DE10224263A1

DE10224263A1 - Abgaswärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE10224263A1
Application number: DE10224263A
Authority: DE
Inventors: Georg Kaemmler
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2003-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager (1), insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Abgasrückführung, bestehend aus einem Gehäuse mit Gehäusemantel (2) für ein Kühlmittel und aus einem von Abgas durchströmten, vom Kühlmittel umströmten Rohrbündel (3, 3a, 3b), welches über einen ersten und einen zweiten Rohrboden im Gehäuse aufgenommen ist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass der erste Rohrboden fest mit dem Gehäuse verbunden ist und somit ein Loslager bildet und der zweite Rohrboden (6) als elastischer Kunststoffboden (9) ausgebildet ist, der einerseits dicht mit den Rohrenden (3a) des Rohrbündels (3) und andererseits dicht mit dem Gehäusemantel (2a) verbunden ist, und somit ein Loslager für das Rohrbündel (3) bildet. Vorzugsweise ist der Kunststoffboden (9) durch je einen Abschlussboden (10, 11) zur Abgas- und zur Kühlmittelseite (8, 7) abgedeckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Abgasrückführung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bekannt durch die DE-A 199 07 163 der Anmelderin.

Dieser bekannte Abgaswärmeübertrager ist ein Abgaskühler, wie er in Kraftfahrzeugen bei der Abgasrückführung zur Kühlung der heißen Abgase eingesetzt wird. Der aus Edelstahl hergestellte Abgaskühler besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse mit einem Gehäusemantel, durch welches ein Kühlmittel strömt, welches dem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges entnommen wird. In dem Gehäusemantel ist ein Rohrbündel angeordnet, dessen Rohrenden von Rohrböden aufgenommen werden, die ihrerseits mit dem Gehäusemantel verbunden sind. Die Rohrenden sind mit den Rohrböden dicht verschweißt, und die Rohrböden sind umfangseitig mit dem Gehäusemantel verschweißt. Insofern bilden die beiden Rohrböden mit dem Gehäusemantel jeweils so genannte Festlager. Beim Betrieb dieses Abgaskühlers erwärmen sich Rohre und Gehäusemantel unterschiedlich, weil die die Rohre durchströmende Abgase eine höhere Temperatur aufweisen als das den Gehäusemantel umspülende Kühlmittel. Dadurch treten unterschiedliche Dehnungen zwischen Rohrbündel und Gehäusemantel auf, was zu thermisch bedingten Spannungen, d. h. Druckspannungen in den Rohren und Zugspannungen im Gehäusemantel sowie Biegespannungen in den Rohrböden führt. Insbesondere bei Abgaskühlern großer Länge, wie sie bei Nutzkraftfahrzeugen eingesetzt werden, können die auftretenden Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Dehnungen zum Versagen einzelner Bauteile oder zur Zerstörung der Rohrbodenverbindung führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese thermisch bedingten Spannungen abzubauen, d. h. die daraus resultierenden Beanspruchungen in den Bauteilen des eingangs genannten Abgaswärmeübertragers herabzusetzen, und zwar durch möglichst einfache und kostengünstige Maßnahmen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruches 1. Während der erste Rohrboden in herkömmlicher Weise mit dem Gehäuse verschweißt ist und somit ein Festlager bildet, ist der zweite Rohrboden als elastischer Kunststoffboden ausgebildet, der einerseits die Rohrenden dicht umschließt und andererseits mit seinem Umfang eine dichte und feste Verbindung mit der Innenwandung des Gehäusemantels bildet. Damit sind Abgasseite und Kühlmittelseite durch diesen Kunststoffboden voneinander getrennt. Der Kunststoffboden ist aufgrund seines Elastizitätsmoduls in der Lage, gewisse Dehnungen, wie sie beim Betrieb des Abgaswärmeübertragers im Rohrbündel auftreten, durch elastische Verformung mitzumachen. Dabei stützen sich die Rohre umfangseitig am Kunststoffboden ab, der sich seinerseits mit seinem Umfang am Gehäusemantel abstützt. Dies führt zu einer elastischen Auswölbung bzw. Verformung des Kunststoffbodens, wodurch unzulässige Spannungen in den Bauteilen vermieden werden. Die Verwendung des Werkstoffes Kunststoff in einem Abgaswärmeübertrager ist dadurch möglich, dass der Kunststoffboden an der Abgasauslassseite, also der kälteren Seite des Abgaswärmeübertragers angeordnet ist. Dort herrschen Temperaturen von maximal 200 Grad Celsius, so dass man dort gefahrlos Polymere bzw. Elastomere einsetzen kann.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kunststoffböden zur Abgasseite und zur Kühlmittelseite hin durch Abschlussböden abgedeckt, die entweder aus Metall oder Kunststoff bestehen können. Diese Abschlussböden sind gleitend auf dem Rohrbündel und im Gehäusemantel angeordnet, können also Relativbewegungen ausführen. Der kühlmittelseitige Abschlussboden ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Kunststoffboden ausgegossen wird - dann dient der kühlmittelseitige Abschlussboden zusammen mit dem Gehäusemantel als Gießform für den flüssigen Kunststoff. Der abgasseitige Abschlussboden wird anschließend über die Rohrenden gesteckt und verklebt mit der Gussmasse bzw. dem Kunststoffboden. Durch das Vergießen wird einerseits eine dichte und feste Verbindung zwischen der Außenseite der Rohrenden und dem Kunststoffboden und andererseits zwischen dem Umfang des Kunststoffbodens und der Innenwand des Gehäusemantels hergestellt. Insbesondere der abgasseitige Abschlussboden hat dann im Wesentlichen nur eine Schutzfunktion gegenüber den korrosiven Abgasen. Die Festigkeits- und Dichtungsfunktion wird also im Wesentlichen durch den Kunststoffboden übernommen, der vorzugsweise aus einem warm aushärtbaren Silkonkautschuk besteht. Bei Verwendung von Kunststoff für die Abschlussböden werden diese vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen, hoch festen und abriebfesten Polyamidimid (PAI) bzw. Polyimid (PI) hergestellt. Auch diese beiden Kunststoffplatten verbinden sich ohne weiteres mit dem Silikonkautschuk zu einer Verbundmasse, die damit den gesamten Rohrboden bildet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 die Ausgangseite eines Abgaswärmeübertragers und
Fig. 2 einen vergrößerten Detailausschnitt X aus Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen nicht vollständig dargestellten Abgaskühler 1, d. h. im Wesentlichen dessen Abgasausgangsseite. Die nicht dargestellte Eingangsseite entspricht dem eingangs genannten Stand der Technik, d. h. dort befindet sich das Festlager. Der Abgaskühler 1 weist einen Gehäusemantel 2 aus Edelstahl auf, in welchem ein Bündel von Abgasrohren 3, ebenfalls aus Edelstahl, angeordnet ist, welche auf ihrer Innenseite 4 vom Abgas in Pfeilrichtung durchströmt werden. Der Querschnitt der Rohre 3 kann - entsprechend dem eingangs genannten Stande der Technik - rechteckig sein, Rundrohre mit kreisförmigen Querschnitt wären auch möglich. Die Abgasrohre 3 sind im Bündel derart angeordnet, dass sie untereinander gleiche Abstände 5 bilden, die vom Kühlmittel eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors durchströmt werden. Zu- und Abfuhr des Kühlmittels sind hier ebenfalls nicht dargestellt, sie entsprechen dem Stand der Technik. Die Rohre 3 weisen Rohrenden 3a auf, die in einem Rohrboden 6 fest und dicht aufgenommen sind. Der Rohrboden 6 ist umfangseitig von einem etwas erweiterten Bereich 2a des Gehäusemantels 2 aufgenommen, d. h. er bildet eine Abdichtung zwischen Kühlmittelseite 7 und Abgasseite 8. Der Rohrboden 6 besteht aus drei Komponenten, nämlich einem Kunststoffboden 9, einem abgasseitigen Abschlussboden 10 und einem kühlmittelseitigen Abschlussboden 11. Die gesamte Abdichtung zwischen Kühlmittelseite 7 und Abgasseite 8 erfolgt - wie erwähnt - durch den Kunststoffboden 9, während die beiden Abschlussböden 10, 11 keine Dicht -, sondern im Wesentlichen Schutzfunktion aufweisen - sie sind sowohl gegenüber den Rohren 3 als auch gegenüber dem Gehäusemantel 2a in Längsrichtung der Rohre 3 beweglich angeordnet.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes X des Rohrbodens 6 aus Fig. 1. Wie bereits erwähnt, bildet der Kunststoffboden 9 das eigentliche Dichtorgan, indem er sowohl mit den Rohrenden 3a einen dichten Sitz 12 als auch mit dem Gehäusemantel 2a einen umfangseitigen Dichtsitz 13 bildet. Die beiden Abschlussböden 10, 11 sind mit einem leichten Spiel auf die Rohrenden 3a aufgeschoben, so dass sie mit den Rohrenden 3a einen umfangseitigen Spalt 14 bzw. 15 bilden. Ebenso bilden die Abschlussböden 10, 11 mit der Innenwand des Gehäusemantels 2 einen Ringspalt 16 bzw. 17. Damit ist sichergestellt, dass die Abschlussböden 10, 11 gegenüber den Rohrenden 3a und dem Gehäusemantel 2a Relativbewegungen ausführen können - soweit dies der Kunststoffboden 9 zulässt.
Im Folgenden soll kurz auf die Herstellung des Kunststoffbodens eingegangen werden: Der Abgaswärmeübertrager 1 wird zunächst - wie aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt - hergestellt, d. h. eine Seite des Rohrbündels wird fest in einen Rohrboden eingeschweißt, der selbst mit dem Gehäusemantel verschweißt wird und somit ein Festlager bildet. Die andere Seite des Rohrbündels wird danach mit dem Rohrboden 6 verbunden, der das Loslager bildet. Zunächst wird der kühlmittelseitige Abschlussboden 11 über die freien Rohrenden 3a gesteckt, wobei - wie oben ausgeführt - sowohl gegenüber den Rohrenden 3a als auch gegenüber dem Gehäusemantel 2a ein leichtes Spiel besteht. Der kühlmittelseitige Abschlussboden 11 wird dann innerhalb des Gehäusemantels 2a auf eine hier nicht dargestellte Weise positioniert, z. b. indem er auf einem oder mehreren nicht dargestellten Anschlägen aufliegt. Der Abgaswärmeübertrager wird dazu so aufgestellt, dass die Längsachsen 3b der Abgasrohre 3 senkrecht ausgerichtet sind. Danach erfolgt das Ausgießen des Kunststoffbodens 9, indem flüssiger Kunststoff, ein Silikonkautschuk, in die Zwischenräume zwischen Rohrenden 3a und zwischen Rohrenden 3a und Gehäusemantel 2a bis zu einer bestimmten Höhe eingefüllt wird. Die erwähnten Spalte, die der Abschlussbooden 11 mit den Rohrenden bzw. dem Gehäusemantel bildet, sind so gering, dass kein flüssiger Kunststoff hindurch läuft. Nach dem Ausgießen des Kunststoffes wird der abgasseitige Abschlussboden 10 über die freien Rohrenden 3a gesteckt, bis er auf dem Spiegel der Kunststoffgussmasse zu liegen kommt. Dies wird so abgestimmt, dass die Außenseite des Abschlussbodens 10 bündig mit den Rohrenden 3a abschließt - wie in der Zeichnung dargestellt. Die Innenflächen der beiden Abschlussböden 10, 11 verkleben mit der Masse des Kunststoffbodens 9, so dass sie in Längsrichtung der Rohrachsen 3b fixiert sind. Durch das Ausgießen mit flüssigem Kunststoff ist sichergestellt, dass eine dichte Verbindung sowohl mit den Rohrenden 3a als auch mit dem Gehäusemantel 2a hergestellt wird, die gleichzeitig in der Lage ist, Schubkräfte, die aus Dehnungen der Rohre 3 resultieren, aufzunehmen. Damit ist ein voll funktionsfähiges Loslager für einen Abgaswärmeübertrager geschaffen.
Statt des oben beschriebenen Ausgießens kann der Kunststoff auch eingespritzt (injiziert) werden, wobei beide Abschlussböden bereits vorher positioniert wären und die Injektion durch eine Einspritzöffnung im Gehäusemantel oder im Abschlussboden erfolgen könnte.
Die Abschlussböden 10, 11 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Blech, vorzugsweise Edelstahlblech hergestellt. Nach einer erfindungsgemäßen Variante können diese Abschlussböden 10, 11 jedoch auch aus dünnen Kunststoffplatten hergestellt sein, die ebenso wie übliche Rohrböden eine Lochstanzung nach dem Muster des Rohrbündels zur Aufnahme der Rohrenden aufweisen. Als abriebfester, korrosionbeständiger Kunststoff eignet sich hier insbesondere ein Polyamidimid (PMI) oder Polyimid (PI). Beide Kunststoffplatten auf der Kühlmittel- und auf der Abgasseite würden ebenfalls mit der Silikonmasse verkleben und somit einen kompakten Kunststoff-Rohrboden ergeben.

Claims

1. Abgaswärmeübertrager (1), insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Abgasrückführung, bestehend aus einem Gehäuse mit Gehäusemantel (2) für ein Kühlmittel und aus einem von Abgas durchströmten, vom Kühlmittel umströmten Rohrbündel (3, 3a, 3b) welches über einen ersten und einen zweiten Rohrboden im Gehäuse aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rohrboden fest mit dem Gehäuse verbunden ist und somit ein Festlager für das Rohrbündel bildet und dass der zweite Rohrboden (6) als elastischer Kunststoffboden (9) ausgebildet ist, der einerseits mit den Rohrenden (3a) des Rohrbündels (3) und andererseits mit dem Gehäusemantel (2, 2a) dicht verbunden ist und somit ein Loslager bildet.

2. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffboden (9) durch einen kühlmittelseitigen und abgasseitigen Abschlussboden (10, 11) abgedeckt ist.

3. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussböden als Abschlussbleche (10, 11) ausgebildet und in Richtung der Rohrlängsachsen (3b) beweglich gegenüber den Rohrenden (3a) und dem Gehäusemantel (2a) angeordnet sind.

4. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussböden (10, 11) als Kunststoffplatten ausgebildet und in Richtung der Rohrlängsachsen (3b) beweglich gegenüber den Rohrenden (3a) und dem Gehäusemantel (2a) angeordnet sind.

5. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffplatten aus Polyamidimid (PAI) oder Polyimid (PI) hergestellt sind.

6. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffboden (9) zwischen den Rohrenden (3a) und dem Gehäusemantel (2a) eingegossen oder eingespritzt ist.

7. Abgaswärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffboden (9) aus Silikonkautschuk besteht.

8. Verfahren zur Herstellung eines Abgaswärmeübertragers nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass über die freien Rohrenden (3a) zunächst der kühlmittelseitige Abschlussboden (11) gesteckt und positioniert wird, dass anschließend flüssiger Kunststoff auf den Abschlussboden (11) in die Zwischenräume zwischen den Rohrenden (3a) und dem Gehäusemantel (2a) eingebracht wird, dass dann der abgasseitige Abschlussboden (10) über die aus der Kunststoffmasse hervorstehenden Rohrenden (3a) gesteckt wird, so dass er auf der flüssigen Kunststoffmasse aufliegt, und dass schließlich der flüssige Kunststoff in einem Ofen warm ausgehärtet wird.