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Die Erfindung betrifft einen Abgaskühler mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Systeme zur Abgaskühlung sind
beispielsweise aus der
DE
296 12 361 U1 bekannt. Dort wird ein Abgaskühler in
Rohrbündelanordnung
beschrieben, bei welchem eine Vielzahl von parallel verlaufenden
Rohren endseitig jeweils in Rohrböden münden, welche zusammen mit den
Innenseiten eines Gehäuses
einen Zwischenraum dicht abschließen. In diesen Zwischenraum
wird eine Kühlflüssigkeit
eingeleitet, welche das durch das Rohrbündel strömende Abgas kühlt. Aufgrund
der thermisch bedingten Längenänderung
des Gehäuses
sind zusätzliche Dehnungs-Ausgleich-Einrichtungen
im Kraftfluß des rohrförmigen Gehäuses vorgesehen.
Die Gestaltung des Gehäuses
ist daher relativ aufwendig. Die
DE 197 33 964 A1 offenbart einen Abgaskühler, der
eine von Kühlwasser
durchströmte
Kühlschlange
aufweist. Im Unterschied zu der zuvor genann ten Lösung wird
bei diesem Vorschlag das Kühlmedium nicht
um Kühlrohre
herumgeführt,
sondern selbst durch ein Kühlrohr
in Form einer Kühlschlange
geleitet. Die schraubenlinienförmige
Ausgestaltung des Kühlrohrs
ermöglicht
einerseits eine relativ große Wärmetauscherfläche und
zum anderen den Ausgleich von thermisch bedingten Längenänderungen. Diese
Anordnung hat den Vorteil, dass das Gehäuse des Abgaskühlers keine
zusätzlichen
Dehnungsausgleichseinrichtigungen erforderlich macht, und im Gegensatz
zu einem Rohrbündel
weitaus weniger Lötstellen
erforderlich sind. Allerdings ist die Wärmetauscherfläche bei
einer wendelförmig
angeordneten Kühlschlange
in der Regel geringer als bei einem Rohrbündelwärmetauscher.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Abgaskühler mit einer möglichst
großen
Wärmetauschetfläche bereit
zu stellen, wobei gleichzeitig eine wirksame Kompensation von thermischen
bedingten Längenausdehnungen
möglich
ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgaskühler mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Abgaskühler zeichnet sich dadurch
aus, dass wenigstens zwei parallel geschaltete und außenseitig
von Abgas umspülte Wärmetauscherrohre
vorgesehen sind, die jeweils einen schraubenlinienförmig konfigurierten
Längenabschnitt
besitzen. Diese Längenabschnitte
sind innerhalb des Gehäuses
in Strömungsrichtung
des Abgases aufeinander folgend angeordnet und besitzen jeweils
einen, in Strömungsrichtung
zunehmenden Windungsdurchmesser.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile
bestehen insbesondere darin, dass statt einer Vielzahl von langgestreckten
Wärmetauscherrohren
in Rohrbündelbauweise,
die jeweils zwei einzelne Lötstellen erforderlich
machen, die Anzahl der Wärmetauscherrohre
bei der Erfindung deutlich niedriger sein kann. Vorzugsweise kommen
zwei bis fünf
parallel geschaltete Wärmetauscherrohre
zum Einsatz. Praktische Ausführungsformen
sehen zwei bis drei Wärmetauscherrohre
vor. Die Anzahl der Anschlussstellen der Wärmetauscherrohre ist daher
sehr gering. Der fertigungstechnische Aufwand ist niedrig.
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Die einzelnen Wärmetauscherrohre sind separat
mit Kühlmedium
beaufschlagt. Sie sind parallel zueinander geschaltet. Die einzelnen
Wärmetauscherrohre
können
ein- oder mehrlagig ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass
zur Vergrößerung der Wärmetauscherfäche die
Wärmetauscherrohre
zumindest abschnittsweise an ihrer äußeren Mantelfläche eine
zusätzliche
Profilierung besitzen.
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Die schraubenlinienförmige Konfiguration
ermöglicht
neben der Vergrößerung der
Wärmetauscherfläche einen
Längenausgleich
innerhalb des Gehäuses
des Abgaskühlers.
Dadurch kann das Gehäuse
ohne zusätzliche
Kompensationseinrichtung, d.h. besonders einfach und fertigungstechnisch günstig gestaltet
sein. Im einfachsten Fall ist das Gehäuse zylindrisch konfiguriert.
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Überraschenderweise
ermöglicht
die Hintereinanderschaltung mehrerer, sich im Windungsdurchmesser
erweiternder Längenabschnitte
einen besonders intensiven Wärmeaustausch
und eine günstige
Anströmung
der Wärmetauscherrohre durch
das Abgas. Der Abgaskühler
besitzt daher ein geringes Bauvolumen bei gleichzeitig geringem
Gewicht. Durch diese Eigenschaften eignet sich der Abgaskühler besonders
gut für
den automobiltechnischen Einsatz.
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Gegenstand des Patentanspruchs 2
ist, dass die Wärmetauscherrohre
mit ihrem jeweiligen Zuflussabschnitt an eine abgasauslassseitige
Endkappe des Gehäuses
angeschlossen sind, in welcher eine Zuströmkammer ausgebildet ist. Das
hat den Vorteil, dass die parallel geschalteten Wärmetauscherrohre
nicht über
einzeln aus dem Gehäuse
herausgeführte
Zuflussabschnitte an eine Kühlmittelquelle
angeschlossen werden müssen,
sondern eine zentrale Speisung aller parallel geschalteten Wärmetauscherrohre
aus einer gemeinsamen Zuströmkammer
möglich
ist. Die abgasauslassseitige Endkappe ist hierbei vorzugsweise strömungstechnisch
günstig,
d.h. im wesentlichen trichterförmig konfiguriert. Sie
dient dazu, das Abgas zu sammeln und es dem Abgasauslass zuzuführen. Die
Zuströmkammer
umgibt dabei vorzugsweise den gesamten trichterförmigen Längenabschnitt der Endkappe
bzw. ist von diesem Längenabschnitt
begrenzt, so dass der gesamte, dem Abgasauslass benachbarte Bereich
eine intensive Kühlung
erfährt.
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Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 3
ist ebenso wie am Abgasauslass auch am Abgaseinlass eine Endkappe
an dem Gehäuse
vorgesehen, an welche die Wärmetauscherrohre
mit ihren jeweiligen Abflussabschnitten angeschlossen sind und in
eine Abströmkammer
münden.
Auf diese Weise ist nur ein einziger Abfluß erforderlich, durch den das Kühlfluid
aus der Abströmkammer
herausgeführt wird.
Der zentrale Zufluß zur
Zuströmkammer
bzw. Abfluß von
der Abströmkammer
kann nach den Merkmalen des Patentanspruchs 4 seitlich an dem Gehäuse vorgesehen
sein. Der Zufluß bzw.
Abfluß ist vorzugsweise
unmittelbar an der Endkappe des Gehäuses ausgebildet.
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Die Abflussabschnitte der einzelnen
Wärmetauscherrohre
können
je nach Bauvolumen außerhalb
der schraubenlinienförmig
konfigurierten Längenabschnitte
der jeweils anderen Wärmetauscher vorbeigeführt sein
(Patentanspruch 5) oder auch innerhalb der Längenabschnitte der jeweiligen
vorgeschalteten anderen Wärmetauscherrohre
angeordnet sein (Patentanspruch 6). Die erste Lösung bietet sich an, wenn eine
Vielzahl von parallel geschalteten Wärmetauscherrohren innerhalb
des Gehäuses
untergebracht werden müssen
und ebenso viele Abflussabschnitte ein zentrales Durchströmen der schraubenlinienförmig konfigurierten
Längenabschnitte
zu stark behindern würden.
Bei nur wenigen Wärmetauscherrohren,
d.h. bei zwei bis vier Wärmetauscherrohren,
ist es bei der zweiten Lösung
möglich,
Bauvolumen einzusparen.
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Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 7
ist es vorgesehen, dass die zentral geführten Abflussabschnitte der
einzelnen Wärmetauscherrohre in
einen vom Abgas allseitig umströmten
Sammelkörper
münden.
Der Sammelkörper
entspricht in seiner Funktionalität der Abströmkammer mit dem Unter schied,
dass das austretende Kühlmedium
nicht über den
Umfang der Abströmkammer
verteilt in diese eingeleitet wird, sondern zentral gesammelt und
einem fluidleitend angeschlossenen und seitlich aus dem Gehäuse austretenden
Abfluß zugeführt wird
(Patentanspruch 8). Da selbst das abströmende Kühlmedium eine niedrigere Temperatur
besitzt als das einströmende
Abgas, ergibt sich bei einer zentralen Anordnung des Sammelkörpers unmittelbar
in dem Abgasstrom der Vorteil, dass das Abgas den Sammelkörper sofort
nach seinem Eintritt allseitig umströmt und hierbei bereits eine
erste Kühlung
erfährt. Zweckmäßigerweise
ist der Sammelkörper
in der Nähe
des Abgaseinlasses, vorzugsweise fluchtend, zu diesem angeordnet.
In Gestalt eines Kegels mit einer in Richtung zum Abgasauslass weisenden
Spitze besitzt der Sammelkörper
zudem einen niedrigen Strömungswiderstand
(Patentanspruch 9). Reibungsverluste innerhalb des Abgaskühlers werden hierdurch
minimiert.
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Ein Abgaskühler besonders kompakter Bauweise
zeichnet sich nach den Merkmalen des Patentanspruchs 10 dadurch
aus, dass die Windungsdurchmesser der Längenabschnitte derart aufeinander
abgestimmt sind, dass in Strömungsrichtung
des Abgases nachfolgende Längenabschnitte
zumindest teilweise in im Windungsdurchmesser erweiterte Enden unmittelbar
vorangehender Längenabschnitte eingreifen.
D.h., die einzelnen Längenabschnitte überlappen
sich um beispielsweise ein bis zwei Windungen, ohne sich gegenseitig
zu berühren
oder sich in ihrer thermischen Längenausdehnung
zu behindern. Eine allseitige und intensive Umspülung der Wärmetauscherrohre ist auch bei
dieser sehr kompakten Konfiguration sichergestellt.
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Fertigungstechnisch besonders einfach
lassen sich Wärmetauscherrohre
herstellen, deren schraubenlinienförmig konfigurierten Längenabschnitte
konisch ausgebildet sind (Patentanspruch 11). Selbstverständlich sind
auch andere Konfigurationen mit in Strömungsrichtung zunehmenden Windungsdurchmessern
denkbar, wie beispielsweise im Längsschnitt
konkave Längenabschnitte,
d.h. solche mit einer Einschnürung.
Die schraubenlinienförmig konfigurierten
Längenabschnitte
können
auch bauchig, d.h. konvex ausgebildet sein.
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Die Endung wird nachfolgend anhand
der in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines Abgaskühlers
im Teilschnitt;
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Abgaskühlers
im Teilschnitt;
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3 eine
dritte Ausführungsform
eines Abgaskühlers
im Teilschnitt.
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Mit 1 ist in 1 ein Abgaskühler bezeichnet,
in dessen zylindrisches Gehäuse 2 Abgas
A über einen
Abgaseinlass 3 an seinem ersten Ende 4 einströmt. Das
Abgas A durchströmt
das Gehäuse 2 in Richtung
seiner Mittellängsachse
MLA, d.h. in Längsrichtung
und tritt an dem gegenüberliegenden
anderen Ende 5 des Gehäuses 2 durch
einen Abgasauslass 6 aus. Innerhalb des Gehäuses 2 sind
zwei parallel geschaltete Wärmetauscherrohre 7, 8 angeordnet.
Sie erstrecken sich zwischen an den zylindrischen Mittelabschnitt 9 des
Gehäuses 2 angeschlossene
Endkappen 10, 11. Die Endkappen 10, 11 sind zweischalig
aufgebaut mit jeweils einem trichterförmigen Innenmantel 12, 13 und
jeweils einem dazu bereichsweise beabstandet verlaufenden Außenmantel 14, 15.
Innenmäntel 12, 13 und
Außenmäntel 14, 15 bilden
auf diese Weise an der abgasauslassseitigen Endkappe 10 eine
Zuströmkammer 16 für das Kühlmedium,
bzw. eine Abströmkammer 17 an der
abgaseinlassseitigen Endkappe 11. Der Innenmantel 12, 13 einer
jeden Endkappe 10, 11 berührt bei diesem Ausführungsbeispiel
die zugehörigen
Außenmäntel 14, 15 lediglich
im Umfangsbereich des Mittelabschnitts 9 bzw. zu den Enden 4, 5 des
Abgaskühlers 1 im
Bereich eines Anschlussflansches 18, 19, in den
sowohl der jeweilige Innenmantel 12, 13 als auch
der Außenmantel 14, 15 einer
jeden Endkappe 10, 11 einfasst. Die Endkappen 10, 11 sind vorzugsweise
stoffschlüssig
durch verlöten
oder verschweißen
mit dem jeweiligen Anschlussflansch 18, 19 verbunden
und ebenso durch eine stoffflüssige Verbindung,
wie beispielweise Löten
oder Schweißen
an dem Mittelabschnitt 9 fluiddicht befestigt.
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Jedes Wärmetauscherrohr 7, 8 besitzt
einen Zuflussabschnitt 20, 21, welcher an dem
Innenmantel 12 der abgasauslasseitigen Endkappe 10 befestigt
ist und in die Zuströmkammer 16 mündet. Die
Zuflussabschnitte 20, 21 durchsetzen den trichterförmig konfigurierten
Innenmantel 12 mit seinem mittigen Abgasauslass 6 außermittig.
Ebenso ist an der abgaseinlassseitigen Endkappe 11 jeweils
ein Abflussabschnitt 22, 23 an den Innenmantel 13 angeschlossen und
steht fluidleitend mit der Abströmkammer 17 in Verbindung.
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Kühlmedium
K wird über
einen quer zur Längsrichtung
an der abgasauslassseitigen Endkappe 10 angesetzten Zufluss 24 der
Zuströmkammer 16 und
damit den Wärmetauscherrohren 7, 8 zugeführt. In
der gleichen Konfiguration ist ein Abfluss 25 mit gleicher
Orientierung an der abgaseinlassseitigen Endkappe 11 angeordnet, über den
das Kühlmedium K
aus der Abströmkammer 17 abgeleitet
wird.
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Jedes Wärmetauscherrohr 7, 8 besitzt
einen schraubenlinienförmig
konfiguriertern Längenabschnitt 26, 27.
Jeder dieser Längenabschnitte 26, 27 ist
konisch gestaltet, wobei der Windungsdurchmesser in Strömungsrichtung
S des Abgases A zunimmt. Die Konizität der Längenabschnitte 26, 27 ist
bezogen auf die Mittellängsachse
MLA des Gehäuses 2. Die
Längenabschnitte 26, 27 sind
in Strömungsrichtung
S hintereinander angeordnet, wobei die Mittellängsachse MLA gleichzeitig die
Mittelachse der konischen Längenabschnitte 26, 27 ist.
Während
der der abgasauslassseitigen Endkappe 10 benachbarte konische
Längenabschnitt 26 nur
einen kurzen Zuflussabschnitt 27 benötigt, ist der Zuflussabschnitt 21 für den anderen
Längenabschnitt 26 länger und
radial außen
und parallel zur Mittellängsachse
MLA an dem zuletzt genannten Längenabschnitt 26 vorbeigeführt. Jeder
der schraubenlinienförmig
konfigurierten Längenabschnitte 26, 27 wird
von seinem, der Zuströmkammer 16 zugewandten
Ende, bzw. seinem im Windungsdurchmesser größeren Ende her mit dem Kühlmittel
K gespeist. Der Austritt des Kühlmediums
K aus den einzelnen Längenabschnitten 26, 27 erfolgt
jeweils an ihren der abgaseinlasseitigen Endkappe 11 zugewandten
Enden. Ebenso wie der Zufussabschnitt 21 des Wärmetauscherrohrs 8 außenseitig
an dem Längenabschnitt 26 des
anderen Wärmetauscherrohrs 7 vorbeigeführt ist,
verläuft auch
der Abflussabschnitt 22 parallel zur Mittellängsachse
MLA außenseitig
an dem konischen Längenabschnitt 27 des
Wärmetauscherrohrs 8 vorbei
und mündet
in die Abströmkammer 17.
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Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von derjenigen der 1 dadurch, dass drei parallel
geschaltete Wärmetauscherrohre 28, 29, 30 vorgesehen
sind. Der Mittelabschnitt 31 des Gehäuses 32 dieses Abgaskühlers 33 ist
entsprechend länger
gestaltet. Da die einzelnen schraubenlinienförmig konfigurierten Längenabschnitte 34, 35, 36 die
gleiche Längserstreckung
besitzen wie in der Ausführungsform
der 1, ist der gesamte
Abgaskühler 33 um
etwa ein Drittel länger
als derjenige der 1. Bei
dieser Konfiguration sind auch die Zuflussabschitte 37, 38, 39 bzw.
Abflussabschnitte 40, 41, 42 entsprechend
der Position der Längenabschnitte 34, 35, 36 verlängert ausgeführt. Die
Zuflussabschnitte 37, 38, 39, ebenso
wie die Abflussabschnitte 40, 41, 42 sind
jeweils außenseitig
an den Längenabschnitten 34, 35, 36 der
jeweils anderen Wärmetauscherrohre 28, 29, 30 vorbei
geführt
und gleichmäßig über den
Umfang verteilt, d.h. sie münden,
bezogen auf die Mittellängsachse
MLA des Gehäuses 32,
bzw. der Längenabschnitte 34, 35, 36 um
120° versetzt
in die Endkappen 43, 44.
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Die 3 zeigt
eine Ausführungsform
mit drei parallel geschalteten Wärmtauscherrohren 45, 46, 47,
deren Abflussabschnitte 48, 49, 50 in
einen zentralen Sammelkörper 51 münden. Der
Sammelkörper 51 hat
die Gestalt eines Kegels mit in Richtung zum Abgaseinlaß 3 weisender
abgerundeter Spitze 52. Der Sammelkörper 51 erstreckt
sich bis in die einschalig ausgebildete Endkappe 53 des
Gehäuses 54 dieses
Abgaskühlers 55.
Ebenso wie bei den Ausführungsformen
der 1 und 2 ist ein Abfluß 56 im
Bereich der Endkappe 53 vorgesehen, der in radialer Erstreckung
in den Sammelkörper 51 mündet und das
Kühlmedium
K aus dem Abgaskühler 55 abführt. Der
Sammelkörper 51 ist
auf seiner, dem Abflussabschnitt 48, 49, 50 zugewandten
Seite mit einer Platte 57 verschlossen, in welcher die
Abflussabschnitte 48, 49, 50 befestigt
sind. Die Abflussabschnitte 48, 49, 50 liegen
dicht nebeneinander und können
einzeln, aber auch gebündelt
mittig durch die Platte 57 in den Sammelkörper 51 eintreten.
Hierbei sind die Abflussabschnitte 48, 49 der
dem konischen Längenabschnitt 58 nachgeschalteten
Längenabschnitten 59, 60 innen
in Richtung der Mittellängsachse
MLA durch den in der Bildebene unteren konischen Längenabschnitt 58 geführt. In
der gleichen Konfiguration ist der mittlere konische Längenabschnitt 59 von dem
Abflussabschnitt 48 des in der Bildebene oberen konischen
Längenabschnitts 60 durchsetzt.
Gleichzeitig greifen die Längenabschnitte 59, 60 mit
ihren im Windungsdurchmesser kleinsten Windungen 61, 62 in
die größten Windungen 63, 64 der
jeweils vorangehenden Längenabschnitte 58, 59,
d.h. die Längenabschnitte 58, 59, 60 sind
endseitig überlappend angeordnet.
Die Zuflussabschnitte 65, 67 ,66 sind ebenso
wie bei der Ausführungsform
der 2 außenseitig
an den jeweils anderen Wärmetauscherrohren 45, 46, 47 vorbeigeführt und
um 120° versetzt mit
der abgasauslassseitigen Endkappe 68 des Gehäuses 54 verbunden.
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- 1 –
- Abgaskühler
- 2 –
- Gehäuse v. 1
- 3 –
- Abgaseinlass
v. 1
- 4 –
- Ende
v. 1
- 5 –
- Ende
v. 1
- 6 –
- Abgasauslass
v. 1
- 7 –
- Wärmetauscherrohr
- 8 –
- Wärmetauscherrohr
- 9 –
- Mittelabschnitt
v. 2
- 10 –
- Endkappe
v. 2
- 11 –
- Endkappe
v. 2
- 12 –
- Innenmantel
v. 10
- 13 –
- Innenmantel
v. 11
- 14 –
- Außenmantel
v. 10
- 15 –
- Außenmantel
v. 11
- 16 –
- Zuströmkammer
in 10
- 17 –
- Abströmkammer
in 11
- 18 –
- Anschlussflansch
- 19 –
- Anschlussflansch
- 20 –
- Zuflussabschnit
v. 7
- 21 –
- Zuflussabschnit
v. 8
- 22 –
- Abflussabschnitt
v. 7
- 23 –
- Abflussabschnitt
v. 8
- 24 –
- Zufluß v. 1
- 25 –
- Abfluß v. 1
- 26 –
- Längenabschnitt
v. 7
- 27 –
- Längenabschnitt
v. 8
- 28 –
- Wärmetauscherrohr
v. 33
- 29 –
- Wärmetauscherrohr
v. 33
- 30 –
- Wärmetauscherrohr
v. 33
- 31 –
- Mittelabschnitt
v. 32
- 32 –
- Gehäuse v. 33
- 33 –
- Abgaskühler
- 34 –
- Längenabschnitt
v. 28
- 35 –
- Längenabschnitt
v. 29
- 36 –
- Längenabschnitt
v. 30
- 37 –
- Zuflussabschnitt
v. 28
- 38 –
- Zuflussabschnitt
v. 29
- 39 –
- Zuflussabschnitt
v. 30
- 40 –
- Abflussabschnitt
v. 28
- 41 –
- Abflussabschnitt
v. 29
- 42 –
- Abflussabschnitt
v. 30
- 43 –
- Endkappe
v. 32
- 44 –
- Endkappe
v. 32
- 45 –
- Wärmetauscherrohr
v. 55
- 46 –
- Wärmetauscherrohr
v. 55
- 47 –
- Wärmetauscherrohr
v. 55
- 48 –
- Abflussabschnitt
v. 45
- 49 –
- Abflussabschnitt
v. 46
- 50 –
- Abflussabschnitt
v. 47
- 51 –
- Sammelkörper
- 52 –
- Spitze
v. 51
- 53 –
- Endkappe
v. 54
- 54 –
- Endkappe
v. 55
- 55 –
- Abgaskühler
- 56 –
- Abfluss
v. 55
- 57 –
- Platte
v. 51
- 58 –
- Längenabschnitt
v. 47
- 59 –
- Längenabschnitt
v. 46
- 60 –
- Längenabschnitt
v. 45
- 61 –
- Windung
v. 60
- 62 –
- Windung
v. 59
- 63 –
- Windung
v. 59
- 64 –
- Windung
v. 58
- 65 –
- Zuflussabschnitt
v. 45
- 66 –
- Zuflussabschnitt
v. 46
- 67 –
- Zuflussabschnitt
v. 47
- 68 –
- Endkappe
v. 54
- A –
- Abgas
- K –
- Kühlmittel
- S –
- Strömungsrichtung