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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem rohrförmigen Gehäuse, einem Flanschring, zwei Böden und Flachrohren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Wärmeübertrager.
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Aus der
DE 10 2014 225 159 A1 ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager mit einem rohrförmigen Gehäuse, zwei Böden und Flachrohren bekannt, die durch das Gehäuse verlaufen und jeweils längsendseitig in langlochartigen Durchgangsöffnungen in den Böden gehalten sind. In den Flachrohren ist ein erster Strömungskanal und zwischen den Flachrohren und dem Gehäuse ein zweiter Strömungskanal ausgebildet. Das Gehäuse ist aus zwei, jeweils einstückigen und topfförmigen Gehäuseteilen gebildet ist.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern ist jedoch, dass deren Leistungsfähigkeit aufgrund eines fertigungstechnisch zwischen zwei benachbarten Flachrohren des Wärmeübertragers einzuhaltenden Minimalabstands begrenzt war, sodass die aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertrager üblicherweise ausschließlich für Diesel-Brennkraftmaschinen, nicht jedoch für Ottomotoren einsetzbar waren.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine höhere Leistung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen bislang bekannten Wärmeübertrager derart zu modifizieren, dass dieser eine deutlich höhere Leistung, insbesondere Kühlleistung, aufweist und dadurch auch für den Einsatz in leistungsstarken Ottomotoren geeignet ist. Die höhere Leistungsfähigkeit wird dabei durch enger zueinander beabstandete Flachrohre bewirkt, wodurch sich eine höhere Strömungsgeschwindigkeit eines Kühlmediums und damit die verbesserte Kühlleistung ergeben. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager besitzt dabei ein rohrförmiges Gehäuse mit zwei gegenüberliegenden Böden und dazwischen angeordneten Flachrohren, welche durch das Gehäuse verlaufen und jeweils längsendseitig in langlochartigen Durchgangsöffnungen in den Böden gehalten sind. Die Flachrohre greifen dabei formschlüssig in die Durchgangsöffnungen der Böden ein und sind üblicherweise darin verlötet. In den Flachrohren verläuft dabei ein erster Strömungskanal, beispielsweise für Abgas, während zwischen den Flachrohren und dem Gehäuse ein zweiter Strömungskanal verläuft, beispielsweise für ein Kühlmittel. Das Gehäuse ist aus zwei, jeweils einstückigen und topfförmigen Gehäuseteilen gebildet, von denen jedes Gehäuseteil einen Gehäuseabschnitt, einen Flanschringabschnitt sowie einen Boden aufweist und wobei diese beiden Gehäuseteile über die beiden Flanschringabschnitte miteinander verbindbar bzw. verbunden sind. Zwischen den einzelnen Durchgangsöffnungen in den jeweiligen Böden sind Stege angeordnet, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass eine Steghöhe ds zwischen zwei benachbarten Durchgangsöffnungen kleiner als 1,5 mm ist. 1,5 mm stellte dabei die bislang minimal prozesssicher herstellbare Steghöhe dar, wobei durch die erfindungsgemäße Verringerung der Steghöhe ds der zwischen den einzelnen Flachrohren verbleibende Strömungsquerschnitt für den zweiten Strömungskanal reduziert und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums dort erhöht wird, wodurch die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers gesteigert werden kann. Durch die höhere Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist dieser erstmals auch für Ottomotoren, d. h. Benzinmotoren, geeignet.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers liegt eine Steghöhe ds zwischen 1,0 mm und 1,3 mm. 1,0 mm stellt dabei einen Zielwert dar, der im Vergleich zu 1,5 mm und sogar im Vergleich zu 1,3 mm eine nochmalige deutliche Reduzierung des Querschnitts des zweiten Strömungskanals zwischen den einzelnen Flachrohren und darüber eine deutliche Erhöhung der dortigen Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht.
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Erst in Versuchen hat sich gezeigt, dass derartig dünne Stege herstellbar sind, was bislang nicht für möglich gehalten wurde. Zudem ist nun auch ein Einsatz in Ottomotoren mit Temperaturen von bis zu 1.100 °C möglich.
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Zweckmäßig weisen die Flachrohre eine Höhe dF zwischen 3,0 mm und 3,5 mm, insbesondere von ca. 3,2 mm, und eine Breite bF von zwischen 13,0 mm und 14,0 mm, insbesondere von ca. 13,75 mm auf. Bisher wurden in aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern Flachrohre mit einem Querschnitt von 13,5 mm x 4,0 mm eingesetzt, sodass mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Flachrohren eine Querschnittsreduzierung der Flachrohre erreicht werden kann, wodurch mehr Flachrohre angeordnet werden können und wodurch die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers steigt. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass in Bezug auf den Strömungsquerschnitt des jeweiligen Flachrohrs eine deutlich größere Oberfläche zum Wärmetausch zur Verfügung gestellt werden kann, wodurch sich die Kühlleistung ebenfalls erhöht.
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Zweckmäßig ist der Wärmeübertrager zumindest teilweise aus Edelstahl ausgebildet. Eine Ausbildung des Wärmeübertragers aus Edelstahl bietet den großen Vorteil, dass dieser insbesondere beim Einsatz als Abgaswärmeübertrager sowohl beständig gegenüber Korrosion als auch gegenüber aggressiven Abgasen ist. Hierdurch kann insbesondere auch die Lebensdauer des Wärmeübertragers deutlich verlängert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist eine Filtereinrichtung mit einem Filterelement und einem ringförmigen Rand vorgesehen, wobei der ringförmige Rand an einem Gehäuseabschnitt eines zugehörigen Gehäuseteils anliegt und das Filterelement die Durchgangsöffnungen überdeckt. Das Filterelement ist in diesem Fall kreisartig ausgebildet, wobei der ringförmige Rand im Wesentlichen orthogonal zu dem Filterelement absteht und sich dadurch eine Ausgestaltung der Filtereinrichtung ergibt, die ein einfaches Aufschieben der Filtereinrichtung auf den Boden bzw. den Gehäuseabschnitt des jeweils zugehörigen Gehäuseteils ermöglicht. Hierdurch sind insbesondere auch eine einfache Montage sowie Demontage möglich.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist an dem ringförmigen Rand der Filtereinrichtung zumindest eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Lasche mit einer Fase an einem freien Ende und einer sich an die Fase anschließenden Öffnung angeordnet. An dem Gehäuseabschnitt des Gehäuseteils ist hierbei zumindest eine Erhebung, beispielsweise eine noppenartige Erhebung, vorgesehen, die bei an dem Gehäuseteil montierter Filtereinrichtung in eine zugehörige Öffnung der Lasche eingreift. Dadurch kann beispielsweise eine Formschlussverbindung zwischen der Filtereinrichtung und dem Gehäuseteil geschaffen werden, die nicht nur eine zuverlässige Fixierung der Filtereinrichtung an dem Gehäuseteil ermöglicht, sondern ebenfalls eine vergleichsweise einfache Montage und Demontage der Filtereinrichtung am/vom Gehäuseteil. Die Fase kann dabei schnaupenartig ausgebildet sein, wobei eine Montage der Filtereinrichtung auf dem jeweiligen Gehäuseteil vorzugsweise so erfolgt, dass diese zunächst in Axialrichtung auf das Gehäuseteil aufgeschoben wird, bis das Filterelement am Boden des zugehörigen Gehäuseteils anliegt. Eine Drehwinkellage der Filtereinrichtung relativ zum Gehäuseteil ist dabei so gewählt, dass die Erhebung am Gehäuseteil am freien Ende der zugehörigen Lasche in Axialrichtung bis zur Höhe der schnaupenartigen Fase gelangt. Anschließend wird die Filtereinrichtung relativ zum Gehäuseteil verdreht und damit die Lasche mit der Fase über die Erhebung geschoben, bis die Erhebung anschließend in die Öffnung der Lasche eingreift und die Lasche zurück an den Gehäuseabschnitt des Gehäuseteils federt. Die gehäuseteilseitige Erhebung greift dabei vorzugsweise formschlüssig in die Öffnung an der jeweiligen Lasche ein und fixiert dadurch die Filtereinrichtung am Gehäuseteil. Soll die Filtereinrichtung wieder vom Gehäuseteil gelöst werden, so ist zunächst ein Anheben der zumindest einen Lasche nach außen erforderlich, um die Öffnung über die Erhebung zu bewegen und ein Verdrehen der Filtereinrichtung relativ zum Gehäuseteil bzw. ein Abziehen der Filtereinrichtung vom Gehäuseteil zu ermöglichen. Mit der Lasche samt Öffnung und der gehäuseteilseitigen Erhebung kann eine vergleichsweise einfache und zuverlässige Fixierung der Filtereinrichtung am Gehäuseteil ermöglicht werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist an dem Boden zumindest eine Positionierkontur angeordnet. Eine derartige Positionierkontur kann, weiß in der Art einer noppenförmigen Erhebung oder Vertiefung ausgebildet sein und dient der Orientierung beim Prozess der Blockfertigung. Hierdurch wir eine Verdrehung verhindert, sodass die Flachrohre prozesssicher in die entsprechend ausgestanzten Durchgangsöffnungen am Boden eingeführt werden können.
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Zweckmäßig ist zumindest eines der Gehäuseteile als umgeformtes Blechstanzteil ausgebildet und insbesondere durch Tiefziehen hergestellt. Neben dem Vermeiden der Fügestellen sollen die einzelnen Gehäuseteile selbstverständlich auch qualitativ hochwertig und kostengünstig herstellbar sein, was insbesondere dadurch erreicht werden kann, dass diese als umgeformte Blechstanzteile hergestellt werden. Die topfförmige Gestalt des jeweiligen Gehäuseteils kann dabei insbesondere durch ein Tiefziehen erreicht werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers sind die beiden Gehäuseteile über eine Clipsverbindung aneinander fixiert. Eine derartige Clipsverbindung ermöglicht eine vergleichsweise schnelle Montage der beiden Gehäuseteile aneinander sowie auch ein vergleichsweise einfaches Lösen der beiden Gehäuseteile voneinander, insbesondere beispielsweise im Vergleich zu einer Verschraubung. Die die Clipsverbindung bildenden Rastelemente können dabei einstückig mit dem jeweiligen Flanschringabschnitt des Gehäuseteils ausgebildet und dadurch fertigungstechnisch einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Zweckmäßig steht zumindest eines der Clipselemente in Axialrichtung von dem zugehörigen Flanschringabschnitt ab und bildet eine Verdrehsicherung, die ein verdrehsicheres und hinsichtlich einer Einbauendlage eindeutiges Anbringen des Wärmeübertragers, beispielsweise an einer Brennkraftmaschine erzwingen. Eine derartige Verdrehsicherung verhindert somit ein unerwünschtes Verdrehen des jeweiligen Gehäuseteils, wodurch beispielsweise ein zuverlässiges Abfließen von Kondensat aus dem Wärmeübertrager erfolgen kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine perspektivische Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
- 2 eine Frontalansicht auf einen Boden des Wärmeübertragers,
- 3 eine weitere Ansicht auf den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager ohne Filtereinrichtung,
- 4 eine Ansicht auf den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit darauf angeordneter Filtereinrichtung,
- 5 eine Detaildarstellung des Wärmeübertragers im Bereich einer Clipsverbindung zwischen der Filtereinrichtung und einem zugehörigen Gehäuseabschnitt des Wärmeübertragers.
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Entsprechend den 1 und 4 weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1, der beispielsweise als Abgaswärmeübertrager ausgebildet sein kann, ein rohrförmiges Gehäuse 2 mit einem Flanschring 3 sowie zwei Böden 4 und Flachrohre 5 auf, die durch das Gehäuse 2 verlaufen und jeweils längsendseitig in langlochartigen Durchgangsöffnungen 6 in den Böden 4 gehalten sind. In den Flachrohren 5 verläuft dabei ein erster Strömungskanal, während zwischen den Flachrohren 5 und dem Gehäuse 2 ein zweiter Strömungskanal ausgebildet ist.
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Das Gehäuse 2 ist dabei aus zwei, jeweils einstückig und topfförmig ausgebildeten Gehäuseteilen 7, 8 zusammengesetzt, von denen jedes Gehäuseteil 7, 8 einen Gehäuseabschnitt 9, einen Flanschringabschnitt 10 sowie einen Boden 4 aufweist und wobei die beiden Gehäuseteile 7, 8 über die beiden Flanschringabschnitte 10 miteinander verbindbar bzw. verbunden sind. Gemäß den 1 bis 5 ist dabei lediglich einer der Böden 4, hier am Gehäuseteil 8 detaillierter beschrieben.
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Am Gehäuseteils 7 ist für die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 als Abgaskühler ein Abgasaustritt 11, ein Kühlmitteleintritt 12 sowie ein Kühlmittelaustritt 13 vorgesehen. Der Abgaseintritt erfolgt dabei entsprechend dem Pfeil 14, also im Wesentlichen in Axialrichtung des Gehäuses 2.
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Zwischen den einzelnen Durchgangsöffnungen 6 sind Stege 15 (vergleiche insbesondere 2) angeordnet, die zwei benachbarte in den jeweils zugehörigen Durchgangsöffnungen 6 angeordnete Flachrohre 5 voneinander beabstanden. Üblicherweise wurden diese Stege 15 bislang mit einer minimalen Steghöhe ds von größer als 1,5 mm ausgebildet, da diese dünner fertigungstechnisch nicht herzustellen waren. Erfindungsgemäß ist nun die Steghöhe ds zwischen zwei benachbarten Durchgangsöffnungen 6 kleiner als 1,5 mm, vorzugsweise sogar kleiner als 1,3 mm, wodurch die einzelnen Flachrohre 5 dichter nebeneinander angeordnet und insbesondere auch ein zur Verfügung stehender Strömungsquerschnitt zwischen zwei benachbarten Flachrohren 5 verkleinert werden kann. Durch den verkleinerten Strömungsquerschnitt erfolgt in diesem Bereich eine höhere Kühlmittelströmung, wodurch der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 eine höhere Leistung aufweist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Steghöhe ds zwischen zwei benachbarten Durchgangsöffnungen 6 bei lediglich noch ca. 1 mm, wodurch eine nochmalige Leistungssteigerung möglich ist.
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Durch die deutlich verbesserte Kühlleistung kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 nun erstmals auch in Ottomotoren, d. h. in Benzinmotoren, eingesetzt werden, was so bislang nicht möglich war.
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Die in dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 eingesetzten Flachrohre 5 besitzen darüber hinaus eine Höhe dF zwischen 3,0 mm und 3,5 mm, insbesondere ca. 3,2 mm und eine Breite bF von zwischen 13,0 mm und 14,0 mm, insbesondere von ca. 13,75 mm aufweisen, wodurch diese im Vergleich zu bei aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern eingesetzten Flachrohren, die eine Höhe dF von ca. 4,0 mm und eine Breite bF von ca. 13,5 mm aufweisen, einen deutlich kleineren inneren Strömungsquerschnitt besitzen. Die Dicke bzw. Wandstärke der Flachrohre beträgt 0,2 mm - 0,4 mm. Durch die Reduzierung des Querschnitts im ersten Strömungskanal, d. h. beispielsweise für Abgas, steht in Bezug auf die Querschnittsfläche des ersten Strömungskanals deutlich mehr Oberfläche für einen Wärmeübertrag zur Verfügung, wodurch die Kühlleistung des Wärmeübertragers 1 ebenfalls gesteigert werden kann.
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Der Wärmeübertrager 1 ist dabei zumindest teilweise aus Edelstahl ausgebildet, was insbesondere Vorteile hinsichtlich einer Korrosionsbeständigkeit mit sich bringt, ebenso wie hinsichtlich einer Beständigkeit gegenüber aggressiven Abgasen.
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Zumindest eines der beiden Gehäuseteile 7, 8 ist dabei als umgeformtes Blechstanzteil ausgebildet und durch Tiefziehen hergestellt. Hierdurch ist nicht nur ein fertigungstechnisch einfaches, sondern zugleich auch qualitativ hochwertiges und kostengünstiges Herstellen möglich.
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Betrachtet man die 4 und 5, so kann man erkennen, dass an dem Gehäuseteil 8 eine Filtereinrichtung 16 mit einem Filterelement 17 und einem ringförmigen Rand 18 angeordnet ist, wobei der ringförmige Rand 18 an dem Gehäuseabschnitt 9 des zugehörigen Gehäuseteils 8 anliegt und das Filterelement 17 die Durchgangsöffnungen 6 überdeckt. Hierdurch ist eine Filtration des durch die Flachrohre 5 strömenden Abgasstroms möglich.
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An dem ringförmigen Rand 18 der Filtereinrichtung 16 ist zumindest eine sich in Umfangsrichtung 19 erstreckende Lasche 20 mit einer Fase 21 an einem freien Ende derselben und einer sich an die Fase 21 anschließenden Öffnung 22 vorgesehen (vergleiche insbesondere 5). An dem Gehäuseabschnitt 9 des Gehäuseteils 8 ist zumindest eine Erhebung 23 angeordnet, die bei an dem Gehäuseteil 8 montierter Filtereinrichtung 16 in die zugehörige Öffnung 22 der Lasche 20 eingreift. Insgesamt sind dabei bei den gemäß den 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen der Filtereinrichtung 16 insgesamt 4 Laschen vorgesehen.
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Eine Montage der Filtereinrichtung 16 auf dem Gehäuseteil 8 des Wärmeübertragers 1 erfolgt dabei wie folgt:
- Zunächst wird die Filtereinrichtung 16 in Axialrichtung (entsprechend dem Pfeil 14 in 1) auf den Gehäuseabschnitt 9 des Gehäuseteils 8 aufgeschoben und zwar derart, dass die gehäuseteilseitigen Erhebungen 23 in Axialrichtung fluchtend zu Aussparungen 24 am Rand 18 der Filtereinrichtung 16 liegen. Ist die Filtereinrichtung 16 vollständig auf den Gehäuseabschnitten 9 aufgeschoben, erfolgt ein Verdrehen der Feldeinrichtung 16 relativ zum Gehäuseteil 8, woraufhin sich die jeweiligen Laschen 20 mit ihren Fasen 21 über die gehäuseteilseitigen Erhebungen 23 schieben. Bei einem weiteren Verdrehen erfolgt ein Einrasten bzw. Eingreifen der Erhebungen 23 in die Öffnungen 22 der Laschen 20 und dadurch ein zuverlässiges Fixieren der Filtereinrichtung 16 auf dem Gehäuseteil 8. Für eine Demontage müssen lediglich die Laschen 22 in Radialrichtung nach außen leicht angehoben werden, sodass die Lasche 20 über die Erhebungen 23 gezogen werden können.
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Betrachtet man die 1 bis 3 weiter, so kann man erkennen, dass an dem dort gezeigten Boden 4 zumindest eine Positionierkontur 25 angeordnet ist. Entsprechend 1 bis 3 sind dabei je Boden 4 insgesamt zwei Positionierkonturen 25 in der Form von noppenartigen Vertiefungen vorgesehen. Durch die Positionierkonturen 25 kann eine Orientierung beim Prozess der Blockfertigung erleichtert werden, wodurch insbesondere die Flachrohre 5 prozesssicher in die entsprechenden Durchgangsöffnungen 6 der Böden 4 eingeführt werden können.
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Die beiden Gehäuseteile 7, 8 können darüber hinaus über eine Clipsverbindung 26 mit einander verbunden sein, wobei die Clipsverbindung 26 zumindest ein Clipselement 27 aufweist, welches in Axialrichtung vom zugehörigen Flanschringabschnitt 10 des zugehörigen Gehäuseteils 7 absteht und einstückig mit diesem ausgebildet ist. Das Clipselement 27 kann dabei eine Verdrehsicherung darstellen und erleichtert dadurch die Montage des Wärmeübertragers 1 an beispielsweise einer Brennkraftmaschine 28. Das Clipselement 27 kann darüber hinaus ein mögliches Verdrehen während des Betriebs verhindern, wodurch langfristig und zuverlässig gewährleistet werden kann, dass Kondensat prozesssicher aus dem Wärmeübertrager 1 abfließen kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 ist es erstmals möglich, eine deutlich verbesserte Kühlleistung des Wärmeübertragers 1 zu realisieren, wodurch dieser auch erstmals bei Benzinmotoren einsetzbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014225159 A1 [0002]
- DE 102012211311 A1 [0003]
