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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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In Kraftfahrzeugen werden weit verbreitet Verbrennungskraftmaschinen als Antriebsquellen eingesetzt, um im Kraftstoff vorhandene chemische Energie in Fortbewegungsenergie zu wandeln. Bei dem Verbrennungsprozess selbst entsteht Wärme, die zur Erhitzung, insbesondere des Motorblocks aber auch der Motorperipheriekomponenten führt. Der Motorblock ist daher zu kühlen. Hierbei gibt es neben luftgekühlten Varianten auch flüssigkeitsgekühlte Verbrennungskraftmaschinen. Dabei wird ein Kühlmedium durch Kühlkanäle der Verbrennungskraftmaschine geleitet und sodann eine Zu- und Ableitung zu einem Wärmetauscher geführt. In dem Wärmetauscher selbst wird das Kühlmedium selbst durch ein zweites Medium gekühlt. Die Kühlung des Kühlmediums selber kann wiederum über ein weiteres fluides Medium, aber auch durch Luft, beispielsweise Fahrtwind erfolgen.
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Aus dem Stand der Technik sind daher Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge in vielfältiger Bauweise bekannt.
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Insbesondere sind Abgaswärmetauscher bekannt, bei denen eine Abgaswärmetauscherkassette in ein Gehäuse eingesetzt ist und das Gehäuse stirnseitig verschlossen wird. Diese Abgaswärmetauscher werden gelötet, wobei es insbesondere bei Abgaswärmetauschern auf der Einströmseite des Abgases zu starken thermischen Ausdehnungen kommen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Abgaswärmetauscher aufzuzeigen, der bei starken unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen besonders langlebig und in seiner Dichtheit verbessert ist.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Abgaswärmetauscher gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der Abgaswärmetauscher weist ein äußeres Gehäuse, welches im Querschnitt rechteckig konfiguriert ist, auf und in dem Gehäuse sind durch einen Einsatz mindestens zwei Kanäle zur Durchleitung von verschiedenen Medien ausgebildet. Der Abgaswärmetauscher ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein stirnseitiges Anschlussgehäuse eine Außenmantelfläche des Gehäuses mit einem Flansch umgreift, wobei ein Ende des Flansches mit der Außenmantelfläche des Gehäuses umlaufend verschweißt ist und der Einsatz mit einer Stirnseite des Gehäuses umlaufend fluiddicht verlötet ist.
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Bei dem Einsatz handelt es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um ein Rohrbündel, so dass der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet ist. Bei dem Einsatz kann es sich jedoch auch um eine Wärmetauscherkassette handeln, wobei die Wärmetauscherkassette aus übereinander gestapelten Platten ausgebildet ist, so dass der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgebildet wird.
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Der Einsatz ist mithin fluiddicht mit dem Gehäuse gekoppelt, so dass ein in dem Gehäuse, insbesondere die Außenmantelfläche des Einsatzes umströmendes Fluid, hierüber nicht austreten kann. Dazu wird erfindungsgemäß eine Lotnaht verwendet, wobei die Lotnaht an dem jeweils stirnseitigen Ende des Gehäuses angesetzt ist. Bevorzugt ist der Einsatz dabei mit einer Lochplatte, die sowohl bei dem Rohrbündelwärmetauscher als auch bei dem Plattenwärmetauscher zum Einsatz kommen kann, gekoppelt und die Lochplatte wiederum über die Lotnaht mit dem Gehäuse.
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Weiterhin bevorzugt wird der Abgaswärmetauscher dazu verwendet, dass ein gasförmiges Medium, mithin das Abgas, durch einen Kanal strömt, wobei durch den anderen Kanal insbesondere ein Kühlmedium im fluiden Zustand strömt. Das gasförmige Medium weist dabei im Betrieb insbesondere bei Verbrennungsmotoren, die mit Ottokraftstoff betrieben werden, Temperaturen von bis zu mehr als 1.000° C auf. Folglich dehnen sich die mit dem Abgas direkt in Kontakt stehenden nicht gekühlten Bauteile anders und insbesondere stärker aus, als die Bauteile, die in mittelbarem Kontakt mit dem Kühlmedium stehen. So steht das Anschlussgehäuse nahezu kaum in Kontakt mit dem Kühlmedium, jedoch in vollem unmittelbarem Kontakt mit dem Abgas. In der Folge dehnt sich das Anschlussgehäuse mitunter stärker aus, als das Gehäuse sowie der in dem Gehäuse befindliche Einsatz. Erfindungsgemäß wird dieses Ausdehnungsverhalten gerade unter Langlebigkeitsaspekten, dadurch kompensiert, dass das Anschlussgehäuse das Gehäuse und insbesondere die Außenmantelfläche des Gehäuses mit einem Flansch in Axialrichtung umgreift, wobei dann ein Ende des Flansches mit der Außenmantelfläche des Gehäuses verschweißt ist.
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AbgaswärmetauscherAbgaswärmetauscher
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Die Schweißnaht weist eine deutlich höhere Festigkeit sowie Dauerhaltbarkeit gegenüber einer Lötnaht auf wodurch unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Stirnseite bzw. Anschlussgehäuse gegenüber dem Gehäuse besser aufgenommen werden und/oder in geringerem Maße zu einer Leckage bzw. Riss- oder Mikrorissbildung, insbesondere in der Fügestelle führen. Insbesondere ist das stirnseitige Verschlussblech oder aber das stirnseitige Anschlussgehäuse nur von einem relativ gesehen heißeren Medium durchströmt, wobei das Gehäuse selbst von dem Kühlmedium mit durchströmt wird. Folglich haben insbesondere das Anschlussgehäuse und das Gehäuse per se in Betrieb unterschiedliche Arbeitstemperaturen. Bei längerem Nichtgebrauch des Kraftfahrzeuges nehmen sowohl das Anschlussgehäuse als auch das Gehäuse selber wiederum die gleichen Temperaturen an.
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Bei dem Anschlussgehäuse handelt es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um ein derartiges Flanschgehäuse, dass Leitungen an das Anschlussgehäuse angeschlossen werden können. Insbesondere ist das Anschlussgehäuse als Diffusorgehäuse ausgebildet, derart, dass ein Einströmtrichter oder aber auch ein Abströmtrichter in dem Anschlussgehäuse ausgebildet sind. Weiterhin bevorzugt ist das Anschlussgehäuse insbesondere als metallisches Gussbauteil ausgebildet. Das Anschlussgehäuse hat ferner insbesondere eine Wandstärke zwischen 1 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 1,2 mm und 4 mm.
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Weiterhin bevorzugt ist erfindungsgemäß zwischen dem Gehäuse und der Innenmantelfläche des Flansches umlaufend ein Spalt ausgebildet, wobei der Spalt insbesondere im Ruhezustand bei Raumtemperatur eine Breite von 0 mm bis 2 mm, insbesondere von 0 mm bis 0,7 mm aufweist. Die Außenmantelfläche des Gehäuses sowie die Innenmantelfläche des Flansches können somit in dem Spalt formschlüssig aneinander anliegen oder aber im Rahmen der Erfindung ein minimales Spiel zur Kompensation von Fertigungstoleranzen aufweisen. Im Betrieb erfährt dann das Anschlussgehäuse eine Temperaturerhöhung aufgrund des bis zu mehr als 1.000° C heißen Abgases, wobei das Gehäuse selbst aufgrund des Kühlmediums zwar auch erwärmt, jedoch sodann auf einem annähernd konstanten Temperaturniveau gehalten wird. In der Folge dehnt sich das Anschlussgehäuse und der an dem Anschlussgehäuse ausgebildete Flansch im Betrieb stärker aus, wobei aufgrund der erfindungsgemäßen Schweißnaht eine gute Dauerhaltbarkeit sowie Druckdichtigkeit zwischen Anschlussgehäuse und Gehäuse erhalten bleibt. Gleichzeitig wird aufgrund der davon getrennten Lotnaht zwischen Einsatz und Gehäuse, wobei die Lotnaht bzw. die die Lotnaht berandenden Bauteile in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlmedium stehen, eine fluiddichte Separierung von dem ersten zu dem zweiten Kanal sichergestellt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist der Spalt in Längsrichtung des Abgaswärmetauschers, mithin in Axialrichtung des Abgaswärmetauschers einen geraden bzw. geradlinigen Verlauf auf. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass der Spalt von dem Anschlussgehäuse zu dem Gehäuse hin einen konischen Verlauf aufweist, mithin nimmt der Spalt bevorzugt vom Anschlussgehäuse zum Gehäuse hin ab. Für das Zusammensetzen des Kraftfahrzeugwärmetauschers ergibt sich somit die Möglichkeit, dass eine Zentrierung zwischen Gehäuse und Anschlussgehäuse ermöglicht wird, die zudem Produktionstoleranzen ausgleicht. Insbesondere wird das Gehäuse als Blechumformbauteil aus einer metallischen Legierung hergestellt mit einer Wandstärke von 0,8 mm bis 2,5 mm, insbesondere von 1 mm bis 2 mm. Der Spalt weist dazu dann bevorzugt eine Spaltbreite von 0 mm bis 0,7 mm auf.
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Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin bevorzugt der Flansch an dem Anschlussgehäuse derart ausgebildet, dass der Spalt nicht ausschließlich in Axialrichtung verläuft, sondern mindestens einmal abgewinkelt ist, so dass sich der Spalt in Form einer Labyrinthdichtung ergibt. Bevorzugt ist der Spalt derart verlaufend, dass er in Axialrichtung um 90° abgewinkelt verläuft. Hierdurch wird erfindungsgemäß sichergestellt, dass das von dem Anschlussgehäuse strömende Abgas nicht geradlinig gleichsam in den Spalt bis zu der Schweißnaht strömt und auf diese stark thermisch einwirkt, sondern aufgrund des 90° Winkels zunächst hauptsächlich durch den gasführenden Kanal strömt und nur in zu vernachlässigender Weise auch in den Spalt selbst strömt.
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Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, dass zwischen dem Gehäuse und insbesondere zwischen Außenmantelfläche des Gehäuses im Flanschbereich sowie der Innenmantelfläche des Flansches eine Übermaßpassung ausgebildet ist. Insbesondere ist die Übermaßpassung bei Raumtemperatur ausgebildet, wobei sich die Übermaßpassung dann im Betriebsverhalten derart verändert, dass weiterhin bevorzugt maximal ein Spalt von bis zu 0 mm ausgebildet wird. Hierdurch wird wiederum sichergestellt, dass immer die Außenmantelfläche des Gehäuses sowie die Innenmantelfläche des Flansches nahezu spaltfrei in allen möglichen Betriebszuständen des Abgaswärmetauschers formschlüssig aneinander anliegen und somit ein nur geringer Wärmeeintrag bis an die erfindungsgemäße Schweißnaht erfolgt.
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Bevorzugt wird die Lotstelle zwischen Gehäuse und Einsatz mit einem Lötverfahren, bevorzugt Hochtemperaturlötverfahren, bevorzugt durch Vakuumlötung oder Durchlaufofenlötung, bevorzugt mit Nickelbasislot, gekoppelt. Bei den Werkstoffen von Anschlussgehäuse, Gehäuse sowie Einsatz handelt es sich insbesondere um austenitische Werkstoffe, beispielsweise 1.4301 oder 1.4404. Im Rahmen der Erfindung können jedoch auch rostfreie ferritische Werkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise 1.4509 oder aber auch 1.4521.Weiterhin besonders bevorzugt ist zwischen einer Stirnseite des Gehäuses und im Anschlussgehäuse eine Lochplatte eingegliedert, so dass das über das Anschlussgehäuse in den Abgaswärmetauscher geleitete zu kühlende Medium an die Lochplatte strömt und von dieser in die einzelnen Kühlkanäle innerhalb des Wärmetauschers verteilt wird. Folglich ist zumindest die Vorderseite der Lochplatte einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt, da hier zunächst das heiße und zu kühlende Medium auftrifft. Insbesondere handelt es sich dabei um Abgas nach dem Verbrennungsvorgang.
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Weiterhin besonders bevorzugt ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Anschlussgehäuse das Gehäuse auf einer Außenmantelfläche umfangsseitig umgreift. Mithin weist das Anschlussgehäuse insbesondere einen Flansch auf, in dem das Gehäuse mit einem Teil seiner Außenmantelfläche eingeschoben ist. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Außenmantelfläche durch den Flansch des Anschlussgehäuses in einem Bereich zwischen 2 bis 8 mm, insbesondere von 5 mm umgriffen ist, wobei an dem Ende des Flansches des Anschlussgehäuses das Anschlussgehäuse selbst mit der Außenmantelfläche des Gehäuses verschweißt ist. Hierdurch entsteht eine Kompensationsfläche oder aber Federfläche, die eine stärkere thermische Ausdehnung des Anschlussgehäuses bis zur Schweißnaht kompensiert. Mithin kann sich das Anschlussgehäuse, insbesondere aufgrund der Erwärmung ausdehnen, wobei die Dichtigkeit zwischen Anschlussgehäuse und Gehäuse selber über die Schweißnaht gegeben ist.
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Weiterhin besonders bevorzugt ist zwischen der Wärmetauscherkassette und dem Gehäuse selbst ein Spalt ausgebildet, so dass zum einen das Einschieben der Wärmetauscherkassette in das Gehäuse unter Berücksichtigung von Produktionstoleranzen ermöglicht wird, zum anderen jedoch auch wiederum zwischen Gehäuse und Wärmetauscherkassette unterschiedliche thermische Ausdehnungen ermöglicht werden.
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Weiterhin besonders bevorzugt ist die Wärmetauscherkassette mit dem Lochblech, mit dem Gehäuse und dem Anschlussgehäuse innenliegend zusätzlich verlötet.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher;
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2 eine Seitenansicht mit teilweiser Schnittansicht auf einen erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher und
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3a und b eine Schnittansicht der Fügestelle zwischen Anschlussgehäuse und Gehäuse sowie Detailansicht des Spaltes.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher 1, wobei der Abgaswärmetauscher 1 ein Gehäuse 2 sowie jeweils an den Stirnseiten 3 des Gehäuses 2 ein Verschlussblech 4 sowie ein Anschlussgehäuse 5 aufweist. Das Verschlussblech 4 selbst ist hier in Form einer Verschlusskappe ausgebildet. An dem Anschlussgehäuse 5 selbst sind wiederum Anschlussflansche 6 angeordnet, die mit nicht näher dargestellten Zu- oder Ableitungen zur Einleitung eines ersten Mediums in den Abgaswärmetauscher 1 ausgebildet sind.
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2 zeigt eine Seitenansicht auf den erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher 1, wobei hier gut zuerkennen die Wärmetauscherkassette 7 in dem Gehäuse 2 angeordnet dargestellt ist. Die Wärmetauscherkassette 7 selbst ist dabei aus verschiedenen miteinander verlöteten Blechen 8 ausgebildet und in das Gehäuse 2 eingeschoben. An der Stirnseite 3 ist das Verschlussblech 4 angeordnet und auf der gegenüberliegenden Stirnseite 3 das Anschlussgehäuse 5. Mit dem Gehäuse 2 weiterhin gekoppelt sind Anschlüsse 9 zur Verbindung mit einer Zu- und Abführleitung eines zweiten Mediums.
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Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass das Anschlussgehäuse 5 aber auch das Verschlussblech 4 das Gehäuse 2 an seiner Außenmantelfläche 10 mit einem Flansch 11 umlaufend umgreift. Dies ist gut ersichtlich in 3.
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Der Flansch 11 umgreift dabei die Außenmantelfläche 10 des Gehäuses 2 mit einer Länge a, wobei die Länge a bevorzugt 5 mm beträgt. Sodann ist ein Ende 12 des Flansches 11 mit der Außenmantelfläche 10 über eine umlaufende Schweißnaht 13 gekoppelt. Ausdehnungen des Anschlussgehäuses 5 werden insbesondere in X- und Y-Richtung, dargestellt auf die Bildebene in 3 bezogen, durch das außenumfangsseitige Umgreifen des Gehäuses 2 kompensiert, wobei eine hinreichende Festigkeit sowie druckdichte Koppelung zwischen Außenmantelfläche 10 des Gehäuses 2 sowie dem Flansch 11 des Außengehäuses aufgrund der Schweißnaht 13 sichergestellt ist. Weiterhin gut zu erkennen ist ein Spalt 14, der zwischen der Innenmantelfläche 15 des Flansches 11 sowie der Außenmantelfläche 10 des Gehäuses 2 ausgebildet ist. Der Spalt 14 weist weiterhin einen 90°-Knick 16 auf und verläuft somit in Axialrichtung 17 nicht geradlinig, sodass das strömende Abgas nicht direkt in den Spalt 14 bis zur Schweißnaht 13 strömt, sondern aufgrund des 90°-Knickes 16 in Form einer Labyrinthdichtung hiervon abgehalten wird. Ferner ist ein hier dargestelltes Stirnblech bzw. Lochblech 18 der Wärmetauscherkassette 7 über eine Lotnaht 19 mit der Stirnseite 3 des Gehäuses 2 verlötet. Die Lotnaht 19 ist somit entkoppelt von dem Flansch 11 und dadurch wiederum insbesondere von dem Anschlussgehäuse 5, wobei ein erster Kanal 20 fluiddicht durch Gehäuse 2 und Lochblech 18 sowie in dem Gehäuse 2 nicht näher dargestellte Wärmetauscherkassette 7 oder aber ein Rohrbündel ausgebildet ist und ein zweiter Kanal 21 in dem Anschlussgehäuse 5 sowie die Kassette 7 oder das Rohrbündel durchströmenden Kanälen ausgebildet ist. Der zweite Kanal 21 ist wiederum durch das Anschlussgehäuse 5 sowie die den Flansch 11 mit der Außenmantelfläche 10 des Gehäuses 2 verbindende Schweißnaht 13 fluiddicht verschlossen. Der Flansch 11 übergreift dabei mit der Länge a das stirnseitige Ende 12 des Gehäuses 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgaswärmetauscher
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stirnseite zu 2
- 4
- Verschlussblech
- 5
- Anschlussgehäuse
- 6
- Anschlussflansch
- 7
- Wärmetauscherkassette
- 8
- Blech
- 9
- Anschlüsse
- 10
- Außenmantelfläche zu 2
- 11
- Flansch
- 12
- Ende zu 11
- 13
- Schweißnaht
- 14
- Spalt
- 15
- Innenmantelfläche zu 11
- 16
- Knick
- 17
- Axialrichtung
- 18
- Lochblech
- 19
- Lotnaht
- 20
- erster Kanal
- 21
- zweiter Kanal
- a
- Länge
- X
- Richtung
- Y
- Richtung
