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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorzug vor der vorläufigen Patentanmeldung
US201261705168P , eingereicht am 25. September 2012, deren gesamte Inhalte hier durch Bezugnahme aufgenommen werden.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher und insbesondere auf Wärmetauscher zum Abführen von Wärme aus Hochtemperaturgasen, wie zum Beispiel einem Abgas.
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Wärmetauscher zum Abführen von Wärme aus einem Abgasstrom oder einem anderem Gas mit erhöhter Temperatur sind recht bekannt. Als ein im Fachgebiet bekanntes Beispiel werden Abgasrückführungs-(EGR, Exhaust Gas Recirculation)Kühler kombiniert mit Motoren mit innerer Verbrennung, die mit dem Diesel-Verfahren oder dem Otto-Verfahren (unter anderen) betrieben werden, verwendet, um die Temperatur eines Teils des vom Verbrennungsmotor produzierten Abgases zu verringern, so dass dieser Teil des Abgases zum Lufteinlassverteiler des Verbrennungsmotors zurückgeführt werden kann. Solche Rückführung von Abgas reduziert bekanntermaßen effektiv die Menge eines bekannten Schadstoffs (Stickoxide), der während des Verbrennungsprozesses produziert wird.
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Ein typischer EGR-Kühler der oben beschriebenen Art wird in 1 gezeigt. Der Kühler 101 stellt einen Durchflussweg, der von einem Abgaseinlass 102 zu einem Abgasauslass 103 verläuft, für einen aus dem Verbrennungsmotor aufgenommenen Abgasstrom bereit. Das Abgas wird in einem Einlassverteiler 104 aufgenommen, der dem Abgaseinlass 102 benachbart ist, und wird an mehrere fluidführende Rohre verteilt, die vom Einlassverteiler 104 zu einem ähnlichen Auslassverteiler 105 verlaufen, der dem Abgasauslass 103 benachbart angeordnet ist. Ein Gehäuse 108 verläuft vom Einlassverteiler 104 zum Auslassverteiler 105 und stellt einen Kühlwassermantel bereit, der die abgasführenden Rohre umgibt. Umlaufendes Kühlwasser wird mittels Kühlmittelanschlüssen 106 und 107 durch den Kühlwassermantel geleitet, so dass das die Temperatur des Abgases, das durch den Kühler 101 läuft, durch die Übertragung von Wärme zum umlaufenden Kühlwasser reduziert wird.
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Obwohl Wärmetauscher, wie zum Beispiel der Wärmetauscher 101 aus 1 für ihren Verwendungszweck, ein Abgas zu kühlen, geeignet sein können, sind sie bei Weitem nicht perfekt. Als ein Beispiel: Häufig werden auf den Wärmetauscher starke mechanische Spannungen durch die wechselnden Wärmeausdehnungen und -kontraktionen aufgebracht, die er im Laufe seiner Betriebslebensdauer erfährt. Diese mechanischen Spannungen können, wenigstens zum Teil, das Ergebnis der Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen dem relativ kalten Gehäuse 108 und den relativ heißes Fluid führenden Rohren sein und können zu vorzeitigem strukturellem Versagen des Kühlers 101 führen (z. B. einer Bruchstelle in der Trennung des Abgases vom Kühlmittel). Somit sind noch Verbesserungen möglich.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Wärmetauscher bereitgestellt, um Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten Fluid zu übertragen. Der Wärmetauscher enthält Kopfstücke, die an gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers angeordnet sind, und eine erste Durchflussleitung, die die Kopfstücke fluidisch verbindet, um es dem ersten Fluid zu gestatten, durch den Wärmetauscher zu strömen. Die erste Durchflussleitung ist durch einen ersten, im Allgemeinen ebenen Wandungsabschnitt begrenzt, der zwischen dem ersten und dem zweiten Kopfstück verläuft. Eine zweite Durchflussleitung gestattet, dass ein zweites Fluid durch den Wärmetauscher strömt, und ist von wenigstens einem der Kopfstücke beabstandet. Die zweite Durchflussleitung wird durch einen zweiten, im Allgemeinen ebenen Wandungsabschnitt begrenzt, der vom ersten, im Allgemeinen ebenen Wandungsabschnitt beabstandet ist, so dass zwischen den Wandungsabschnitten eine Lücke definiert wird. Eine thermisch leitfähige Struktur ist in der Lücke angeordnet und mit den beiden Wandungsabschnitten verbunden, so dass Wärme zwischen ihnen übertragen werden kann. Die thermisch leitfähige Struktur ist vom ersten Fluid durch den ersten, im Allgemeinen ebenen Wandungsabschnitt und vom zweiten Fluid durch den zweiten, im Allgemeinen ebenen Wandungsabschnitt getrennt.
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Gemäß einigen Ausführungsformen ist die zweite Durchflussleitung von beiden Kopfstücken beabstandet. In einigen Ausführungsformen sind in der Lücke Kanäle enthalten, die durch die thermisch leitfähige Struktur und die Wandungsabschnitte definiert werden. In einigen Ausführungsformen verlaufen die Kanäle in eine Richtung, die zu der von den gegenüberliegenden Kopfstücken definierten Längsrichtung transversal ist. In einigen Ausführungsformen wird jeder der Kanäle von genau einem der Wandungsabschnitte begrenzt.
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Gemäß einigen Ausführungsformen enthält die thermisch leitfähige Struktur ein Wellblech. In einigen Ausführungsformen beträgt die Stärke des Wellblechs nicht mehr als die Hälfte der Stärke eines der Wandungsabschnitte.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein Wärmetauscher Kopfstücke, die an gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers angeordnet sind, und Flachrohre, die zwischen den Kopfstücken verlaufen. Ein erstes Ende jedes Rohres verläuft durch einen entsprechenden Rohrschlitz im ersten Kopfstück, und ein zweites Ende jedes Rohres verläuft durch einen entsprechenden Rohrschlitz im anderen Kopfstück. Plattenbaugruppen greifen mit den Rohren zwischen den beiden Kopfstücken ineinander, und thermisch leitfähige Strukturen sind in Lücken zwischen benachbarten Rohren und Plattenbaugruppen angeordnet. Die thermisch leitfähigen Strukturen verbinden gegenüberliegende äußere Flächen der Rohre und Plattenbaugruppen, um Wärme zwischen ihnen zu übertragen.
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Gemäß einigen Ausführungsformen sind die Plattenbaugruppen von wenigstens einem der Kopfstücke beabstandet. In einigen Ausführungsformen sind zwischen Rohren und Plattenbaugruppen, die benachbart sind, Kanäle enthalten, die von den thermisch leitfähigen Strukturen und den äußeren Flächen definiert werden. In einigen. Ausführungsformen verlaufen die Kanäle in eine Richtung, die zu einer rohraxialen Richtung der Rohre transversal ist. In einigen Ausführungsformen enthalten die thermisch leitfähigen Strukturen Wellbleche.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Wärmetauscher bereitgestellt, um Wärme zwischen zwei Fluiden zu übertragen. Der Wärmetauscher enthält einen ersten Satz von Durchflussleitungen, um das erste Fluid durch den Wärmetauscher zu transportieren, und einen zweiten Satz von Durchflussleitungen, die mit dem ersten Satz ineinandergreifen, um das zweite Fluid durch den Wärmetauscher zu transportieren. Zwischen benachbarten Durchflussleitungen sind Zwischenstrukturen angeordnet, um thermische und strukturelle Verbindungen zwischen den Durchflussleitungen bereitzustellen. Die Zwischenstrukturen enthalten während thermischer Wechselbeanspruchung des Wärmetauschers eine Opfer-Ermüdungsstelle.
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Gemäß einigen Ausführungsformen werden thermisch induzierte Spannungen durch Rissbildung an der Opfer-Ermüdungsstelle abgebaut. In einigen Ausführungsformen sind die Zwischenstrukturen mit im Allgemeinen ebenen Wandungsabschnitten verbunden, die Teile des ersten und zweiten Satzes von Durchflussleitungen sind.
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Gemäß einigen Ausführungsformen enthalten die Zwischenstrukturen Formbleche. In einigen Ausführungsformen beträgt die Materialstärke der Bleche nicht mehr als die Hälfte der Stärke der im Allgemeinen ebenen Wandungsabschnitte. In einigen Ausführungsformen definieren die Zwischenstrukturen und die Wandungsabschnitte Kanäle, und in einigen Ausführungsformen werden die Kanäle durch genau einen der im Allgemeinen ebenen Wandungsabschnitte begrenzt.
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Gemäß einigen Ausführungsformen enthält der Wärmetauscher einen Einlassverteiler und einen Auslassverteiler für das erste Fluid. In einigen Ausführungsformen ist der zweite Satz von Durchflussleitungen von wenigstens einem der Verteiler beabstandet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers nach dem Stand der Technik.
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3A und 3B sind perspektivische Teilansichten gewisser Teile des Wärmetauschers aus 2.
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4 ist eine Detailansicht eines Bereichs des Wärmetauschers aus 3B, gesehen in der durch die Pfeile IV-IV angegebenen Richtung.
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5 ist eine Querschnittsteilansicht eines sich wiederholenden Teils des Wärmetauschers aus 2.
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6 ist eine perspektivische Ansicht eines Rohres und Einsatzstücks zur Verwendung im Wärmetauscher aus 2.
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7 ist eine perspektivische Ansicht einer Plattenbaugruppe zur Verwendung im Wärmetauscher aus 2.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung ausführlich erklärt werden, ist zu verstehen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und die Komponentenanordnung beschränkt ist, die in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den folgenden Zeichnungen veranschaulicht werden. Die Erfindung ist tauglich für andere Ausführungsformen und dafür, auf verschiedene Arten betrieben oder ausgeführt zu werden. Es versteht sich auch, dass die hier verwendete Phraseologie und Terminologie der Beschreibung dient und nicht als einschränkend betrachtet werden sollte. Die Verwendung von „enthalten”, „umfassen” oder „aufweisen” und Varianten davon soll die danach aufgeführten Elemente und ihre Äquivalente ebenso wie zusätzliche Elemente einschließen. Die Begriffe „montiert”, „verbunden”, „gehalten” und „gekoppelt” und Varianten davon werden umfassend verwendet und schließen sowohl direkte als auch indirekte Montagen, Verbindungen, Halterungen und Kopplungen ein, es sei denn, dies wird anderweitig spezifiziert oder eingeschränkt. Weiterhin sind „verbunden” und „gekoppelt” nicht auf physische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen begrenzt.
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Eine Ausführungsform eines Wärmetauschers 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird in 2 gezeigt und enthält einen ersten Durchflussweg für ein erstes Fluid, der zwischen einem Einlassanschluss 2 und einem Auslassanschluss 3 verläuft. Ein Einlassverteiler 4 ist mit dem Einlassanschluss 2 gekoppelt, um einen Durchfluss des ersten Fluids daraus aufzunehmen. Ein Auslassverteiler 5 ist mit dem Auslassanschluss 3 gekoppelt, um an diesen einen Durchfluss des ersten Fluids abzugeben. Mehrere Rohre 10 verlaufen zwischen dem Einlassverteiler 4 und dem Auslassverteiler 5 und dienen als Durchflussleitungen, um das erste Fluid vom Einlassverteiler 4 zum Auslassverteiler 5 zu transportieren. Obwohl das Ausführungsbeispiel zehn Rohre 10 enthält, versteht es sich, dass andere Ausführungsformen der Erfindung mehr oder weniger Rohre 10 enthalten können, wie es möglicherweise für die jeweilige Anwendung wünschenswert ist.
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Die Rohre 10 verlaufen durch die Kopfstücke 9, die an gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers 1 angeordnet sind, in die Verteiler 4, 5. Die Kopfstücke 9 definieren jeweils eine Grenzwandung eines der Verteiler 4, 5. In einigen Ausführungsformen kann das Kopfstück 9 integriert in einem Verteiler 4 oder 5 geformt sein, während das Kopfstück 9 in anderen Ausführungsformen als eine separate Komponente geformt sein kann, die an den Rest des Verteilers 4 oder 5 montiert ist. Als ein Beispiel kann das Kopfstück 9 aus flachem Stahlblech geformt sein und an ein offenes Ende eines Gussteils hartgelötet oder geschweißt sein, um einen Verteiler 4 oder 5 zu definieren. Als ein anderes Beispiel: Ein Kopfstück 9 kann mit mechanischen Montagemerkmalen bereitgestellt werden, um den Einbau des Wärmetauschers 1 in ein System zu ermöglichen, wobei der Rest des Verteilers 4 oder 5 als Teil des Rohrsystems für das erste Fluid bereitgestellt wird.
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Ein Beispiel für ein einzelnes Rohr 10, wie es im beispielhaften Wärmetauscher 1 verwendet wird, wird in 6 gezeigt. Wie dort gezeigt wird, enthält das Rohr 10 ein Paar gegenüberliegender breiter und ebener Wandungen 16, die beabstandet sind und durch ein Paar kurzer Wandungen 18 verbunden sind. Die kurzen Wandungen 18 werden als im Profil gekrümmt gezeigt, obwohl die kurzen Wandungen in einigen anderen Ausführungsformen ein gerades oder ein anderes, nicht gekrümmtes Profil aufweisen können. Das Rohr 10 kann als ein einziges Stück aus Stahlblech geformt werden, wie zum Beispiel durch Rollennahtschweißen eines runden Rohrs aus Stahlblech und dann Abplattung des Rohrs, um das Paar breiter und flacher Wandungen 16 und das Paar kurzer Wandungen 18 herzustellen. Alternativ kann das Rohr 10 aus mehr als einem Stück geformt werden. Ein Einsatzstück 19 wird vorzugsweise im Innern des Rohrs 10 bereitgestellt. Das Einsatzstück 19 kann einen oder mehrere Vorteile bereitstellen, einschließlich (aber nicht darauf beschränkt) des Erhöhens der inneren Oberflächenfläche zur verbesserten Wärmeübertragung, Verwirbelung des Durchflusses des ersten Fluids zur erhöhten Wärmeübertragung und Verstärkung der Rohrwandungen 16. Fachleute werden verstehen, dass das Einsatzstück 19, falls vorhanden, eine beliebige Reihe von Formen annehmen kann, die im Fachgebiet bekannt sind, einschließlich rechteckförmig gewellt, serpentinenförmig, sinusförmig, geschlitzt und versetzt usw.
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Mehrere Plattenbaugruppen 11 greifen mit den Rohren 10 ineinander. Die Plattenbaugruppen 11 dienen als Durchflussleitungen, um ein zweites Fluid durch den Wärmetauscher 10 zu transportieren. Die Plattenbaugruppen 11 stehen in Fluidverbindung mit einem Paar Verteiler 13 für das zweite Fluid. Die Fluidanschlüsse 6 und 7 sind mit den Verteilern 13 verbunden und ermöglichen, dass das zweite Fluid an den Wärmetauscher 1 abgegeben und von diesem aufgenommen wird.
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Im Ausführungsbeispiel aus 1 ist der Fluidanschluss 6 an einem mit dem Einlassanschluss 2 für das erste Fluid gemeinsamen Ende des Wärmetauschers 1 angeordnet. Gleichermaßen ist der Fluidanschluss 7 an einem mit dem Auslassanschluss für das erste Fluid gemeinsamen Ende des Wärmetauschers 1 angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht es, dass das erste und das zweite Fluid entweder in einer insgesamt gegenströmenden Anordnung (indem das zweite Fluid durch den Anschluss 7 in den Wärmetauscher strömt und es durch den Anschluss 6 abgeführt wird) oder in einer insgesamt mitströmenden Anordnung (indem das zweite Fluid durch den Anschluss 6 in den Wärmetauscher 1 strömt und durch den Anschluss 7 abgeführt wird) durch den Wärmetauscher 1 umläuft. Andere Anordnungen der Fluidanschlüsse 6, 7 sind ebenfalls möglich und werden unten ausführlicher erklärt werden.
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Ein Beispiel für eine Baugruppe 11 mit einer einzelnen Platte, wie sie im beispielhaften Wärmetauscher 1 verwendet wird, wird in 7 gezeigt. Wie dort gezeigt wird, ist die Plattenbaugruppe 11 ein zweiteiliger Aufbau, mit einer ersten Plattenhälfte 11a, die mit einer zweiten Plattenhälfte 11b verbunden ist. Jede Plattenhälfte 11a, b enthält einen großen ebenen Wandungsabschnitt 17, der von der Mitte der Plattenbaugruppe 11 beabstandet ist, so dass eine Durchflussleitung für das zweite Fluid zwischen den gegenüberliegenden Wandungsabschnitten 17 einer Plattenbaugruppe 11 bereitgestellt wird. Eine Crimpverbindung 22 wird längs des Randbereichs der Plattenbaugruppe 11 bereitgestellt, um die Plattenhälften 11a, b miteinander zu verbinden. Die Crimpverbindung 22 ist in 5 genauer zu erkennen.
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Obwohl die Crimpverbindung 22 so gezeigt wird, dass sie ungefähr auf der mittleren Ebene der Plattenbaugruppe 11 positioniert ist, könnte sie alternativ so positioniert sein, dass sie im Wesentlichen in der gleichen Ebene mit einem der Wandungsabschnitte 17 ist. Obwohl weiterhin das Ausführungsbeispiel als eine zweiteilige Baugruppe mit einer Crimpverbindung gezeigt wird, kann die Plattenbaugruppe 11 alternativ unter Verwendung von mehr Komponenten aufgebaut werden. Zum Beispiel können die Plattenhälften 11a und 11b durch flache Platten ersetzt werden, und ein Abstandshalterrahmen könnte zwischen den flachen Platten bereitgestellt werden, um die Durchflussleitung für das zweite Fluid bereitzustellen.
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Es werden Durchbrüche 20 in den Plattenhälften 11a, b in den Bereichen der Verteiler 13 bereitgestellt, um für Fluidverbindung zwischen den Verteilern 13 und der inneren Durchflussleitung zwischen den Wandungen 17 zu sorgen. Die Durchbrüche 20 werden in Ansatzstücken 26 bereitgestellt, die von einer Längskante 23 der Plattenbaugruppe 11 weg verlaufen. In einigen alternativen Ausführungsformen könnten eines oder beide Ansatzstücke 26 stattdessen von der gegenüberliegenden Längskante 24 weg verlaufen. Während das Ausführungsbeispiel weiterhin die Ansatzstücke 26 als an den Enden 27 und 28 der Plattenbaugruppe 11 angeordnet zeigt, versteht es sich, dass sie an irgendeiner Position längs der Kante 23 oder der Kante 24 angeordnet sein könnten. In einigen Ausführungsformen kann es zum Beispiel zu bevorzugen sein, dass wenigstens ein Ansatzstück 26 in einem Abstand zu einem Ende 27 oder 28 beabstandet ist. Eine solche Anordnung könnte zum Beispiel für eine alternative relative Durchflussanordnung zwischen den beiden Fluiden sorgen, wie zum Beispiel eine Kreuzstromanordnung oder eine Kombination aus Gegenstrom und Mitstrom.
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Innerhalb der Durchflussleitung für das zweite Fluid kann eine innere Durchflussstruktur 21 angeordnet sein, und sie kann verwendet werden, um das zweite Fluid durch die Durchflussleitung zwischen den Anschlüssen 20 zu leiten. Die innere Durchflussstruktur kann in einer Reihe von Formen ausgeführt werden, einschließlich als ein gestanztes Blech, eine einzelne Wellrippenstruktur, mehrere Wellrippenstrukturen, geschlitzte und versetzte Rippenstrukturen usw. Die innere Durchflussstruktur 21 ist allerdings optional, und in einigen Ausführungsformen kann es bevorzugt werden, die innere Durchflussstruktur 21 entfallen zu lassen, um eine offenere Durchflussleitung für das zweite Fluid bereitzustellen. In solchen alternativen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, in der Plattenbaugruppe 11 andere Merkmale bereitzustellen, um den Zwischenraum zwischen den Wandungsabschnitten 17 zu erhalten und/oder strukturelle Halterung bereitzustellen. Als ein Beispiel für solche Merkmale können nach innen weisende Vertiefungen auf einer oder auf beiden Plattenhälften 11a, b bereitgestellt werden.
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Jetzt wird unter Bezugnahme auf die 3A–5 der Aufbau des Wärmetauschers 1 ausführlicher erklärt werden. Die 3A und 3B zeigen beide das erste Fluideinlassende des Wärmetauschers 1, wobei gewisse Komponenten zur Übersichtlichkeit beim Beschreiben spezifischer Aspekte des Wärmetauschers 1 entfernt sind.
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Wie in den 3A und 3B gezeigt wird, wird das Kopfstück 9 mit mehreren Rohrschlitzen 14 bereitgestellt, die jeweils zum Aufnehmen eines Endes eines Rohres 10 bemessen und angeordnet sind, um so die im Rohr 10 angeordnete Durchflussleitung fluidisch mit dem Verteiler 4 zu verbinden. Die Plattenbaugruppen 11 greifen mit den Rohren 10 ineinander, wie vorher erörtert worden ist. Zusätzlich wird eine Struktur 12 zwischen benachbarten Plattenbaugruppen 11 und Rohren 10 bereitgestellt. Die Strukturen 12 werden als Wellbleche bereitgestellt, wobei die Wellungen in einer Richtung verlaufen, die transversal zur Durchflussrichtung des ersten Fluids durch den Wärmetauscher 1 ist.
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Die Strukturen 12 (wie am besten in den 4 und 5 zu erkennen ist) werden in Lücken 31 zwischen den flachen Wandungen 16 der Rohre 10 und den benachbarten flachen Wandungsabschnitten 17 der Plattenbaugruppen 11 platziert. Die Wellungen der Struktur 12 definieren Mulden und Kuppen 29, die abwechselnd in Kontakt mit einer Wandung 17 und einer Wandung 16 stehen. Die mehreren Rohre 10, Plattenbaugruppen 11 und Strukturen 12 definieren zusammen einen Stapel 30. Die Komponenten des Stapels 30 werden vorzugsweise in einer monolithischen Baugruppe durch metallurgisches Verbinden der Kuppen und Mulden 29 der Strukturen 12 mit den benachbarten Wandungen 16, 17 verbunden. Solches metallurgische Verbinden kann wirksam erledigt werden, indem die Komponenten zusammen ofengelötet werden. In einigen besonders zu bevorzugenden Ausführungsformen können zeitgleich im gleichen Prozess andere Komponenten des Wärmetauschers 1 verbunden werden. Zum Beispiel können die Enden der Rohre 10 abdichtend mit den Kopfstücken 9 verbunden werden; die Plattenhälften 11a und 11b und die optionalen inneren Durchflussstrukturen 21 können verbunden werden; die Einsatzstücke 19 können mit den Rohren 10 verbunden werden; und/oder die Verteiler 13 können mit den Plattenbaugruppen 11 verbunden werden.
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Weil das erste Fluid durch die ersten, von den Rohren 10 geformten Durchflussleitungen geleitet wird und das zweite Fluid durch die zweiten, von den Plattenbaugruppen 11 geformten Durchflussleitungen geleitet wird, ist es möglich, den Wärmetauscher 1 aufzubauen, ohne dass ein Gehäuse (wie zum Beispiel das Gehäuse 108 des Wärmetauschers 101 nach dem Stand der Technik) erforderlich, um eines der Fluide zu fassen. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn der Wärmetauscher 1 als ein EGR-Kühler verwendet wird und das heiße Abgas als das erste Fluid durch den Wärmetauscher 1 umläuft. Die schädigenden strukturellen Spannungen, die andernfalls durch im Wettstreit stehenden Wärmeausdehnungsraten zwischen heißen Rohren und einem Kühlergehäuse bewirkt werden können, werden dadurch im Wärmetauscher 1 minimiert oder vermieden. Die Erfinder haben ermittelt, dass es – im Vergleich zum Wärmetauscher 101 nach dem Stand der Technik – weniger wahrscheinlich ist, dass es zu Ermüdungsrissbildung an den Verbindungsstellen zwischen den Rohren 10 und dem Kopfstück 9 am heißen Einlassende des EGR-Kühlers kommt, wenn der EGR-Kühler als der Wärmetauscher 1 aufgebaut ist.
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Anstelle eines Gehäuses werden an gegenüberliegenden Enden des Stapels 30 die Seitenplatten 8 (2) bereitgestellt, und sie können feste Halterung für den Stapel 30 bereitstellen. Zusätzlich können die Seitenplatten 8 verwendet werden, um sowohl Montagemerkmale für den Wärmetauscher 1 bereitzustellen, als auch, um eine starre Halterung für die Verbindung von Installationsleitungen mit den zweiten Fluidanschlüssen 6 und 7 bereitzustellen.
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Die Seitenplatten 8 können Teil des metallurgisch verbundenen Stapels 30 sein und werden vorzugsweise mit dem am weitesten außen liegenden von Folgenden, entweder den Rohren 10 oder den Plattenbaugruppen 11, verbunden. Optional können die Seitenplatten 8 mit dem am weitesten außen liegenden von Folgenden, den Rohren 10 oder den Plattenbaugruppen 11, mit einer dazwischen angeordneten Struktur 12 verbunden werden. Spannungen aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungsraten zwischen einer Seitenplatte 8 und dem verbundenen Rohr 10 oder der verbundenen Plattenbaugruppe 11 können durch das Einbeziehen nachgebender oder selbst brechender Merkmale 25 in die Seitenplatten 8 vermieden werden.
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Vorzugsweise sind die Strukturen 12 aus einem Material mit relativ hoher thermischer Leitfähigkeit aufgebaut. In einigen Ausführungsformen sind die Strukturen 12 aus einem ferritischen oder austenitischem Stahl geformt, um einen Ausgleich zwischen dem Wunsch nach hoher thermischer Leitfähigkeit auf der einen Seite und der Notwendigkeit eines Materials, das die hohen Betriebstemperaturen des Wärmetauschers 1 bestehen kann, auf der anderen Seite zu schaffen. In anderen Ausführungsformen (wie sie zum Beispiel in Anwendungen verwendet werden, die nicht solche hohen Temperaturanforderungen aufweisen) kann ein thermisch leitfähigeres Material, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, verwendet werden. Auf jeden Fall gestattet es die thermische Leitfähigkeit des Materials, gekoppelt mit der hohen Abstandsdichte der Wellungen, dass die Strukturen 12 als thermisch leitfähige Brücken zwischen den Rohren 11, die das erste Fluid führen, und den Plattenbaugruppen 11, die das zweite Fluid führen, dienen, so dass Wärme zwischen den Fluiden übertragen werden kann.
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Durch die Strukturen 12 werden Bereiche mit erhöhten mechanischen Spannungen verhindert, die andernfalls in einer direkten metallurgischen Verbindung zwischen den flachen Wandungsabschnitten 17 der Plattenbaugruppen 11 und den flachen Wandungen 16 der Rohre 10 auftreten würden. Solche Spannungen würden andernfalls durch die wechselnd auftretenden steilen Temperaturgefälle durch die verbundene Wandung hervorgerufen werden, zum Beispiel, wenn das erste Fluid ein heiß zurückgeführtes Abgas mit einer wechselnden Durchflussrate ist und das zweite Fluid ein im Wesentlichen kälteres Kühlmittel ist. Die Biegungen der Strukturen 12 bringen eine Opfer-Ermüdungsstelle für solche thermische Wechselbeanspruchung in den Flanken zwischen den Kuppen und Mulden 29 ein. Thermische Wechselbeanspruchungsprüfungen haben gezeigt, dass Ermüdungsrissbildung in den Strukturen 12 in der Nähe des heißen Endes des Wärmetauschers 1 auftritt.
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Beim Auftreten von Rissbildung in den Strukturen 12 werden thermisch induzierte Spannungen abgebaut. Indem diese Opferermüdung in den Lücken 31 zwischen den Plattenbaugruppen 11 und den Rohren 10 auftritt, wird keine Kapselung eines der Fluide beeinträchtigt. Im Ergebnis verhindert die Ermüdungsrissbildung in der Struktur 12 nicht den fortgesetzten Betrieb des Wärmetauschers 1 und erweitert tatsächlich die Lebensdauer des Wärmetauschers 1. Um die Rissbildung bevorzugt in der Struktur 12 anstatt in den Plattenbaugruppen 11 und den Rohren 10 zu erleichtern, ist die Materialstärke der Strukturen 12 vorzugsweise geringer als die Materialstärke sowohl der Wandungen 16 als auch der Wandungsabschnitte 17. In einigen sehr zu bevorzugenden Ausführungsformen beträgt die Materialstärke der Strukturen 12 nicht mehr als die Hälfte der Materialstärke der Wandungen 16, der Wandungsabschnitte 17 oder von beiden.
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Zusätzlicher Nutzen kann durch das Vorhandensein der Strukturen 12 in einigen Anwendungen realisiert werden. Es kann in einigen Ausführungsformen bevorzugt werden, sicherzustellen, dass Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid vermieden wird. Als ein Beispiel: Der Wärmetauscher kann insbesondere beim Zurückgewinnen von Abwärme eines Abgasrückführungsstroms nützlich sein, indem er diese Wärme an ein Arbeitsfluid, das in einem Clausius-Rankine-Kreislauf betrieben wird, überträgt. In einigen Fällen kann ein solches Arbeitsfluid ein HCFC-Kältemittel sein, das fluorierte Kohlenwasserstoffe enthält. Falls ein solcher fluorierter Kohlenwasserstoff in den EGR-Strom auslaufen und in den Brennraum des Verbrennungsmotors eintreten sollte, würde er durch die hohen Verbrennungstemperaturen in potentiell tödliche Gase umgewandelt werden, die dann durch das Abgas abgeleitet würden. In einigen anderen Fällen kann das Arbeitsfluid ein Alkohol oder ein anderes brennbares Fluid sein (einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Ethanol, Methanol, Propan, Butan, Methylbenzen und Naphthalin). Falls ein solches brennbares Arbeitsfluid in den EGR-Strom auslaufen und in den Brennraum des Verbrennungsmotors eintreten sollte, könnte der Verbrennungsmotor unbeabsichtigt mit Brennstoff versorgt werden, was potentiell zu einem gefährlichen Durchgehen des Verbrennungsmotors führen würde.
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Mit dem oben beschriebenen Aufbau des Wärmetauschers 1 wird die Möglichkeit eines Querlecks zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid in hohem Maße minimiert. Sogar falls ein Leck auftreten sollte, entweder in der Wandung eines der Rohre 10 oder in einer Wandung einer der Plattenbaugruppen 11, würde das Fluid in die Lücke 31 auslaufen und nicht in das andere Fluid. In bevorzugten Ausführungsformen würden sowohl das erste als auch das zweite Fluid bei einem Druck arbeitet, der größer ist als der Druck in der Lücke 31 (was normalerweise, aber nicht notwendigerweise immer, der Atmosphärendruck ist). In solchen Ausführungsformen ist ein Querleck zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid höchst unwahrscheinlich, sogar falls sich in beiden Rohren 10 und in einer der Plattenbaugruppen 11 eine Leckstelle entwickeln sollte, weil beide Fluide zum geringeren Druck in der Lücke 31 auslaufen würden.
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Die Struktur 12, wie sie oben und in den beigefügten Figuren beschrieben wird, stellt zusätzliche Vorteile bereit, indem sie Trennung zwischen den Fluiden im Fall eines Lecks in beiden Rohren 10 und einer der Plattenbaugruppen 11 bereitstellt. Wie am besten in 5 zu erkennen ist, stellen die Kuppen und Mulden 29, die in abwechselnder Abfolge mit einer Wandung 16 eines Rohrs 10 und einem Wandungsabschnitt 17 einer Plattenbaugruppe 11 verbunden sind, mehrere parallel angeordnete Kanäle 13 bereit, die in einer Querrichtung des Wärmetauschers 1 verlaufen (d. h. in der Richtung, von der die kurzen Wandungen 18 der Rohre 10 beabstandet sind). Jeder der Kanäle 13 wird auf einer Seite von einem von Folgenden, einer Wandung 16 und einem Wandungsabschnitt 17, jedoch nicht von beiden, und auf der anderen Seite durch eine Kuppe oder Mulde 29 begrenzt. Somit würde sowohl das erste als auch das zweite Fluid in separate Kanäle 13 auslaufen, sogar, falls ein Fehler in beidem auftreten sollte, in einem Wandungsabschnitten 17 einer Rohrbaugruppe 11 und in einer benachbarten Wandung 16 eines Rohrs 10, im Wandungsabschnitt 17 und in der Wandung 16, die durch die Lücke 31 getrennt sind. Im Ergebnis müsste der hypothetische Leckageweg zwischen den beiden Fluiden durch jeden dieser beiden Kanäle 13 anstatt durch die relativ kleine Lücke 31 verlaufen.
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Ungeachtet des vorher Genannten können die Strukturen 12 auf andere Weisen ausgeführt werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel könnten die Strukturen 12 alternativ eine maschinell bearbeitete Platte von einer Stärke umfassen, die ungefähr genauso groß wie die Lücke 31 ist, wobei die Platte darin bereitgestellte Kanäle aufweist. Als ein anderes Beispiel könnten die Strukturen 12 alternativ einen geformten Draht umfassen, der innerhalb der Lücken 31 platziert ist.
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In einigen zu bevorzugenden Ausführungsformen sind die Durchflusswege für das zweite Fluid an wenigstens einem Ende des Wärmetauschers 1, vorzugsweise am heißen Ende, einen Abstand 15 vom Kopfstück 9 beabstandet. Dies minimiert das Wärmegefälle zwischen dem Kopfstück 9 (die nur dem ersten Fluid im Verteiler 4 oder 5 ausgesetzt ist) und der Rohrwandung 16 im Wärmeübertragungsbereich und stellt eine Länge des Rohrs 10 bereit, auf der die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem Kopfstück 9 und den Enden der Rohre 10 auf der einen Seite und den verbundenen Rohren 10 und den Plattenbaugruppen 11 auf der anderen Seite kompensiert werden kann, ohne starke mechanische Spannungen auf die Rohre 10 aufzubringen.
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Verschiedene Alternativen für die bestimmten Merkmale und Elemente der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es sei angemerkt, dass, mit Ausnahme von Merkmalen, Elementen und Betriebsarten, die sich gegenseitig ausschließen oder die inkonsistent zu jeder oben beschriebenen Ausführungsform sind, die alternativen Merkmale, Elemente und Betriebsarten, die unter Bezugnahme auf eine spezielle Ausführungsform beschrieben worden sind, auf die anderen Ausführungsformen anwendbar sind.
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Die oben beschriebenen und in den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen werden lediglich beispielhaft dargestellt und sollen keine Einschränkung der Konzepte und Prinzipien der vorliegenden Erfindung sein. Von daher wird ein Durchschnittsfachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen an den Elementen und ihrer Konfiguration und Anordnung möglich sind, ohne vom Gedanken und vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
