-
Die Erfindung betrifft einen Wickelwärmeübertrager, welcher insbesondere geeignet ist zur Verwendung als Abgaswärmeübertrager in Verbindung mit Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen.
-
Um die aktuellen strengen gesetzlichen Richtlinien und Emissionsvorschriften zu erfüllen muss das Abgas bei der Abgasbehandlung bei modernen Verbrennungsmotoren mit Einsatz bei Kraftfahrzeugen speziell behandelt werden. Dabei wird das Abgas beispielsweise nach dem Motor aus der Abgasstrecke entnommen, gekühlt und der erneuten Verbrennung zugeführt. Die Wärmeübertrager zur thermischen Behandlung des Abgases, insbesondere zur Kühlung des Abgases, werden auch als Abgaswärmeübertrager bezeichnet.
-
Im Stand der Technik werden als Abgaswärmeübertrager Rippenwärmeübertrager eingesetzt, welche von Abgas und Kühlmittel durchströmt werden. Als Kühlmittel wird überwiegend Kühlwasser zur Kühlung des Abgasstromes eingesetzt.
-
Abgaswärmeübertrager nach dem Stand der Technik weisen aus Blech gestanzte oder umgeformte Rippen auf, welche in ein Blechgehäuse eingelegt und mit diesem verlötet werden. Das Abgas durchströmt die Innenseite der Gehäuse mit den Rippen und gibt die Wärme über die Rippen an das Gehäuse ab und das Kühlmittel strömt an der Außenseite der Blechgehäuse entlang und nimmt die Wärme des Abgasstromes auf. Eines oder mehrere dieser Gehäuse übereinander bilden den sogenannten Kühlerkern, der von einem äußeren Gehäuse zur Kühlwasserführung umgeben ist.
-
Weiterhin werden die Wärmeübertrager nach der Art der Abgasströmungsführung unterschieden. So sind beispielsweise die I-Durchströmung, die U-Durchströmung und die S-Durchströmung bei Abgaskühlern bekannt.
-
Außerdem sind im Stand der Technik Abgaswärmeübertrager bekannt, die nicht wie die vorangehend beschriebenen Wärmeübertrager einen viereckigen Querschnitt, sondern einen runden Querschnitt aufweisen. Als Abgaswärmeübertrager mit rundem Querschnitt werden Rohrbündelwärmeübertrager eingesetzt. Die Verwendung eines runden Abgaswärmeübertragers ist zum Beispiel gewünscht bei der Anbindung des Abgaswärmeübertragers an einen Dieselpartikelfilter. Die Wärmetauscherrohre, welche einen runden oder einen ovalen/rechteckigen Querschnitt aufweisen und in hinreichend kleiner Dimension im Vergleich zu dem Gehäuse sind, können derart angeordnet werden, dass der Kühlerquerschnitt gut ausgenutzt wird und eine große Übertragerfläche erzielt werden kann.
-
Auch sind im Stand der Technik Spiralwärmeübertrager bekannt, welche gleichfalls zur Wärmeübertragung zwischen Fluiden allgemein eingesetzt werden. Spiralwärmeübertrager bestehen aus zwei Strömungskanälen, welche durch eine Wand getrennt sind. Diese Wand ist aufgerollt, wonach der Wärmeübertrager jeweils einen Eingang und einen Ausgang am äußeren Gehäuse sowie im inneren Kern besitzt. Üblicherweise sind Spiralwärmeübertrager im Gegenstromprinzip aufgebaut. Das eine Medium fließt spiralförmig von außen nach innen und das zweite Medium gegenströmig von innen nach außen. Ein Spiralwärmetauscher vorgenannter Art geht beispielsweise aus der
EP 1214558 B1 hervor.
-
Weiterhin ist aus der
EP 2251630 B1 ein Spiralwärmetauscher bekannt, der einen Spiralkörper aufweist, der von mindestens zwei Spiralblechen gebildet ist, die gewickelt sind, um den Spiralkörper zu bilden. Die Herstellungsweise derartiger Spiralwärmeübertrager erfolgt durch Wickeln. Nach der Art der Herstellung derartiger Wärmeübertrager werden diese auch als Wickelwärmeübertrager bezeichnet.
-
Die vielfältigen Anforderungen an Abgaswärmeübertrager sind durch den Stand der Technik noch nicht zufriedenstellend gelöst. Ist als Anforderung für einen Abgaswärmeübertrager ein runder Querschnitt gefordert, so ist der derzeitige Stand der Technik mit dem Einsatz eines Rohrbündelwärmeübertragers nicht optimal. Rohrbündelwärmeübertrager sind in der wärmeübertragenden Fläche begrenzt. Die mögliche Übertragerleistung bezogen auf das Volumen, insbesondere auf den Bauraum des Wärmeübertragers, ist häufig nicht ausreichend. In dieser Hinsicht ist das Rippenwärmeübertragerkonzept zu bevorzugen. Dieses bietet eine große Wärmeübertragerfläche bezogen auf das Volumen. Nachteilig dabei ist jedoch die Ausnutzung des Kühlerquerschnitts. Um den Kühlerquerschnitt gut zu nutzen wäre es erforderlich, Rippenkanäle unterschiedlicher Breite einzubringen, welches zu einer großen Anzahl verschiedener Bauteile bei der Fertigung des Wärmeübertragers führen würde. Dieses Konzept führt somit zu einem großen fertigungstechnischen Aufwand, was die Herstellung und Logistik für die Einzelteile betrifft. Diese macht sich entsprechend negativ bei den Kosten bemerkbar. Die Verwendung einer standardisierten Kanalbreite würde die Anzahl unterschiedlicher Bauteile auf das gewohnte Maß reduzieren, die Ausnutzung der Querschnittsfläche wäre jedoch sehr schlecht und sogar schlechter als bei einem Rohrbündelkonzept. Auch ist eine geeignete Kühlmittelführung bei diesem Konzept schwierig bis unmöglich.
-
Das Spiralkühlerkonzept würde prinzipiell einer guten Querschnittsausnutzung nachkommen, allerdings ist die Verwendung von Rippen im Gasstrom schwer realisierbar. Des Weiteren problematisch ist der gasseitige Druckverlust. Der Gasströmungsquerschnitt ist im Verhältnis zum Kühlervolumen klein und die Strömungslänge sehr groß. Einen weiteren Nachteil beinhaltet die Position der Wasser-Gas-Anschlüsse, die nicht mit allgemein bevorzugten Anschlüssen einhergehen. Ein Spiralwärmeübertrager wird somit bevorzugt bei gleichen Medien, insbesondere bei der Wärmeübertragung von Flüssigkeit zu Flüssigkeit, verwendet.
-
Aus der
US 2011/0223067 A1 geht ein Abgaswärmeübertrager in gewickelter Bauform hervor. Der Abgaswärmeübertrager weist mäanderförmig verlegte Rohre auf, die mit quer zur Längsachse verlegten Lamellen verbunden sind. Die Rohre werden dann gewickelt, wodurch das Wärmeübertragerpaket entsteht. Nachteilig an diesem Konzept ist die Realisierung der thermischen Verteilung, welche durch die punktförmigen Kontakte zwischen den Lamellen und den Rohren nur sehr unzureichend gelöst ist.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung eines Abgaswärmeübertragers bezogen auf einen runden Querschnitt zu realisieren und die gasseitige Wärmeübertragung zu verbessern.
-
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Wickelwärmeübertrager gelöst, der als eine Wärmeübertragerspirale aus einem Flüssigkeitsmantel mit Rippen ausgebildet ist, wobei benachbarte Windungen der Spirale des Flüssigkeitsmantels durch die Rippen zueinander beabstandet und wärmeleitend miteinander verbunden sind. Der Flüssigkeitsmantel wird von Flüssigkeit durchströmt, wobei zwischen den benachbarten Windungen der Spirale des Flüssigkeitsmantels das Gas entlang der Wickelachse des Wickelwärmeübertragers quer zur Strömung des Kühlmittels strömt.
-
Bevorzugt wird der Flüssigkeitsmantel des Wickelwärmeübertragers aus einem oberen Blech und einem unteren Blech ausgebildet, wobei die sich gegenüberliegend angeordnet und zueinander beabstandeten Bleche mindestens in den Randbereichen miteinander verbunden sind und somit zwischen den Blechen ein von Flüssigkeit durchströmbarer Raum gebildet wird.
-
Bevorzugt sind die Rippen nur auf einer Seite des Flüssigkeitsmantels, entweder auf der Oberseite oder auf der Unterseite, ausgebildet.
-
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Rippen als Rippenbleche ausbildet, wobei das Rippenblech mit mindestens einer Seite des Flüssigkeitsmantels wärmeleitend verbunden ist.
-
Vorteilhaft weist der Flüssigkeitsmantel einen Flüssigkeitseinlass und einen Flüssigkeitsauslass auf, zwischen denen ein Flüssigkeitsströmungspfad spiralförmig nach innen und nach Umlenkung spiralförmig wieder nach außen verläuft.
-
Bevorzugt ist der Flüssigkeitseinlass und der Flüssigkeitsauslass auf einer Seite und ein Umlenkbereich auf der anderen Seite des Flüssigkeitsmantels angeordnet, wobei der Flüssigkeitsströmungspfad benachbart und in entgegengesetzter Richtung ausgebildet ist.
-
Eine vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung des Flüssigkeitsmantels besteht darin, dass dieser im noch nicht aufgewickelten Zustand mindestens auf einer Seite außerhalb der Biegeebene Vorprägungen aufweist, welche eine Längenreserve des Bleches für das Wickeln der Wärmeübertragerspirale bilden. Unter Vorprägungen sollen Verformungen des Bleches verstanden werden, welche zu einer Längenreserve des Bleches führen. Diese Längenreserve wird bei einer mechanischen Zugbeanspruchung, wie sie beispielsweise beim Wickeln um eine Achse außerhalb der Ebene des Bleches entsteht, freigegeben und das Blech glatt gezogen.
-
Besonders bevorzugt ist die Wärmeübertragerspirale des Wickelwärmeübertragers als archimedische Spirale ausgebildet, wobei im Zentrum der Spirale ein zylinderförmiger Durchströmungsquerschnitt ausbildet ist.
-
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der zylinderförmige Durchströmungsquerschnitt im Zentrum der Spirale mit einem Ventil verschließbar ausgebildet, so dass eine Durchströmung des Gases bei geschlossenem zylinderförmigen Durchströmungsquerschnitt durch den sich in radialer Richtung außen anschließenden Rippenbereich des Wickelwärmeübertragers als Bypass erzwungen wird, wohingegen bei geöffnetem Ventil das Gas wegen des geringeren Druckverlustes überwiegend im zylinderförmigen Durchströmungsquerschnitt strömt und der Wickelwärmeübertragerteil wegen des höheren Strömungswiderstandes durch die Rippen nicht oder nur äußerst gering durchströmt wird.
-
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung besteht bevorzugt darin, dass die Wärmeübertragerspirale als archimedische Spirale im zentralen Ursprung beginnend ausgebildet ist, so dass sich im Inneren kein zylinderförmiger Durchströmungsquerschnitt bildet und das Gas ohne Bypassmöglichkeit den gesamten, durch die Spirale gebildeten Querschnitt durch die zwischen den Windungen des Flüssigkeitsmantels gebildeten Zwischenräumen mit den Rippen des Wickelwärmeübertragers hindurchströmen muss.
-
Vorteilhaft ist dabei der nicht durch Rippen ausgefüllte Bereich des Ursprungs der Spirale im Zentrum mit einer Verschlusskappe verschlossen, um unerwünschte Kurzschlussströmungen zu verhindern.
-
Ein Verfahren zur Herstellung eines Wickelwärmeübertragers vorangehend beschriebener Art ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass ein rechteckiger Flüssigkeitsmantel entlang einer seiner Kanten als Wickelachse um diese herum in Aufrollrichtung gewickelt wird, wobei eine Seite des Flüssigkeitsmantels in der Biegeebene liegt und die andere Seite außerhalb der Biegeebene liegt und dass die Seite außerhalb der Biegeebene gestreckt wird und die Längenreserven der Vorprägungen beim Wickelvorgang dabei freigegeben werden.
-
Die Verwendung eines Wickelwärmeübertragers der vorbeschriebenen Art erfolgt bevorzugt als Abgaswärmeübertrager in Verbindung mit Verbrennungsmotoren für den Einsatz in Kraftfahrzeugen.
-
Nachfolgend wird die Konzeption der Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert. Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht damit in einem aufgerollten Rippenwärmeübertrager, der sich dadurch auszeichnet, dass er kreuzdurchströmt ist. Das Kühlmittel, insbesondere das Kühlwasser, tritt an der Außenhülle in den Kühlmantel ein, fließt spiralförmig bis in das Innere des Kühlers bis zum Ursprung der Spirale, dort fließt es parallel zur Längsachse des Kühlers, welche auch die Wickelachse ist, in den auslaufenden Kühlkanal und dann spiralförmig zurück an die Außenhülle des Kühlers, wo es dann austritt. Das zu kühlende Gas durchströmt den Kühler parallel zur Längsachse, die auch als Wickelachse bezeichnet wird, also quer zum spiralförmigen Kühlmittelstrom. Somit ist der Kühler wie folgt aufgebaut: der Flüssigkeitsmantel besteht vorzugsweise aus einem geprägten Blech und einem ebenen Blech, wobei auch zwei geprägte Bleche eingesetzt werden können. Die Bleche sind vorzugsweise durch eine Lasernaht miteinander verbunden oder aneinandergeheftet und später verlötet und bilden einen Zwischenraum, den Kühlmittelkanal. Ein Rippenblech wird vorzugsweise mit einer Lage Lötfolie auf der Ober- und/oder Unterseite oder mit Lötpaste am Kühlmittelkanal fixiert. Diese geschichteten Komponenten werden aufgerollt, wodurch sich der Kühlerkern ergibt, die Wärmeübertragerspirale. Je nach Kühlwasserstutzendesign beziehungsweise Endgeometrie des Kühlers ist ein Abschlussblech erforderlich. Weiterhin ist es von Nutzen, eine Verschlusskappe im inneren Auslauf des Kühlers zu platzieren, um dort ein Strömen des Abgases in einem nicht berippten Bereich zu verhindern, welcher sich im Ursprung der Spirale ergibt. Um das Zentrum des Wärmeübertragers, den Bereich des Ursprungs der Spirale, besser auszunutzen, wird alternativ auch das untere Blech am Ende verformt. Der Kühlmittelkanal wird im Ursprung aufgeweitet, um den nicht berippten Bereich zu verkleinern und die Verschlusskappe dadurch gegebenenfalls gänzlich wegfallen zu lassen. Somit kann die Rippe weiter bis in das Zentrum reichen und es ergibt sich für den Kühlmittelumlenkbereich ein größerer Querschnitt. Komplettiert wird der Kühler mit einem Einlasstrichter und einem Auslasstrichter beziehungsweise anderen gewünschten Elementen, wie zum Beispiel Haltern und Ähnlichem. Alle Verbindungsstellen werden mit Lötpaste beziehungsweise mit Lötfolie bestückt und verlötet. Das Wickelverfahren besteht insbesondere darin, den gewickelten Kühlerkern zu erstellen. Um die geschichteten Komponenten nicht zu zerstören beziehungsweise zu verrutschen, ist es sinnvoll, eine geeignete neutrale Biegefaser und in der Länge somit eine sogenannte Biegeebene festzulegen, die vorzugsweise in der Verbindungsnaht des Wassermantels liegt, da hier nach dem Biegen keine Scherspannungen auftreten. Dies ist ein wichtiger Punkt, die Kühlmitteldichtheit zu garantieren. Je weiter das Material von der neutralen Biegelinie entfernt ist, desto höher sind die Spannungen die beim Wickeln auftreten. Kritisch ist daher das nicht in der Biegeebene liegende Blech, welches sich auf der Außenseite auslängen muss. Daher ist mindestens dieses nicht in der Biegeebene liegende Blech vorteilhaft in geeigneten Abständen durch geeignete Vorprägungen, die in Tiefe und Abstand mit dem späteren Biegeradius korrelieren, versehen. Diese Vorprägungen ziehen sich durch das Aufrollen heraus und der Kühlmittelmantel ist im aufgerollten Zustand von beiden Seiten glatt. Das Rippenblech, vorzugsweise ein Wellblech, ist bezüglich der Aufrollrichtung wenig biegesteif und schiebt und rückt sich in Position. Der Wärmeübertrager ist bezüglich seiner Rippen auf der Oberseite und Unterseite zwecks Wärmeübertragung verlötet. Die Rippe wird in ein Gehäuse eingelegt, welches vorher mit Lötpaste bestrichen ist oder flächig jeweils eine Lötfolie eingelegt ist. Dieser Aufbau wird mit Schweißpunkten fixiert. Die gesamte mit Lot ausgestattete und fixierte Kühlerbaugruppe wird dann in einem Lötvorgang komplett verlötet. Dabei entsteht eine Lötverbindung durch Lotpaste oder Lotfolie oberhalb und unterhalb der Rippe zum Flüssigkeitsmantel. Der Flüssigkeitsmantel wird an den Kontaktstellen der beiden Bleche komplett verschweißt, wobei die Trennung des Hin- und Rücklaufes über die Verschweißung von oben durch das Material des einen Bleches hindurch erfolgt. Alternativ werden die Bleche mit ausreichend Lot versehen und hinreichend fixiert aufgerollt und die dichte Verbindung ergibt sich dann im Lötprozess. Bezüglich der Lageänderung der einzelnen Schichten des Aufbaus beim Wickelprozess, dem Verrutschen, ist anzumerken, dass je nach Entfernung zur neutralen Biegefaser sich aufgrund eines anderen Radius' eine andere abgerollte Länge ergibt. Im abgerollten Zustand weist die Rippe somit eine andere Länge auf als der Flüssigkeitsmantel. Dieser Längenunterschied gleicht sich dann im Wickelprozess aus. Die einzelnen Lagen dürfen folglich vor dem Wickelprozess nur im Wickelzentrum, dem Ursprung der Spirale, fixiert sein. Dies gilt auch für die Lötfolien, soweit solche verwendet werden. Der Flüssigkeitsmantel wird nach einer bevorzugten Ausgestaltung als eine Lage angesehen und ist vor dem Wickelprozess komplett verschweißt und mit den Vorprägungen an die Längenänderungen angepasst. Alternativ dazu kann der Flüssigkeitsmantel aus den beiden Blechen aufgerollt und anschließend verlötet werden.
-
Eine weitere erfindungsgemäße Realisierung des Konzeptes des Wickelwärmeübertragers ist ein Wärmerückgewinnungssystem im Abgasstrang. Nach dem Stand der Technik ist ein zum Abgassystem parallel verlaufender Wärmeübertrager vorgesehen, der wahlweise durchströmt werden kann. Ein Ventil schaltet den Abgasmassestrom um, so dass entweder das normale Abgasrohr oder der Wärmeübertrager durchströmt wird. Dadurch wird das Kühlmittel, beispielsweise beim Start des Motors in kaltem Zustand, aufgeheizt, um den Motor schnell auf Betriebstemperatur zu erwärmen. Vorteilhaft wird dazu um ein gerades Rohr herum, welches dem verwendeten Abgasrohr im Durchmesser entspricht, ein Wickelwärmeübertrager ausgebildet. Der Wärmeübertragerkern wird zu beiden Seiten mit Ein- und Auslasstrichter verbunden, die in das verwendete Abgasrohr münden. Somit ergeben sich zwei Strömungspfade. Zum einen durch das innere Abgasrohr und zum anderen durch den äußeren, rippenbestückten, gewickelten Querschnitt. Geschaltet wird der Abgasmassenstrom durch ein Ventil, welches im geschlossenen Zustand den Abgasstrom in den Bypass durch den rippenbestückten Querschnitt leitet.
-
Mit der Erfindung werden diverse vorteilhafte Wirkungen erreicht. Zum ersten kann der zur Verfügung stehende runde Querschnitt optimal für die Wärmeübertragungsaufgabe ausgenutzt werden. Die Wärmeübertragerleistung wird verbessert und der Druckverlust eines solchen Wärmeübertragers ist minimal. Weiterhin kann der Einsatz von Material verringert werden bei gleicher Kühlleistung, welches Ressourcen auch bei der Herstellung schont. Ein geringeres Gewicht kann erzielt werden, welches das Fahrzeuggewicht und somit die zu bewegende Masse verringert und insgesamt zur Einsparung von Kraftstoff und Emissionen führt. Nicht zuletzt ergeben sich Kosteneinsparungen durch den Aufbau der Komponenten aus weniger Bauteilen und insbesondere weniger verschiedenen Bauteilen und einem kleineren Bauraum durch die Möglichkeit, einen kleineren Kühler bei gleicher Kühlleistung zu verwenden.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
1: Wickelwärmeübertrager in perspektivischer Ansicht,
-
2: Wärmeübertragerspirale eines als Wickelwärmeübertrager ausgeführten Abgaswärmeübertragers,
-
3: Querschnitt einer Wärmeübertragerspirale in Gasdurchströmungsrichtung,
-
4A: Flüssigkeitsmantel im noch nicht gewickelten Zustand,
-
4B: Flüssigkeitsmantel mit quer zur Wickelrichtung angeordneten Vorprägungen,
-
4C: Flüssigkeitsmantel im Längsschnitt,
-
4D: Flüssigkeitsmantel im Längsschnitt im Detail,
-
5A: Bypasswärmeübertrager für ein Abgaswärmeübertragungsrückgewinnungssystem im Längsschnitt bei geschlossenem Ventil,
-
5B: Bypasswärmeübertrager mit geöffnetem Ventil,
-
6A: Bypasswärmeübertrager in perspektivischer Darstellung mit Einbindung in das Abgasrohr und
-
6B: Wärmeübertragerspirale und zylinderförmiger Durchströmungsquerschnitt im Inneren eines Bypasswärmeübertragers.
-
In 1 ist ein Abgaswärmeübertrager 1 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Der Abgaswärmeübertrager 1 besteht im Wesentlichen aus einer Wärmeübertragerspirale 4, die mit einem Einlasstrichter 2 auf der einen und mit einem Auslasstrichter 3 auf der anderen Seite in der Strömungsrichtung des Gases verbunden ist. Am Ende des Einlasstrichters 2 ist der Gaseinlass 5 und am gegenüberliegenden Ende des Auslasstrichters 3 befindet sich entsprechend der Gasauslass 6 aus dem Abgaswärmeübertrager 1. Die Wärmeübertragerspirale 4 geht endseitig außen über in den Flüssigkeitseinlass 7 und den Flüssigkeitsauslass 8. In der perspektivischen Darstellung ist durch den Gaseinlass 5 hindurch der Querschnitt der Wärmeübertragerspirale 4, angedeutet durch die erkennbaren Rippen oder Lamellen 9, welche zwischen den spiralförmigen Windungen des Flüssigkeitsmantels 10 angeordnet sind und die spiralförmigen Windungen beabstanden.
-
In 2 ist die Wärmeübertragerspirale 4 des Abgaswärmeübertragers 1 ohne die begrenzenden Einlass- und Auslassstutzen für das Gas dargestellt, wodurch in dieser Ansicht der Querschnitt der Wärmeübertragerspirale 4 detaillierter erkennbar ist. In der gezeigten Ausgestaltung sind die Rippen als Rippenblech 12 ausgeführt, welches auf einer Seite des Flüssigkeitsmantels 10 angeordnet und mit aufgewickelt ist. Der Flüssigkeitseinlass 7 ist am Ende zum Anschluss an das Kühlmittelsystem rohrförmig ausgebildet, wie auch der Flüssigkeitsauslass 8. Ein Abschlussblech 11 begrenzt den Strömungsraum für das Gas am Umfangsende der Spirale außen.
-
In 3 ist der Querschnitt der Wärmeübertragerspirale 4 dargestellt. Somit liegen der Flüssigkeitseinlass 7 und der Flüssigkeitsauslass 8 in einer Ebene. Das Abschlussblech 11 begrenzt den Strömungsraum für das Gas am äußeren Umfang der Wärmeübertragerspirale 4. Das Rippenblech 12 ist wärmeleitend mit dem Flüssigkeitsmantel 10 verbunden, wobei das andere Ende der Rippen mit der nächsten Windung der Spirale auf der anderen Seite des Flüssigkeitsmantels 10 thermisch kontaktiert ist. Im Ursprung der Spirale ist ein zentraler Bereich fertigungstechnisch ohne Rippenblech 12 gebildet, welcher eine Kurzschlussströmung des Gases ohne Durchströmung der Lamellen verursachen würde. Um dies zu verhindern, ist eine Verschlusskappe 13 vorgesehen, welche diesen Querschnitt für das Gas verschließt, sodass das Gas zwischen den Windungen des Flüssigkeitsmantels 10 durch die Rippen oder Lamellen des Rippenbleches 12 hindurch strömen muss.
-
In 4a ist ein Flüssigkeitsmantel 10 in abgerolltem Zustand dargestellt. In der gezeigten Ausgestaltung wird der Flüssigkeitsströmungspfad 14 entlang der Längsrichtung der rechteckigen Ausbildung des Flüssigkeitsmantels 10 vom Flüssigkeitseinlass 7 hin zum Umlenkbereich 25 und zurück zum Flüssigkeitsauslass 8 gebildet. Die Strömungsbereiche vom Einlass zum Umlenkbereich und vom Umlenkbereich zum Auslassbereich verlaufen dabei parallel und in entgegengesetzter Richtung.
-
In 4b ist der Flüssigkeitsmantel 10 mit Vorprägungen 15 auf der oberen Seite dargestellt. Die Vorprägungen 15 sind quer zur in 4c dargestellten Aufrollrichtung 16 ausgeführt und es ergeben sich durch die Vorprägungen 15 Längenreserven der oberen Seite des entsprechend vorgeprägten Bleches.
-
In 4c ist mit dem Pfeil die Aufrollrichtung 16 angedeutet. Das Wickeln der Wärmeübertragerspirale erfolgt vom dem Flüssigkeitsein- und -auslass 7, 8 gegenüberliegenden Ende.
-
In 4d ist der Flüssigkeitsmantel 10 im Bereich des Flüssigkeitsein- und -auslasses 7, 8 vergrößert dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung ist der Aufbau des Flüssigkeitsmantels 10 aus einem oberen Blech 17 und einem unteren Blech 18 detailliert erkennbar. Das untere Blech 18 ist in der neutralen Biegeebene 19 angeordnet und auf der unteren Seite mit dem Rippenblech 12 mit den Rippen 9 verbunden. Das obere Blech 17, welches außerhalb der Biegeebene liegt, ist mit den Vorprägungen 15 versehen, welche eine Längenreserve für den Wickelvorgang bilden. Durch das Vorsehen der Vorprägungen 15 erfolgt eine Streckung in Umfangsrichtung des oberen Bleches 17 in der Weise, dass die Längenreserve der Vorprägung 15 beim Wickelvorgang freigegeben wird und es zu keiner Materialschwächung durch eine Dehnung des oberen Bleches 17 kommt. Im Zwischenraum zwischen dem oberen Blech 17 und dem unteren Blech 18 ist der Flüssigkeitsströmungspfad ausgebildet.
-
In 5a ist eine Ausgestaltungsform des Wickelwärmeübertragers als Bypasswärmeübertrager 20 für ein Abgaswärmerückgewinnungssystem dargestellt, wobei 5a einen Längsschnitt des Bypasswärmeübertragers 20 mit geschlossenem Ventil 23 zeigt. Der Bypasswärmeübertrager 20 wird im Wesentlichen gebildet durch eine Wärmeübertragerspirale 4, die von einem Einlasstrichter 2 und einem Auslasstrichter 3 für das Gas begrenzt ist. Die Wärmeübertragerspirale 4 weist wie bekannt einen Flüssigkeitseinlass 7 und einen Flüssigkeitsauslass 8 auf. Der Flüssigkeitsmantel 10 der Wärmeübertragerspirale 4 mit den Rippen 9 ist jedoch nicht spiralförmig bis zum Ursprung im Zentrum hin ausgebildet, sondern die Spirale bildet in ihrem Zentrum einen zylinderförmigen Durchströmungsquerschnitt 26. Dieser zylinderförmige Durchströmungsquerschnitt 26 ist durch ein Ventil 23 absperrbar ausgebildet, sodass der Gasströmungspfad 21 bei abgesperrtem inneren Durchströmungsquerschnitt 26 durch die Zwischenräume der Windungen des Flüssigkeitsmantels 10 und somit um die Rippe 9 herum strömt und in Wärmekontakt mit dem Kühlmittel des Flüssigkeitsmantels 10 tritt. Die Einlass- und Auslasstrichter 2, 3 sind jeweils an das Abgasrohr 22 angeschlossen und bevorzugt ist das innere des zylinderförmigen Durchströmungsquerschnittes 26 in der gleichen Dimension wie der Durchströmungsquerschnitt des Abgasrohres 22 ausgeführt.
-
In 5b ist der Bypasswärmeübertrager 20 in geöffneter Stellung des Ventils 23 dargestellt, sodass der Gasströmungspfad 21 den zylinderförmigen Durchströmungsquerschnitt 26 bevorzugt durchströmt, da dieser einen geringeren Druckverlust im Vergleich zur Durchströmung der Windungszwischenräume mit Umströmung der Rippen 9 verursacht. Ein typischer Einsatzfall für den Bypasswärmeübertrager 20 in der Funktionsstellung gemäß 5a ist die Aufwärmphase für den Motor zu Beginn des Betriebes. Um den Motor schnellstmöglich auf Betriebstemperatur zu bringen, wird die Wärme des Abgasstromes durch den Kühlmittelkreislauf des Motors aufgenommen und an den Motor abgegeben. Im laufenden Betrieb wird dann nach Erreichen der Betriebstemperatur der zentrale zylinderförmige Durchströmungsquerschnitt 26 durch Öffnung des Ventils 23 gemäß 5b freigegeben und der Kühlmittelkreislauf wird nicht weiter erwärmt.
-
In 6a ist ein Bypasswärmeübertrager 20 in perspektivischer Darstellung gezeigt, wobei die Einbindung des Bypasswärmeübertragers 20 in das Abgasrohr 22 zu beiden Seiten der Wärmeübertragerspirale 4 dargestellt ist. Das Ventil 23 ist schematisch angedeutet im Bereich des Einlasses des Gases in den Bypasswärmeübertrager 20 angeordnet.
-
In 6b ist die Wärmeübertragerspirale 4 separat perspektivisch dargestellt und der zylinderförmige Durchströmungsquerschnitt 26 wird konstruktiv gebildet durch eine Begrenzung des Anlagestutzens 24 für das Ventil 23, um einen effektiven Verschluss des zylinderförmigen Durchströmungsquerschnittes 26 durch das Ventil 23 zu ermöglichen. Die Strömung des Gases erfolgt bei geschlossenem zylinderförmigen Durchströmungsquerschnitt 26 durch die Rippen 9 hindurch, wobei das Abgas Wärme an den Flüssigkeitskreislauf abgibt. Die Wärmeübertragerspirale 4 ist über den Flüssigkeitseinlass 7 und den Flüssigkeitsauslass 8 in den Motorkühlkreislauf des Fahrzeuges eingebunden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Abgaswärmeübertrager
- 2
- Einlasstrichter
- 3
- Auslasstrichter
- 4
- Wärmeübertragerspirale
- 5
- Gaseinlass
- 6
- Gasauslass
- 7
- Flüssigkeitseinlass
- 8
- Flüssigkeitsauslass
- 9
- Rippen, Lamellen
- 10
- Flüssigkeitsmantel
- 11
- Abschlussblech
- 12
- Rippenblech
- 13
- Verschlusskappe
- 14
- Flüssigkeitsströmungspfad
- 15
- Vorprägung
- 16
- Aufrollrichtung
- 17
- Oberes Blech
- 18
- Unteres Blech
- 19
- Neutrale Biegeebene
- 20
- Bypasswärmeübertrager
- 21
- Gasströmungspfad
- 22
- Abgasrohr
- 23
- Ventil
- 24
- Anlagestutzen
- 25
- Umlenkbereich
- 26
- zylinderförmiger Durchströmungsquerschnitt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1214558 B1 [0007]
- EP 2251630 B1 [0008]
- US 2011/0223067 A1 [0011]
