar sind. Zur Einstellung der gewünschten Funktionsstellung hat der Wärmetauscher 1 zwei gegensinnig schwenkbewegliche Schließelemente 5, die um eine jeweilige Schwenkachse 6 entweder, wie in 1 gezeigt, jeweils eine Einlassöffnung 7 der Bypassleitungen 4 oder, wie in 2 gezeigt, gemeinsam eine Einlassöffnung 8 der Wärmetauscherleitung 2 verschließen. Jedes Schließelement 5 hat eine zu der Schwenkachse 6 koaxiale kreisbogenförmige Umfangsfläche 9, wobei die Einlassöffnungen 7, 8 ebenfalls durch eine zu der Schwenkachse 6 bzw. der Umfangsfläche 9 koaxiale kreisbogenförmige Dichtungsfläche 10 begrenzt sind. Indem jedes Schließelement 5 eine Umfangsfläche 9 aufweist, die Teil einer Zylindermantelfläche mit einer durch die Schwenkachse 6 gebildeten Mittelachse ist, werden die Betätigungskräfte wesentlich vermindert, weil die Öffnungsbewegung des Schließelements 5 nicht entgegen des anliegenden Fluiddrucks, sondern weitgehend unbelastet von dem Fluiddruck erfolgt. Zusätzlich liegen die Schließelemente 5 in der in 1 gezeigten ersten Funktionsstellung randseitig gegen einen Vorsprung 11 an und sind somit vor der Anströmung durch das Fluid geschützt. In der zweiten, in 2 gezeigten Funktionsstellung ermöglicht eine nicht gezeigte randseitige Hinterschneidung eine gegenseitige Abdichtung der gegeneinander anliegenden Schließelemente 5.
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Wie insbesondere in 3 in einer entlang der Schwenkachsen 6 geschnittenen Ansicht zu erkennen, sind die beiden schwenkbeweglichen Schließelemente 5 des Wärmetauschers 1 kinematisch gekoppelt, wobei die Schwenkachsen 6 zugleich der Übertragung des erforderlichen Drehmomentes dienen. Hierzu ist jede Schwenkachse 6 in einem Gehäuse 12 des Wärmetauschers 1 in äußeren Lagerbuchsen 13 gelagert und mit Dichtringen 14 gegenüber dem Gehäuse 12 abgedichtet, während außenseitig ein Zahnrad 15 drehfest auf jeder Schwenkachse 6 fixiert ist. Die Zahnräder 15 der Schwenkachsen 6 schließen zwischen sich eine der Betätigung dienende, in 4 näher dargestellte Zahnstange 16 ein.
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Wie in 4 in einer perspektivischen Ansicht des Wärmetauschers 1 zu erkennen, ermöglicht die Zahnstange 16 die Übertragung des erforderlichen Drehmomentes für die Verstellung der in den 1 bis 3 gezeigten Schließelemente 5 und ist hierzu von den Schwenkachsen 6 mit ihren jeweiligen Zahnrädern 15 beidseitig eingeschlossen. Hierdurch wird in einfacher Weise die gewünschte gegensinnige Schwenkbewegung erzeugt. Die translatorische Bewegung der Zahnstange 16 in Betätigungsrichtung 17 wird durch eine Unterdruckdose 18 bewirkt, die an einem Halteelement 19 mittels einer Verschraubung 20 festgelegt ist. Eine Führung 21 verhindert dabei das unerwünschte Abgleiten der Zahnstange 16.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Wärmetauscherleitung
- 3
- Wärmetauschelement
- 4
- Bypassleitung
- 5
- Schließelement
- 6
- Schwenkachse
- 7
- Einlassöffnung
- 8
- Einlassöffnung
- 9
- Umfangsfläche
- 10
- Dichtungsfläche
- 11
- Vorsprung
- 12
- Gehäuse
- 13
- Lagerbuchse
- 14
- Dichtring
- 15
- Zahnrad
- 16
- Zahnstange
- 17
- Betätigungsrichtung
- 18
- Unterdruckdose
- 19
- Halteelement
- 20
- Verschraubung
- 21
- Führung
- 22
- Pfeilrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10203003 A1 [0004]
- DE 102005012842 A1 [0005]
- EP 1277945 A1 [0006]
