DE112010002744T5

DE112010002744T5 - Wärmetauscher mit Gussgehäuse und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE112010002744T5
Application number: DE112010002744T
Authority: DE
Inventors: Herve Palanchon; Hans Katzmaier; Bruno Chapoutot
Original assignee: Dana Canada Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2013-07-04
Also published as: US20100224173A1; JP2012519827A; WO2010102397A1; US8291892B2; CA2752753C; CN102348952B; CN102348952A; CA2752753A1; US20120138279A1; JP5417673B2

Abstract

Es werden ein zum Kühlen von Abgasen geeigneter Wärmetauscher und ein Verfahren zur Herstellung desselben offenbart. Der Wärmetauscher umfasst ein äußeres Gussteil, das ein erstes und ein zweites Ende aufweist und ein Gehäuse bildet, sowie eine Vielzahl von Kanalteilen, die abwechselnde erste und zweite Durchflusskanäle für den Durchfluss eines Abgases durch die ersten Durchflusskanäle und von Kühlmittel durch die zweiten Durchflusskanäle bilden. Die Kanalteile bilden einen Block mit ersten und zweiten Enden, wobei dieser Block in dem Gussteil eingebaut ist. Ein erster Flansch ist an einem ersten Ende des Blocks starr befestigt, so dass eine abgedichtete Verbindung gebildet wird. Ein zweiter Flansch ist an dem zweiten Ende des Blocks starr befestigt, so dass eine weitere abgedichtete Verbindung gebildet wird. Der erste und der zweite Flansch sind jeweils durch Verbindungselemente mit ihren entsprechenden Enden des Gussteils verbunden.

Description

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Wärmetauscher, einschließlich Abgaskühler, zur Verwendung in Fahrzeugen und ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern.
In der Fahrzeugindustrie, insbesondere der Lastkraftwagenbauindustrie, ist es bekannt, ein AGR-System zur Verfügung zu stellen, das Abgas von einem Fahrzeugmotor rückführt, um die Erzeugung von Stickoxiden zu reduzieren. Das System umfasst einen Abgaskühler, der das Abgas zur Rückführung kühlen kann, um die Temperatur des Abgases zu senken und dessen Volumen zu reduzieren, was wiederum die Verbrennungstemperatur im Motor ohne einen wesentlichen Leistungsabfall desselben senkt. Das effektive Ergebnis eines solchen Systems ist, die Erzeugung von Stickoxiden zu reduzieren.
Die veröffentlichte US-Anmeldung Nr. 2006/0231243 beschreibt einen AGR-Kühler mit einem Block, der aus parallelen Rohren, die voneinander getrennt sind, gefertigt ist. Den Block umgibt ein zylindrischer Mantel, der Platten an seinen gegenüber liegenden Enden aufweist, die jeweils so befestigt sind, dass sie die Enden des Mantels schließen. An ihren jeweiligen Platten sind schüsselförmige Hauben befestigt, damit die Außenflächen der Platten umfasst werden, wobei diese Hauben jeweils einen mittleren Abgaseinlass und einen mittleren Abgasauslass bilden. Montageflansche scheinen mit den äußeren Enden dieser Hauben verbunden zu sein. Im Gegensatz zu dem hier beschriebenen Wärmetauscher wird bei diesem bekannten AGR-Kühler kein die Außenseite des Kühlers oder Wärmetauschers bildendes Gussgehäuse verwendet. Ein Gussgehäuse kann bei bestimmten Anwendungen von Wärmetauschern vorteilhaft sein, weil es Verbindungen wie die Verwendung von Verbindungsflanschen erleichtern kann und solche Gehäuse zu angemessenen Kosten hergestellt werden können, auch wenn das Produktionsvolumen relativ gering ist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das die Außenseite des Wärmetauschers bildende Gussteil aus verhältnismäßig preisgünstigem Grauguss mit Lamellengraphit hergestellt sein. Außerdem ermöglicht die vorliegende Erfindung, den Wärmetauscherblock im Innern einer Kammer des Gussteils durch Flansche zu montieren, die an gegenüber liegenden Enden des Blocks starr befestigt sind.
Ein Wärmetauscher nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein äußeres Gussteil, das ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und ein Wärmetauschergehäuse bildet, das sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt, sowie eine Vielzahl von übereinander angeordneten Kanalteilen, die eine erste Gruppe von Durchflusskanälen für den Durchfluss eines ersten Fluids durch den Wärmetauscher bilden. Zwischen benachbarten Kanalteilen sind Zwischenräume ausgebildet, so dass eine zweite Gruppe von Durchflusskanälen zum Durchfluss eines zweiten Fluids durch den Wärmetauscher bereitgestellt wird. Die übereinander angeordneten Kanalteile bilden einen Wärmetauscherblock mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei dieser Block im Innern des äußeren Gussteils eingebaut ist. Ein erster Flansch ist an dem ersten Ende des Wärmetauscherblocks starr befestigt, so dass zwischen dem ersten Flansch und dem ersten Ende eine abgedichtete Verbindung bereitgestellt wird. Ein zweiter Flansch ist an dem zweiten Ende des Wärmetauscherblocks starr befestigt, so dass zwischen dem zweiten Flansch und dem zweiten Ende eine abgedichtete Verbindung bereitgestellt wird. Jeder der ersten und zweiten Flansche soll durch Verbindungselemente mit seinem entsprechenden Ende des äußeren Gussteils verbunden werden. In einer beispielhaften Ausführungsform umfassen die Verbindungselemente Schraubenbolzen, und das äußere Gussteil ist aus Gusseisen gefertigt und ist sowohl an dem ersten Ende als auch an dem zweiten Ende mit Schraubenbolzenaufnahmelöchern ausgebildet. Der erste Flansch und der zweite Flansch sind mit Schraubenbolzenlöchern ausgebildet, die nach den Schraubenbolzenlöchern in dem äußeren Gussteil ausrichtbar sind, damit die Flansche durch die Schraubenbolzen an dem äußeren Gussteil befestigt werden können.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Abgaskühler zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem Motor, der bei Betrieb ein Abgas ausstößt, ein gegossenes Kühlergehäuse mit einem ersten Ende, einem gegenüber liegenden zweiten Ende und eine Wärmeaustauschkammer, die sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt. Das Kühlergehäuse weist außerdem eine Einlassöffnung für Kühlmittel und eine Auslassöffnung für Kühlmittel auf. Ferner ist ein Wärmetauscherblock mit einem ersten und einem zweiten Ende vorgesehen, wobei dieser Block in der Kammer des Kühlergehäuses eingebaut ist und Kanalteile umfasst, die erste Durchflusskanäle für das Durchströmen des Abgases durch den Block bilden. Zwischen den Kanalteilen sind zweite Durchflusskanäle für den Durchfluss des Kühlmittels durch den Block vorgesehen. Die zweiten Durchflusskanäle wechseln mit den ersten Durchflusskanälen ab. Am ersten Ende des Wärmetauscherblocks ist ein erster Flansch starr befestigt, so dass zwischen dem ersten Flansch und dem ersten Ende eine abgedichtete Verbindung bewirkt wird. Am zweiten Ende des Wärmetauscherblocks ist ein zweiter Flansch starr befestigt, so dass zwischen dem zweiten Flansch und dem zweiten Ende eine abgedichtete Verbindung bewirkt wird. Jeder der ersten und zweiten Flansche soll an seinem entsprechenden Ende des Kühlergehäuses durch Verbindungselemente verbunden werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist zwischen dem ersten Flansch und dem ersten Ende des Kühlergehäuses eine erste Abdichtung angeordnet, wobei zwischen dem zweiten Flansch und einem zweiten Ende des Kühlergehäuses ebenfalls eine zweite Abdichtung angeordnet sein kann.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers vorgesehen, wobei dieses Verfahren das Bereitstellen eines hartgelöteten Kühlerblocks mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende umfasst und der Block Kanalteile enthält, die übereinander angeordnet sind und zwei Gruppen von Durchflusskanälen bilden für den Durchfluss eines Kühlmittels durch eine erste der Gruppen und das Durchströmen von heißen Gasen durch eine zweite der Gruppen. Die Durchflusskanäle der ersten Gruppe wechseln mit den Durchflusskanälen der zweiten Gruppe ab. Es ist außerdem ein gegossenes Kühlergehäuse vorgesehen, wobei dieses Gehäuse ein erstes Ende, ein gegenüber liegendes zweites Ende, eine sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstreckende Wärmeaustauschkammer und Öffnungen zum Durchfluss des Kühlmittels in die Kammer und aus ihr heraus aufweist. Ein erstes Flanschteil ist an dem ersten Ende des Kühlerblocks angeschweißt, um zwischen dem ersten Flanschteil und dem ersten Ende eine abgedichtete Verbindung zu bewirken, wobei der Kühlerblock anschließend in die Wärmeaustauschkammer des Kühlergehäuses durch eine erste Öffnung in dem ersten Ende des Kühlergehäuses eingesetzt wird, so dass der erste Flansch dem ersten Ende des Kühlergehäuses benachbart ist und ein Endabschnitt des Kühlerblocks durch eine zweite Öffnung in dem zweiten Ende des Kühlergehäuses hervorsteht. Anschließend wird ein zweites Flanschteil an das zweite Ende des Kühlerblocks geschweißt, so dass zwischen dem zweiten Flanschteil und dem zweiten Ende eine abgedichtete Verbindung bewirkt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile des Wärmetauschers, des Abgaskühlers und von Verfahren zum Herstellen derselben erschließen sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, wenn man sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet.
1 ist eine perspektivische Darstellung eines entsprechend der vorliegenden Offenlegung konstruierten Wärmetauschers, wobei diese Darstellung von oben betrachtet ist und zwei vertikale Seiten des Wärmetauschers zeigt;
2 ist eine perspektivische Querschnittdarstellung des Wärmetauschers von 1, wobei diese Darstellung entlang einer mittleren, vertikalen Längsebene verläuft;
3 ist eine perspektivische Darstellung des äußeren Gussteils des Wärmetauschers von 1 mit einem darin angeordneten Wärmetauscherblock, wobei diese Darstellung von oben betrachtet ist und eine Längsseite gegenüber der in 1 dargestellten Längsseite zeigt;
4 ist eine Darstellung des Gussteils von 3 von unten;
5 ist eine Darstellung im Querschnitt, der entlang der Linie V-V von 4 verläuft;
6 ist eine Darstellung der Längsseite des Gussteils von 3;
7 ist eine Draufsicht des Gussteils von 3;
8 ist ein vertikaler Querschnitt des Gussteils, der entlang der Linie VIII-VIII von 7 verläuft;
9 ist eine Längsseitendarstellung des Gussteils, die die in 3 sichtbare Längsseite zeigt;
10 ist eine perspektivische Darstellung, die das Flanschteil zum Befestigen des Wärmetauscherblocks an dem Gussteil zeigt;
11 ist eine perspektivische Darstellung eines Teils des Wärmetauschers von 1 und 2, die einen entlang der Linie XI-XI von 7 geführten Querschnitt bewirkt;
12 ist die Draufsicht einer äußeren Platte zur Bildung einer Seite eines Kanalteils zum Durchströmen von Abgas;
13 ist eine Darstellung des Randes der äußeren Platte von 12;
14 ist die Draufsicht einer inneren Platte zur Bildung einer gegenüber liegenden Seite des Kanalteils zum Durchströmen von Abgas;
15 ist eine Darstellung des Randes der inneren Platte von 14;
16 ist eine isometrische Einzelteildarstellung von hinteren Abschnitten der drei übereinander angeordneten Kanalteile zum Durchströmen von Abgas;
17 ist eine schematische Darstellung im Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Wärmetauschers nach der vorliegenden Offenlegung; und
18 ist ein anderer schematischer Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines entsprechend der vorliegenden Offenlegung konstruierten Wärmetauschers. Ein Wärmetauscher 10, der zum Kühlen von Abgasen eines Fahrzeugs durch ein Fluid, wie ein Kühlmittel, geeignet ist, ist in 1 und 2 dargestellt. Diese Ausführungsform eines Wärmetauschers umfasst ein äußeres Gehäuseteil 12, das ein erstes Ende 14 und ein zweites Ende 16 aufweist und ein Wärmetauschergehäuse bildet, das sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstreckt. Das Gussteil 12 kann ein relativ preisgünstiges Wassergussteil sein, das in einer beispielhaften Ausführungsform aus Grauguss mit Lamellengraphit gefertigt ist. Im Innern der kastenförmigen Kammer des Gussteils befindet sich ein Wärmetauscherblock 20, der eine Vielzahl von übereinander angeordneten Kanalteilen 22 aufweisen kann, die eine erste Gruppe von durchgängigen Durchflusskanälen 24 für den Durchfluss eines ersten Fluids durch den Wärmetauscher bildet, wobei die Durchflusskanäle in einer beispielhaften Ausführungsform gewellte Rippenstrukturen enthalten, die in 2 nicht gezeigt sind aber in 16 dargestellt sind. Wenn der Wärmetauscher 10 als ein Abgasrückführkühler (AGR) verwendet wird, ist dieses erste Fluid ein heißes Abgas wie das durch einen Fahrzeugmotor erzeugte. Eine zweite Gruppe von Durchflusskanälen 26 ist zwischen den Kanalteilen für den Durchfluss eines zweiten Fluids durch den Wärmetauscher ausgebildet. Im Fall eines AGR-Kühlers kann dieses zweite Fluid ein normales flüssiges Kühlmittel des Typs sein, das im Allgemeinen in Fahrzeugen zum Kühlen von Funktionsteilen wie beispielsweise dem Fahrzeugmotor verwendet wird. Der Block 20 weist ein erstes Ende 30 sowie ein zweites und gegenüber liegendes Ende 32 auf. Das erste und das zweite Ende des Blocks 20 erstrecken sich über das erste und das zweite Ende des Gussteils 12 um zumindest einen kurzen Abstand hinaus, wie in 3 angegeben.
Das dargestellte Gussteil 12 ist an seinem ersten Ende 14 und zweiten Ende 16 offen, wobei diese Enden rechteckige Einlass- und Auslassöffnungen bilden, wie es für den Durchtritt von Abgas in den und aus dem Wärmetauscher gezeigt ist. Die Öffnung 34 kann ein Einlass für das Abgas sein, während die Öffnung 36 ein Auslass für das Durchströmen des Abgases sein kann. Jedoch ist auch ein Durchströmen des Abgases in entgegen gesetzter Richtung möglich, so dass die Öffnung 34 der Auslass wird. Nur zum Zweck dieser Beschreibung und basierend auf der Ausrichtung des Wärmetauschers, wie es in 1 und 3 gezeigt ist, weist das Gussteil eine obere Wand 40, eine flache untere Wand 42 und zwei Längsseitenwände 44 und 46 auf. Die obere Wand 40 ist mit einer zylindrischen Verlängerung 48 ausgebildet, die einen kreisförmigen Kühlmittelauslass 50 aufweist, der an ihrem äußeren Ende ausgebildet ist. Ein Ringflansch 52 erstreckt sich um diesen Auslass herum, und es sind zwei 54 Ansätze an gegenüber liegenden Seiten der Verlängerung ausgebildet. Jeder Ansatz ist mit einem Schraubenbolzenaufnahmeloch 56 ausgebildet, wobei Schraubenbolzen 56 (nicht gezeigt) verwendet werden können, um ein Kühlmittelrohr an dem äußeren Ende der Verlängerung 48 zu befestigen.
In einer der sich in Längsrichtung erstreckenden Seitenwände befindet sich eine weitere rechteckige Öffnung 60. Diese Öffnung stellt eine Kühlmitteleinlassöffnung für Kühlmittel bereit, das in die zwischen den Kanalteilen 22 ausgebildeten Zwischenräume oder Spalte fließt.
An jedem der Enden 14, 16 des Gussteils ausgebildet, springen Verbindungsansätze vor, jeweils mit einem Schraubenbolzenaufnahmegewindeloch zur Verbindung von Flanschen, um den Wärmetauscherblock wie im Folgenden beschrieben zu befestigen. Das erste Ende 14 weist vier Eckansätze 62 bis 65 auf. Das zweite Ende 16 weist ebenfalls vier Eckansätze 67 bis 70 mit den Schraubenbolzenlöchern 72 auf. Es kann ein länglicher, sich vertikal erstreckender Vorsprung 78 vorgesehen sein, um einen Durchgang für den Durchfluss von Kühlmittel zu dem Auslass 50 zu bewirken. Wie dargestellt wird, ist dieser Vorsprung mit drei kreisförmigen Gewindelöchern 79 bis 81 ausgebildet, die vertikal ausgerichtet sind und die optional zum Einbau von Druck- und Temperatursensoren (nicht gezeigt) vorgesehen sind. Die Sensoren können in diese Löcher eingeschraubt werden. Die flache Oberfläche, die die Löcher umgibt, ist maschinell sehr flach bearbeitet, um die Sensoren genau anbringen zu können. Ein kleinerer Vorsprung 84 erstreckt sich von einer Seite der Verlängerung 48 und besitzt ein sich durchgehend erstreckendes Loch 86. Das Loch 86 als Option kann ebenfalls zum Anbringen eines Druck- oder Temperatursensors verwendet werden.
An dem Gussteil können zusätzliche Verbindungsflansche bei 88 bis 90 vorgesehen sein (siehe 5), die jeweils mit Verbindungselementlöchern 92 versehen sind. Diese Flansche können bei Bedarf zum Befestigen des Gussteils an benachbarte Träger oder Rahmen verwendet werden.
Der Wärmetauscherblock 20 kann vielfältige Formen annehmen. Der dargestellte, beispielhafte Block weist einen Satz von Wärmetauscherkanalteilen 22 auf, wobei der Block eine obere Platte 100 umfassen kann, die eine Hälfte des oberen Kanalteils 22 ist, und eine untere Platte 102, die eine Hälfte des unteren Kanalteils ist. Die obere Platte 100 und untere Platte 102 sind an ihren gegenüber liegenden Enden durch Schweißen mit einem ersten Flansch 104 und einem zweiten Flansch 106 verbunden, indem längs der Kante jeder Platte eine ununterbrochene abgedichtete Verbindung ausgebildet wird. Die beiden Flansche sind von ähnlicher Form, wobei der erste Flansch 104 in 10 getrennt dargestellt ist. Jeder Flansch bildet eine rechteckige Öffnung 108 für das Durchströmen von Abgas. Jeder Flansch kann in der Form eines rechteckigen Rahmens sein, der wie gezeigt wird, vier Seiten 109 bis 112 aufweist, wobei an jeder der vier Ecken Verbindungslaschen 114 vorgesehen sind. Jede dieser Laschen besitzt ein Schraubenbolzenaufnahmeloch 116. Zwei der Laschen auf einer Seite können länger sein als die Laschen auf der gegenüber liegenden Seite des Flansches, wie es in 1 und 10 gezeigt ist. Die zwei Flansche können durch geeignete Schraubenbolzen, von denen zwei in 1 gezeigt sind, verbunden werden. Zum Verbinden dieser Schraubenbolzen können, wenn die Laschen an dem Gussteil nicht mit Gewinde versehen sind, Muttern verwendet werden. Es wird somit deutlich, dass der erste Flansch 104 so ausgebildet ist, um mit dem ersten Ende 14 des Gussteils 12 verbunden zu werden, während der zweite Flansch 106 so ausgebildet ist, um mit dem zweiten Ende 16 des Gussteils verbunden zu werden. Der erste Flansch und der zweite Flansch können genutzt werden, um zwischen dem Wärmetauscherblock und dem Gussteil 12 eine Abdichtung zu bewirken, wenn die Flansche damit verbunden werden.
Jedes der dargestellten Kanalteile 22 kann durch ein Paar von Platten 118, 120 gebildet werden. Jede dieser Platten ist mit Kantenrändern 208, 210 an deren gegenüber liegenden Seiten ausgebildet, und benachbarte Kantenflansche von zwei Platten benachbarter Kanalteile werden beispielsweise durch einen Hartlötvorgang abdichtend verbunden. Tatsächlich kann ein einziger Hartlötschritt zum Bilden des gesamten Blocks des Wärmetauschers genutzt werden. Jede Platte besitzt einen verhältnismäßig großen mittleren Abschnitt 128, der im Abstand von dem mittleren Abschnitt der anderen Platte des Paars angeordnet ist, um einen entsprechenden der Durchflusskanäle 24 zu bilden.
12 bis 15 veranschaulichen Einzelheiten der inneren Platte 118 und der äußeren Platte 120, die zusammen jedes Kanalteil 22 bilden können. Die äußere Platte 120 weist zwei sich in Längsrichtung erstreckende Kantenflansche 200 und 202 auf, wobei beide dieser Kantenflansch in 16 sichtbar sind. In gleicher Weise besitzt jede der inneren Platten 118 zwei Längskantenflansche 205, 206. Wie in 16 gezeigt ist, werden die Kantenflansche 205, 206 der inneren Platte durch die Kantenflansche 200 und 202 der äußeren Platte überlappt und können durch einen Hartlötvorgang, der in der Wärmetauscherindustrie ein bekannter Vorgang ist, starr und abdichtend miteinander verbunden werden. Eine der Platten, zum Beispiel die äußere Platte, kann anfänglich mit einem Hartlot überzogen werden, um den Hartlötvorgang zu erleichtern. In einer beispielhaften Version des Wärmetauschers sind die Platten 118, 120 aus dünnen Metallplatten aufgebaut, die eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 0,6 mm (oder 0,008 Zoll bis 0,025 Zoll) besitzen.
An gegenüber liegenden Enden der Platten 118, 120 sind, wie es gezeigt wird, Schlussflansche 208, 210 ausgebildet, die sich in der gesamten Breite jeder Platte erstrecken. Zwischen jedem mittleren Plattenabschnitt 128 und dem Schlussflansch kann ein geneigter Übergangsabschnitt 211, 212 ausgebildet sein. In dem Fall der dargestellten inneren Platte 118 sind die Schlussflansche 208 in einem kurzen Abstand von der Ebene des benachbarten mittleren Abschnitts nach oben verschoben. In dem Fall der äußeren Platte 120 sind die Schlussflansche 210, wie es in 16 gezeigt wird, in einem kurzen Abstand von der Ebene ihres mittleren Abschnitts 128 nach unten verschoben. Die Schlussflansche 208, 210 erlauben es, dass jedes Kanalteil an das benachbarte Kanalteil an ihren entsprechenden gegenüber liegenden Enden starr angelötet wird. Außerdem kann jede der inneren und äußeren Platten mit Reihen, zum Beispiel zwei Reihen von Vertiefungen 214, 216 ausgebildet sein. Im Fall der inneren Platte 118 stehen die Vertiefungen, die mit flachen Oberteilen versehen sein können, nach oben, so dass sich ihre Oberteile in der gleichen Ebene wie die Schlussflansche 208 befinden. Andererseits stehen die Vertiefungen 216 an der äußeren Platte 120 nach unten vor, wenn die äußere Platte in der in 13 und 16 dargestellten Weise ausgerichtet ist. Die Vertiefungen können genutzt werden, um benachbarte Kanalteile im Bereich ihrer mittleren Abschnitte 128 starr zu verbinden, und die Vertiefungen können die Beibehaltung des Zwischenraums oder Spaltes zwischen den benachbarten mittleren Abschnitten der zwei Kanalteile unterstützen. Insbesondere können benachbarte Vertiefungen von benachbarten Kanalteilen durch den Hartlötvorgang verbunden werden.
Obwohl der gewellte Rippenaufbau 27 mit normalen Wellen, die sich in der Länge oder in einem wesentlichen Teil der Länge des Blocks erstrecken, ausgebildet sein kann, weist in einer bevorzugten Ausführungsform jeder Rippenaufbau zwei Reihen von benachbarten Wellen auf, wobei die Wellen einer Reihe von den Wellen der nächsten Reihe versetzt sind, um einen verbesserten Wärmeübergang in einer in der Wärmetauscherindustrie bekannten Art und Weise zu bewirken.
Wie es am besten in 16 ersichtlich ist, bilden die übereinander angeordneten Kanalteile 22 an jedem Ende des Blocks zwei im Wesentlichen fortlaufende, vertikale Kanten bei 220, 222. Außerdem erstrecken sich diese vertikalen Kanten in der gesamten Höhe der im benachbarten ersten Flansch 104 oder dem benachbarten zweiten Flansch 106 ausgebildeten Öffnung. Somit kann der gesamte Umfang des Blocks an jedem Ende durchgehend an den benachbarten Schlussflansch 104 oder 108 angeschweißt werden. Auf diese Weise wird eine abgedichtete Verbindung zwischen dem ersten Schlussflansch 104 und dem benachbarten Ende des Blocks sowie zwischen dem zweiten Flansch und dem Ende des daran angrenzenden Blocks gebildet.
17 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform eines Wärmetauschers dar, der als ein AGR-Kühler verwendet werden kann. Dieser Wärmetauscher 130 besteht aus einem Wärmetauscherblock 132, der ebenfalls aus mehreren übereinander angeordneten Kanalteilen, die den in der Ausführungsform von 1 und 2 verwendeten ähnlich sind, hergestellt werden kann. Diese Kanalteile bilden außerdem eine erste Gruppe von Durchflusskanälen, die sich in Längsrichtung durchgehend erstrecken, und eine zweite Gruppe von Durchflusskanälen. In einer beispielhaften Ausführungsform des Blocks sind diese Kanalteile miteinander verlötet, so dass sie einen einheitlichen Block bilden.
Ein äußeres Gussteil in der Form des Gussteils 134 umgibt den Block 132 und ermöglicht es, dass ein Kühlmittel wie ein Glykolwassergemisch durch die zweite Gruppe von zwischen den Kanalteilen gebildeten Durchflusskanälen fließt. Wie in der ersten Ausführungsform, dient das Kühlmittel zum Kühlen des Abgases, das durch die erste Gruppe von Durchflusskanälen strömt.
Zum Anbringen des Blocks 132 in dem Gussteil, so dass der Block sich in einer durch das Gussteil gebildeten Kammer 136 befindet, ist ein Schlussflansch 140 und ein Dichtungsring oder Dichtung 142 an dem ersten Ende 14 des Blocks angeordnet, wobei der Schlussflansch an Ort und Stelle geschweißt wird wie es durch Schweißnähte 144 angegeben ist, die sich fortlaufend entlang aller vier Kanten des ersten Endes 14 abdichtend erstrecken. Nach dem Schweißvorgang kann der Block mit dem daran angebrachten Dichtungsring durch ein Ende des Gussteils 134 eingesetzt werden. Nach diesem Schritt stößt der Schlussflansch 140 mit angrenzendem Dichtungsring 142 an das Ende des Gussteils und bildet eine Abdichtung um die Öffnung in dessen Ende herum, so dass ein etwaiges Auslaufen des Kühlmittels durch das Ende des Wärmetauschers oder AGR-Kühlers 130 verhindert wird.
Der nächste Schritt beim Verfahren zur Herstellung dieses Wärmetauschers ist das Anbringen eines zweiten Dichtungsrings oder einer Dichtung 146 sowie eines zweiten Flanschteils 148 an dem zweiten ausgestellten Ende 16 des Blocks. Nach einer beispielhaften Form des Herstellungsverfahrens wird die Baugruppe zusammengedrückt und mit Halterungen zusammengehalten, und der zweite Schlussflansch 148 wird in der richtigen Lage an seinem Ende des Blocks geschweißt, wobei zwei Schweißnähte bei 150 angegeben sind. Der zweite Dichtungsring oder Dichtung 146 bildet eine Abdichtung an seinem entsprechenden offenen Ende des Gussteils 134, wodurch etwaige undichte Stellen von diesem Ende des Wärmetauschers verhindert werden. Bei dieser Stufe in der Montage wird der Block im Innern des Gussteils angebracht, und der Wärmetauscher ist eine vollständige Einheit.
In diesem Wärmetauscher ist außerdem ein AGR-Einlassgussteil 152 und ein AGR-Auslassgussteil 154 vorgesehen, die jeweils mit einer rechteckigen Öffnung (nicht dargestellt) für das Durchströmen von Abgasen ausgebildet sind. Diese zwei Gussteile können auch als Abschlusskappen für den Wärmetauscher betrachtet werden. An der Innenfläche jedes dieser Gussteile ist ein zusätzlicher Dichtungsring oder eine Dichtung 156, jeweils mit Schraubenbolzenlöchern 158 ausgebildet, angeordnet. Die Einlass- und Auslassgussteile selbst sind auch mit Schraubenbolzenlöchern 160, 162 für den Durchgang von Schraubenbolzen 164 ausgebildet, von denen nur zwei gezeigt sind. Es wird verständlich, dass die Gussteile 152, 154 Mittel zum Befestigen des Wärmetauschers im Innern des Abgaskreislaufs des Fahrzeugs bereitstellen. Die Verbindungen zwischen jedem Gussteil 152, 154 und seinem entsprechenden Flanschteil werden durch seinen entsprechenden Dichtungsring 158 abgedichtet.
Obwohl es in 17 nicht dargestellt ist, wird verständlich, dass das Gussteil 134 mit einem Einlass für den Zufluss von Kühlmittel in seine Kammer 136 und einen Auslass für dieses Kühlmittel versehen ist. Wenn das zweite Flanschteil 148 an sein Ende des Blocks angeschweißt wird, muss man darauf achten, nicht den angrenzenden Dichtungsring 146 zu beschädigen. Abhängig von dem für den Dichtungsring 146 verwendeten Werkstoff kann es notwendig sein, das Flanschteil während des Schweißvorgangs abzukühlen.
Eine weitere Ausführungsform eines Wärmetauschers 170, der als ein AGR-Kühler genutzt werden kann, ist schematisch in 18 dargestellt. Hier werden nur diejenigen Teile und Komponenten dieses Wärmetauschers beschrieben, die sich vom Wärmetauscher 130 von 17 unterscheiden. Der im Allgemeinen bei 172 angegebene Endabschnitt ist genauso konstruiert wie der entsprechende Endabschnitt der Ausführungsform von 17. Jedoch weist diese Ausführungsform anstelle des zweiten Schlussflanschteils 148 und eines getrennten Dichtungsrings 146 ein mit Schraubenbolzenlöchern 178 versehenes biegsames Schlussflanschteil 176 auf. Der Schlussflansch 176 wird zum Befestigen und Abdichten des Wärmetauscherblocks an seinem entsprechenden Ende mit dem Gussteil verwendet. Das biegsame Flanschteil 176 kann außerdem als eine flexible Abdichtung betrachtet werden, die einen in radialer Richtung rohrförmigen inneren Querschnitt 180 aufweist, der an das vorstehende zweite Ende 16 des Kühlerblocks angeschweißt wird. Diese flexible Abdichtung weist außerdem einen in radialer Richtung ebenen, äußeren Querschnitt 182 auf, in dem die Schraubenbolzenlöcher 178 ausgebildet sind. Dieser äußere Querschnitt 182 ist so gestaltet, dass er durch die Schraubenbolzen 164 abnehmbar mit dem zweiten Ende des Gussteils, das auch als ein Kühlergehäuse bezeichnet werden kann, verbunden wird. Das biegsame Flanschteil 176 weist einen gewellten, mittleren Abschnitt 190 auf, der ein Maß von Längsausdehnung des Blocks zulässt, die aufgrund der veränderlichen Temperaturbereiche, denen der Wärmetauscher während des Betriebes ausgesetzt ist, auftreten kann. Gleichzeitig kann dieser mittlere Abschnitt mit dem Rest des Flanschteils eine Abdichtung zwischen dem Block und dem Gussteil sichern. Der innere Querschnitt 180 entspricht der Form des ausgestellten Endabschnitts des Blocks. Der äußere Abschnitt 182 greift auf das angrenzende Ende des Gussteils über. Es wird verständlich, dass dieses andere Ende an Ort und Stelle verschraubt wird, wenn die Abschlusskappe des Auslassgussteils 154 an dem Ende des Gussteils angeordnet und mit den Schraubenbolzen 164 befestigt ist.
Ein eindeutiger Vorteil des hier beschriebenen Wärmetauschers ist, dass er mit einem relativ preisgünstigen äußeren Gussteil hergestellt werden kann, das kein Schweißen erfordert, um den Wärmetauscherblock an dem Gussteil zu befestigen. In einer Ausführungsform des Wärmetauschers sind Montageflansche an gegenüber liegenden Enden des Blocks durch Schraubenbolzen an dem äußeren Gussteil befestigt. Bei dem Wärmetauscher, der in der in 18 dargestellten Weise konstruiert ist, können zusätzliche Vorteile vorhanden sein, wie beispielsweise die Fähigkeit des Wärmetauschers, Unterschiede bei der Wärmeausdehnung zwischen dem Block und dem äußeren Gehäuse auszugleichen sowie die Verwendung von insgesamt weniger Bauelementen.
Zusätzliche Vorteile von beispielhaften Wärmetauschern, die wie hier beschrieben aufgebaut sind, schließen die mögliche Verwendung einer breiteren Auswahl von Werkstoffen für den Block (und/oder das Gussteil) ein, da eine Verträglichkeit zwischen dem für den Block verwendeten Werkstoff und dem für das Gussteil verwendeten Werkstoff wahrscheinlich nicht erforderlich ist, weil sie nicht verschweißt werden. Zumindest im Fall der in 18 veranschaulichten Ausführungsform, bei der ein elastischer zweiter Flansch zum Montieren des Blocks verwendet wird, berücksichtigt die Verwendung eines solchen Flansches die Ausdehnung des Blocks in einer Weise, die es unterstützt, Risse oder undichte Stellen an den Verbindungen zwischen dem Block und dem Gussteil zu verhindern. während die vorliegende Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, wie ihr in mehreren beispielhaften Ausführungsformen konkrete Form gegeben wird, d. h. Ausführungsformen mit einem speziellen Nutzen bei Anwendungen von Wärmeaustausch oder Kühlung, soll verständlich werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hier dargestellten Einzelheiten beschränkt ist, weil verständlich wird, dass verschiedene Weglassungen, Modifizierungen, Ersetzungen und Veränderungen in den Formen und Einzelheiten der offenbarten Wärmetauscher und Verfahren zur Herstellung derselben vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne in irgendeiner Weise vom Geist oder Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel wird der Fachmann ohne weiteres die vorliegende Offenlegung für verschiedene andere Anwendungen anpassen, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Wärmetauscher, umfassend: ein äußeres Gussteil, das ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und ein zwischen dem ersten und dem zweiten Ende sich erstreckendes Wärmetauschergehäuse bildet; eine Vielzahl von übereinander angeordneten Kanalteilen, die jeweils eine erste Gruppe von Durchflusskanälen für den Durchfluss eines ersten Fluids durch den Wärmetauscher bilden, zwischen benachbarten Kanalteilen gebildete Räume, um eine zweite Gruppe von Durchflusskanälen für den Durchfluss eines zweiten Fluids durch den Wärmetauscher bereitzustellen, wobei die übereinander angeordneten Kanalteile einen Wärmetauscherblock mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende bilden, wobei der Wärmetauscherblock innerhalb des äußeren Gussteils eingebaut ist, jedes der ersten und zweiten Enden des Blocks einen vollen Umfang aufweist und der Wärmetauscherblock im Innern des äußeren Gussteils eingebaut ist; erste und zweite Flansche jeweils mit Flanschseiten, die eine durchgehende Öffnung zum Durchfluss des ersten Fluids bilden und umgeben und jeweils darin ausgebildete Verbindungselementlöcher aufweisen, wobei jeder Flansch an einem entsprechenden der ersten und zweiten Enden des Wärmetauscherblocks starr befestigt wird, indem der volle Umfang des entsprechenden einen Endes mit dem Flansch durchgehend verschweißt wird, wodurch zwischen dem Flansch und seinem entsprechenden Ende des Blocks eine abgedichtete Verbindung bereitgestellt wird; während jeder Flansch durch Verbindungselemente, die durch die Verbindungselementlöcher bis zu seinem entsprechenden Ende des äußeren Gussteils reichen, verbunden werden soll.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Verbindungselemente Schraubenbolzen umfassen, das äußere Gussteil aus Gusseisen hergestellt ist und sowohl an dem ersten Ende als auch an dem zweiten Ende mit Schraubenbolzenaufnahmelöchern ausgebildet ist, und die Verbindungselementlöcher des ersten und des zweiten Flansches nach den Schraubenbolzenaufnahmelöchern in dem äußeren Gussteil ausgerichtet sind, damit die Flansche durch die Schraubenbolzen an dem äußeren Gussteil befestigt werden können.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 mit einer ersten Abdichtung, die zwischen dem ersten Flansch und dem ersten Ende des äußeren Gussteils angeordnet ist, und mit einer zweiten Abdichtung, die zwischen dem zweiten Flansch und dem zweiten Ende des äußeren Gussteils angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, umfassend: ein Einlassgussteil, das einen Einlass für Abgase von einem Motor bildet; und ein Auslassgussteil, das einen Auslass für die Abgase bildet; sowohl das Einlassgussteil als auch das Auslassgussteil darin ausgebildete Schraubenbolzenlöcher aufweisen, die mit den Schraubenbolzenaufnahmelöchern in dem äußeren Gussteil und den Verbindungselementlöchern in dem ersten und dem zweiten Flansch ausrichtbar sind; bei dem einige der Schraubenbolzen verwendet werden können, um das Einlassgussteil und den ersten Flansch zusammen an dem ersten Ende des äußeren Gussteils zu befestigen, und weitere der Schraubenbolzen verwendet werden können, um das Auslassgussteil und den zweiten Flansch an dem zweiten Ende des äußeren Gussteils zu befestigen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem der zweite Flansch eine biegsame Dichtung mit einem rohrförmigen inneren Querschnitt ist, der durch Schweißen an dem zweiten Ende des Wärmetauscherblocks starr befestigt ist, und mit einem äußeren Querschnitt, der durch die Verbindungselemente mit dem zweiten Ende des äußeren Gussteils verbunden werden soll, wobei die biegsame Dichtung eine Wärmeausdehnung des Wärmetauscherblocks relativ zu dem äußeren Gussteil bei Betrieb des Wärmetauschers zulässt.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, bei dem der äußere Querschnitt der Dichtung und der erste Flansch mit Schraubenbolzenlöchern ausgebildet sind, und das äußere Gussteil sowohl an dem ersten Ende als auch an dem zweiten Ende mit Schraubenbolzenaufnahmelöchern ausgebildet ist, wobei die biegsame Dichtung und der erste Flansch an dem äußeren Gussteil durch Schraubenbolzen befestigt werden können.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, umfassend: ein Einlassgussteil, das einen Einlass für Abgase von einem Motor bildet; und ein Auslassgussteil, das einen Auslass für die Abgase bildet; wobei sowohl das Einlassgussteil als auch das Auslassgussteil darin ausgebildete Schraubenbolzenlöcher aufweisen, die nach den Schraubenbolzenaufnahmelöchern in dem äußeren Gussteil und den Schraubenbolzenlöchern in dem äußeren Querschnitt der Dichtung und dem ersten Flansch ausgerichtet sind; wobei einige der Schraubenbolzen zum Befestigen des Einlassgussteils und des ersten Flanschteils zusammen an dem ersten Ende des äußeren Gussteils verwendet werden können, und weitere der Schraubenbolzen zum Befestigen des Auslassgussteils und der Dichtung an dem zweiten Ende des äußeren Gussteils verwendet werden können.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, umfassend: eine erste Abdichtung, die zwischen dem ersten Flansch und dem ersten Ende des äußeren Gussteils angeordnet ist; und eine zweite Abdichtung, die zwischen dem Einlassgussteil und dem ersten Flansch angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, bei dem die übereinander angeordneten Kanalteile aus dünnen Platten aufgebaut sind, die eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 0,6 mm aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, bei dem das erste Fluid ein Abgas von einem Motor ist, das zweite Fluid ein Kühlmittel zum Kühlen von Abgas ist und jedes Kanalteil eine gewellte Rippenplatte zur Verbesserung von Wärmeaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid enthält.
Abgaskühler zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem Motor, der beim Einsatz ein Abgas ausstößt, wobei der Kühler aufweist: ein gegossenes Kühlergehäuse mit einem ersten Ende, einem gegenüber liegenden zweiten Ende, einer Wärmeaustauschkammer, die sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt, einen Einlasskanal für Kühlmittel und einen Auslasskanal für Kühlmittel; einen Wärmetauscherblock mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, der in der Kammer des Kühlergehäuses eingebaut ist, wobei der Block Kanalteile enthält, die erste Durchflusskanäle für das Durchströmen des Abgases durch den Block bilden, zweite Durchflusskanäle zwischen den Kanalteilen für den Durchfluss des Kühlmittels durch den Block vorgesehen sind, wobei die zweiten Durchflusskanäle mit den ersten Durchflusskanälen abwechseln, jedes der ersten und zweiten Enden des Blocks einen vollen Umfang aufweist; erste und zweite Flansche jeweils mit Flanschseiten, die eine Öffnung zum Durchströmen von Abgas bilden und umgeben und jeweils darin ausgebildete Verbindungselementlöcher aufweisen, wobei jeder Flansch an einem entsprechenden der ersten und zweiten Enden des Wärmetauscherblocks starr befestigt ist, indem der volle Umfang des entsprechenden einen Endes durchgehend verschweißt wird, um dadurch zwischen dem Flansch und seinem entsprechenden Ende des Blocks eine abgedichtete Verbindung bereitzustellen; wobei jeder der ersten und zweiten Flansche durch Verbindungselemente, die sich durch die Verbindungselementlöcher erstrecken, mit seinem entsprechenden Ende des äußeren Gussteils verbunden werden soll.
Abgaskühler nach Anspruch 11, bei dem die Verbindungselemente Schraubenbolzen sind, das Kühlergehäuse aus Gusseisen hergestellt ist und sowohl an seinem ersten Ende als auch an seinem zweiten Ende mit Schraubenbolzenaufnahmelöchern ausgebildet ist, und die Verbindungselementlöcher des ersten Flansches und des zweiten Flansches nach den Schraubenbolzenaufnahmelöchern in dem Kühlergehäuse ausrichtbar sind, damit die Flansche an dem Kühlergehäuse durch die Schraubenbolzen verbunden werden können.
Abgaskühler nach Anspruch 12 mit einer ersten Abdichtung, die zwischen dem ersten Flansch und dem ersten Ende des Kühlergehäuses angeordnet ist, und mit einer zweiten Abdichtung, die zwischen dem zweiten Flansch und dem zweiten Ende des Kühlergehäuses angeordnet ist.
Abgaskühler nach Anspruch 12, bei dem gewellte Rippenplatten in den ersten Durchflusskanälen eingebaut sind, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel zu verbessern.
Abgaskühler nach Anspruch 13, bei dem der zweite Flansch eine biegsame Dichtung mit einem rohrförmigen inneren Querschnitt ist, der durch Schweißen an dem zweiten Ende des Wärmetauscherblocks starr befestigt ist, und mit einem äußeren Querschnitt, der so gestaltet ist, um durch einige der Schraubenbolzen an dem zweiten Ende des Kühlergehäuses verbunden zu werden.
Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers, umfassend: Bereitstellen eines hartgelöteten Kühlerblocks mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei der Block Kanalteile umfasst, die übereinander angeordnet sind und zwei Gruppen von Durchflusskanälen für den Durchfluss von Kühlmittel durch eine erste der Gruppen und für das Durchströmen von heißen Gasen durch eine zweite der Gruppen bilden, die Durchflusskanäle der ersten Gruppe mit den Durchflusskanälen der zweiten Gruppe abwechseln, wobei jedes der ersten und zweiten Enden des Kühlerblocks einen vollen Umfang aufweist; Bereitstellen eines gegossenen Kühlergehäuses mit einem ersten Ende, einem gegenüber liegenden zweiten Ende, einer Wärmeaustauschkammer, die sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt, und Öffnungen zum Durchfluss des Kühlmittels in die und aus der Kammer; Bereitstellen von ersten und zweiten Flanschteilen jeweils mit Flanschseiten, die eine Öffnung zum Durchströmen von Abgas bilden und umgeben, wobei jedes Flanschteil darin ausgebildete Verbindungselemente aufweist; Schweißen des vollen Umfangs des ersten Endes des Kühlerblocks durchgehend an das erste Flanschteil, um zwischen dem ersten Flanschteil und dem ersten Ende eine abgedichtete Verbindung bereitzustellen; Einsetzen des Kühlerblocks in die Wärmeaustauschkammer des Kühlergehäuses durch eine erste Öffnung in dem ersten Ende des Kühlergehäuses, so dass das erste Flanschteil dem ersten Ende des Kühlergehäuses benachbart ist und ein Stirnflächenquerschnitt des Kühlerblocks durch eine zweite Öffnung in dem zweiten Ende des Kühlergehäuses hervorsteht; Schweißen des vollen Umfangs des zweiten Endes des Kühlerblocks durchgehend an das zweite Flanschteil, so dass zwischen dem zweiten Flanschteil und dem zweiten Ende eine abgedichtete Verbindung bereitgestellt wird; und Verbinden jedes Flanschteils mit seinem entsprechenden Ende des Kühlerblocks durch Verbindungselemente.
Verfahren nach Anspruch 16, umfassend die zusätzlichen Schritte des: Anordnens einer ersten Abdichtung angrenzend an eine Innenfläche des ersten Flanschteils, nachdem letzteres an dem ersten Ende angeschweißt ist, so dass nach dem Einsetzschritt des Kühlerblocks die erste Abdichtung zwischen dem ersten Flanschteil und dem ersten Ende des Kühlergehäuses angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, umfassend den weiteren Schritt des: Anordnens einer zweiten Abdichtung angrenzend an das zweite Ende des Kühlergehäuses vor dem Schweißen des zweiten Flanschteils an das zweite Ende des Kühlerblocks; und Zusammenpressens der Baugruppe des Kühlerblocks mit dem befestigten ersten Flanschteil, dem Kühlergehäuse und der ersten Abdichtung und der zweiten Abdichtung vor dem Schritt des Schweißens des zweiten Flanschteils.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das zweite Flanschteil eine flexible Abdichtung ist, mit einem in radialer Richtung rohrförmigen inneren Querschnitt, der an das zweite Ende des Kühlerblocks geschweißt wird, und einem in radialer Richtung ebenen äußeren Querschnitt, der mittels der Verbindungselemente mit dem zweiten Ende des Kühlergehäuses verbunden werden soll, wobei das zweite Flanschteil es erlaubt, dass sich der Kühlerblock beim Einsatz des Wärmetauschers in der Längsrichtung des Kühlerblocks thermisch ausdehnt.
Verfahren nach Anspruch 19, umfassend den zusätzlichen Schritt des demontierbaren Verbindens eines Auslassgussteils mit dem in radialer Richtung äußeren Querschnitt des zweiten Flanschteils und mit dem zweiten Ende des Kühlers, wobei das Auslassgussteil eine mittlere Auslassöffnung aufweist, die nach dem zweiten Ende des Kühlerblocks ausgerichtet ist.