EP1690057A1 - Wärmetauscher, insbesondere abgaswärmetauscher - Google Patents

Wärmetauscher, insbesondere abgaswärmetauscher

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EP1690057A1
EP1690057A1 EP04790976A EP04790976A EP1690057A1 EP 1690057 A1 EP1690057 A1 EP 1690057A1 EP 04790976 A EP04790976 A EP 04790976A EP 04790976 A EP04790976 A EP 04790976A EP 1690057 A1 EP1690057 A1 EP 1690057A1
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housing
heat exchanger
channel
exchanger according
expansion element
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DaimlerChrysler AG
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    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases

Definitions

  • Heat exchangers in particular exhaust gas heat exchangers
  • the invention relates to a heat exchanger for cooling gas or liquid media, in particular an exhaust gas heat exchanger for an internal combustion engine, with a tubular housing which has at least one inlet opening with an adjoining annular channel for the distributed inflow of a cooling medium into the interior of the housing.
  • Such a heat exchanger is known from DE 102 38 882 AI and comprises a tubular housing in which a tube bundle for the axial flow of the exhaust gas is inserted, the tube bundle being flushed with an introduced coolant.
  • a tube bundle for the axial flow of the exhaust gas is inserted, the tube bundle being flushed with an introduced coolant.
  • thermal voltages arise during operation of the exhaust gas heat exchanger due to different expansions of the pipes and the housing.
  • slots are arranged in the housing, which are sealed to the outside by a duct housing with a corrugated tube section. This creates an expansion compensation element integrated in the heat exchanger housing.
  • the coolant is fed into the interior of the housing via an inlet opening made radially in the housing and an annular channel following downstream, through which one uniform distribution of the coolant flowing into the interior of the housing is to take place.
  • the ring channel located inside the housing affects the cross-section through which the flow can flow and the manufacture of the heat exchanger.
  • the ring channel alone, the most uniform possible circumferential distribution of the coolant over the interior of the housing and a largely uniform flow rate of the coolant inside the housing cannot yet be achieved.
  • DE 296 12 361 Ul discloses another heat exchanger with an expansion compensation element integrated in the heat exchanger housing made of sheet metal.
  • the invention is based on the object of further designing the generic heat exchanger in such a way that, with a simplified structure, a uniform inflow of coolant into the interior of the housing distributed over the circumference of the housing can be reliably achieved.
  • the arrangement according to the invention of the ring channel on the outside of the housing ensures that the interior of the housing is no longer impaired in terms of installation space by the ring channel.
  • the inlet opening is arranged on the channel housing and has a connecting piece for a hose line.
  • the heat exchanger housing and the duct housing are made in one piece, e.g. is made by casting. Irrespective of this, it is also conceivable to produce the duct housing, for example from sheet metal, separately from the heat exchanger housing and to connect it tightly by welding or soldering.
  • the duct housing is formed with a corrugated tube section and the passage openings are designed as slots which partially extend at an axial distance from one another over the circumference of the heat exchanger housing.
  • the integrated expansion element simultaneously takes on the function of evenly distributing the coolant inside the housing.
  • the expansion element with the inlet opening is arranged at the inlet end of the housing, the duct housing having a smooth one cylindrical part on the heat exchanger housing and the subsequent corrugated tube section is welded or soldered to the inlet-side flange of the housing.
  • the heat exchanger shown in the exemplary embodiment is an exhaust gas heat exchanger 1 for cooling the exhaust gases of an internal combustion engine, in particular for cooling the exhaust gases returned to the combustion chamber of the internal combustion engine in certain operating states (so-called exhaust gas recirculation).
  • the exhaust gas heat exchanger 1 has a tubular housing 2, each with a flange 3, 4 on the inflow side 5 and the outflow side 6.
  • the housing 2 is U-shaped, so that the flanges 3 and 4 lie side by side.
  • the U-shaped housing parts are interconnected by a tab 7.
  • a sheet metal hanger 8 is provided for fastening the heat exchanger 1 to the internal combustion engine housing.
  • a tube bundle extending in the longitudinal direction is arranged in the interior of the heat exchanger housing 2 and is tightly welded to the housing 2 via a tube plate at the longitudinal housing ends. This creates a coolant space for coolant between the housing 2 and the tube bundle for cooling the exhaust gases flowing through the individual tubes of the tube bundle itself.
  • the housing 2 is in the region of the flange 3 lying on the inflow side 5 outside of a channel housing 9, which encloses an annular channel 10 relative to the housing 2.
  • the channel housing 9 consists of sheet metal and is connected to the heat exchanger housing 2 by welding or soldering.
  • the channel housing 2 can also consist of the same material as the housing 2 and can be made in one piece with it.
  • the channel housing 2 has an inlet opening 11 with a connecting piece 12 for a coolant hose.
  • passage openings 13 to 16 are arranged distributed over the circumference. Via the passage openings 13 to 16, the coolant directed from the connecting piece 11 into the annular channel 10 can thus flow into the interior of the housing 2 in a uniformly distributed manner, so that, in addition to a largely uniform heating, a largely uniform flow rate of the coolant along the surface of the pipes through which the exhaust gas flows is ensured.
  • the coolant emerges from the housing 2 in the vicinity of the flange 4 on the outflow side 6 through a connecting piece 17.
  • the duct housing 9 with the passage openings is a component of an expansion element 18 integrated in the housing 2.
  • Openings 13 to 16 are designed as slots, each of which is arranged at an axial distance from one another over part of the circumference, while the channel housing 9, which covers the slots and is made of sheet metal, in addition to a smooth cylindrical housing section 19 for receiving the connecting piece 12, also has an additional corrugated pipe section 20 for the expansion compensation.
  • the connecting pieces 12 and 17 are arranged close to the flanges 3 and 4. This leads to the expansion element 17 being positioned close to the flange 3, the housing section 19 being welded or soldered directly to the housing 2 and the corrugated pipe section 20 directly to the flange 3.
  • the duct housing 9 is protected against external influences by means of a protective cover 21.
  • the subject of the invention is shown in the combination of a heat exchanger with an expansion element.
  • the invention also includes an embodiment of a heat exchanger without an expansion element, in which the channel housing 2 is designed without the additional corrugated tube section 20 and the through openings 13 to 16 are produced as simple bores.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbesondere einen Abgaswärmetauscher (1) für eine Brennkraftmaschine. Der Wärmetauscher (1) hat ein rohr­förmiges Gehäuse (2), von dem ein Gehäuseabschnitt aussen von einem Kanalgehäuse (9) unter Bildung eines Ringkanals (10) umgehen ist. Das Kanalgehäuse (9) hat einen Kühlmittel­anschluss (Anschlussstutzen 12) und in dem vom Kanalgehäuse (9) überdeckten Gehäuseabschnitt über den Umfang verteilt angeordnete Durchtrittsöffnungen (13 bis 16), über die eine gleichmässige Verteilung des Kühlmittels im Inneren des Gehäuses (2) erzielt wird. Vorteilhaft ist es, bei einem Wärmetauscher (1) mit einem Dehnungselement (18), den Ringkanal (10) und die Durchtrittsöffnungen (13 bis 16) gleichzeitig zur Bildung des Dehnungselementes (18) zu verwenden.

Description

Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Kühlen von gas- oder flüssigen Medien, insbesondere einen Abgaswärmetauscher für eine Brennkraftmaschine, mit einem rohrförmigen Gehäuse, das zumindest eine Einlassöffnung mit einem sich anschließenden Ringkanal zum verteilten Einströmen eines Kühlmediums in das Innere des Gehäuses aufweist .
Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der DE 102 38 882 AI bekannt und umfasst ein rohrförmiges Gehäuse, in dem ein Rohrbündel zur axialen Durchströmung des Abgases eingesetzt ist, wobei das Rohrbündel von einem eingeleiteten Kühlmittel umspült wird. Infolge unterschiedlicher Temperaturbeaufschlagung der Rohre einerseits und des Gehäuses andererseits entstehen beim Betrieb des Abgaswärmetauschers ThermoSpannungen auf Grund unterschiedlicher Dehnungen der Rohre und des Gehäuses. Zum Ausgleich derartiger Spannungen sind in dem Gehäuse Schlitze angeordnet, die nach außen durch ein Kanalgehäuse mit einem Wellrohrabschnitt abgedichtet sind. Hierdurch entsteht ein in das Wärmetauscher-Gehäuse integriertes Dehnungsausgleichselement .
Die Zuführung des Kühlmittels in das Gehäuseinnere erfolgt über eine radial in das Gehäuse eingebrachte Einlassδffnung und einen stromab folgenden Ringkanal, durch den eine gleichmäßige Verteilung des in das Gehäuseinnere einströmenden Kühlmittels erfolgen soll.
Der innerhalb des Gehäuses liegende Ringkanal beeinträchtigt den durchströmbaren Querschnitt sowie die Herstellung des Wärmetauschers. Außerdem ist auch mit dem Ringkanal alleine eine möglichst gleichmäßige umfangsmäßige Verteilung des Kühlmittels über das Gehäuseinnere sowie eine weitgehend einheitliche Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Inneren des Gehäuses noch nicht zu erreichen.
Ferner ist aus der DE 296 12 361 Ul ein weiterer Wärmetauscher mit einem in das aus Blech bestehende Wärmetauscher- Gehäuse integrierten Dehnungsausgleichselement bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den gattungs- gemäßen Wärmetauscher derart weiter zu gestalten, dass bei einem vereinfachten Aufbau eine über den Umfang des Gehäuses verteilte gleichmäßige Einströmung von Kühlmittel in das Gehäuseinnere sicher erfolgen kann.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst .
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Ringkanales außen am Gehäuse wird erreicht, dass das Gehäuseinnere dμrch den Ringkanal bauraummäßig nicht mehr beeinträchtigt wird.
Ferner ist es möglich, durch eine einfache Verteilung von Durchtrittsoffnungen im Gehäuse eine über dessen Umfang verteilte gleichmäßige Einströmung von Kühlmittel in das Gehäuseinnere zu erzielen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Einlassöffnung am Kanalgehäuse angeordnet ist und einen Anschlussstutzen für eine Schlauchleitung aufweist.
Eine einfache Herstellung wird erreicht, wenn das Wärmetauscher-Gehäuse und das Kanalgehäuse aus einem Stück, z.B. durch Giessen hergestellt ist. Unabhängig davon ist es aber auch denkbar, das Kanalgehäuse beispielsweise aus Blech getrennt vom Wärmetauscher-Gehäuse herzustellen und mit diesem durch Schweißen oder Löten dicht zu verbinden.
Bei einer Ausgestaltung des Wärmetauschers mit einem Kanal- gehäuse aus Blech ist es im Rahmen der Erfindung weiterhin von Vorteil, wenn Teile des Wärmetauscher-Gehäuses sowie das Kanalgehäuse gleichzeitig zur Bildung eines bei Wärmetauschern dieser Art üblichen Dehnungselementes verwendet werden. Hierdurch wird ein Wärmetauscher geschaffen, der kompakt baut und kostengünstig hergestellt werden kann, da beispielsweise ein besonderes Kanalgehäuse für die Verteilung des Kühlmittels entfallen kann.
Erreicht wird dies dadurch, in dem das Kanalgehäuse mit einem Wellrohrabschnitt ausgebildet wird und die Durchtrittsoffnungen als Schlitze ausgeführt werden, die mit axialem Abstand voneinander sich teilweise über den Umfang des Wärmetauscher-Gehäuses erstrecken. Bei dem so geschaffenen Wärmetauscher übernimmt das integrierte Dehnungselement gleichzeitig die Funktion der gleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels im Gehäuseinneren.
Um dabei möglichst die gesamte Länge des Wärmetauscher- Gehäuses zur Kühlung nutzen zu können, ist das Dehnungselement mit der Einlassöffnung am eintrittsseitigen Ende des Gehäuses angeordnet, wobei das Kanalgehäuse mit einem glatten zylindrischen Teil am Wärmetauschergehäuse und der sich anschließende Wellrohrabschnitt am eintrittsseitigen Flansch des Gehäuses angeschweißt oder angelötet ist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In der einzigen Zeichnung sind in einer Perspektiven Darstellung nur die wesentlichen Teile eines Wärmetauschers zur Kühlung von gasförmigen Medien dargestellt .
Bei dem im Ausführungsbeispiel dargestellten Wärmetauscher handelt es sich um einen Abgaswärmetauscher 1 zur Kühlung der Abgase einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur Kühlung der in bestimmten Betriebszuständen in den Brennraum der Brennkraftmaschine zurückgeführten Abgase (sogenannte Abgasrückführung) .
Der Abgaswärmetauscher 1 besitzt ein rohrförmiges Gehäuse 2 mit je einem Flansch 3, 4 auf der Einströmseite 5 bzw. der Ausströmseite 6. Das Gehäuse 2 ist u-förmig gestaltet, so dass die Flansche 3 und 4 seitlich nebeneinander liegen. Die u-förmigen Gehäuseteile sind untereinander durch eine Lasche 7 verbunden. Für die Befestigung des Wärmetauschers 1 am Brennkraftmaschinengehäuse ist ein Blechaufhänger 8 vorgesehen.
Nicht zu erkennen ist, dass im Inneren des Wärmetauscher- Gehäuses 2 ein sich in Längsrichtung erstreckendes Rohrbündel angeordnet ist, dass über je einen Rohrboden an den längsseitigen Gehäuseenden mit dem Gehäuse 2 dicht verschweißt ist . Dadurch entsteht zwischen dem Gehäuse 2 und dem Rohrbündel ein Kühlmittelraum für Kühlmittel zum Kühlen der durch die einzelnen Rohre des Rohrbündels selbst strömenden Abgase.
Das Gehäuse 2 ist im Bereich des auf der Einströmseite 5 liegenden Flansches 3 außen von einem Kanalgehäuse 9, das gegenüber dem Gehäuse 2 einen Ringkanal 10 einschließt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel besteht das Kanalgehäuse 9 aus Blech und ist mit dem Wärmetauscher-Gehäuse 2 durch Schweißen oder Löten verbunden. Das Kanalgehäuse 2 kann im Rahmen der Erfindung auch aus dem gleichen Werkstoff wie das Gehäuse 2 bestehen und mit diesem einstückig ausgeführt sein. Das Kanalgehäuse 2 besitzt eine Einlassöffnung 11 mit einem Anschlussstutzen 12 für einen Kühlmittelschlauch.
In dem vom Kanalgehäuse 9 überdeckten Teil des Gehäuses 2 sind über den Umfang verteilt Durchtrittsoffnungen 13 bis 16 angeordnet. Über die Durchtrittsoffnungen 13 bis 16 kann damit das vom Anschlussstutzen 11 in den Ringkanal 10 geleitete Kühlmittel gleichmäßig verteilt in das Innere des Gehäuses 2 einströmen, so das neben einer weitgehend gleichmäßigen Aufheizung auch eine weitgehend gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels entlang der Oberfläche der vom Abgas durchströmten Rohre sichergestellt ist. Der Austritt des Kühlmittels aus dem Gehäuse 2 erfolgt in der Nähe des Flansches 4 auf der Ausstrόmseite 6 durch einen Anschlussstutzen 17.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das Kanalgehäuse 9 mit den Durchtrittsoffnungen Bestandteil eines in das Gehäuse 2 integrierten Dehnungselementes 18. Damit das Kanalgehäuse 2 zusammen mit den Durchtrittsoffnungen 13 bis 16 neben der Kühlmittelzufuhr und Kühlmittelverteilung die Funktion eines Dehnungsausgleiches ausführen kann, sind die Durchtritts- Öffnungen 13 bis 16 als Schlitze ausgeführt, die mit axialem Abstand voneinander jeweils über einen Teil des Umfanges angeordnet sind, während das die Schlitze nach außen abdeckende und aus Blech bestehende Kanalgehäuse 9 neben einem glatten zylindrischen Gehäuseabschnitt 19 zur Aufnahme des Anschlussstutzens 12 noch einen zusätzlichen Wellrohrabschnitt 20 für den Dehnungsausgleich besitzt.
Damit möglichst die ganze Länge des Gehäuses 2 zur Kühlung genutzt werden kann, sind die Anschlussstutzen 12 und 17 dicht bei den Flanschen 3 und 4 angeordnet. Dies führt dazu, dass das Dehnungselement 17 dicht beim Flansch 3 positioniert ist, wobei der Gehäuseabschnitt 19 unmittelbar mit dem Gehäuse 2 und der Wellrohrabschnitt 20 unmittelbar mit dem Flansch 3 verschweißt bzw. verlötet ist. Mittels einer Schutzhülle 21 ist das Kanalgehäuse 9 gegen äußere Einflüsse geschützt .
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Gegenstand der Erfindung in der Kombination eines Wärmetauschers mit einem Dehnungselement dargestellt. Gleichwertig neben dieser Ausführungsform umfasst die Erfindung aber auch eine Ausführung eines Wärmetauschers ohne Dehnungselement, bei der das Kanalgehäuse 2 ohne den zusätzlichen Wellrohrabschnitt 20 ausgeführt ist und die Durchtrittsoffnungen 13 bis 16 als einfache Bohrungen hergestellt sind.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher zum Kühlen von gas- oder flüssigen Medien, insbesondere Abgaswärmetauscher für eine Brennkraftmaschine, mit einem rohrförmigen Gehäuse, das zumindest eine Einlassöffnung mit einem sich anschließenden Ringkanal zum verteilten Einströmen eines Kühlmediums in das Innere des Gehäuses aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (10) außen am Gehäuse (2) durch ein einen Gehäuseabschnitt mit Abstand umgebendes Kanal- gehäuse (9) gebildet ist, wobei der Ringkanal (10) über am Umfang des Gehäuses (2) verteilt angeordnete Durchtrittsoffnungen (13 bis 16) mit dem Gehäuseinneren verbunden ist .
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (11) am Kanalgehäuse (9) angeordnet ist und einen Anschlussstutzen (12) für eine Schlauchleitung aufweist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalgehäuse (9) mit dem Wärmetauseher- Gehäuse (2) einstückig ausgebildet ist.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalgehäuse (9) mit dem Wärmetauscher-Gehäuse (2) durch Schweißen oder Löten dicht verbunden ist.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsoffnungen (13 bis 16) als sich über einen Teil des Gehäuseumfanges mit axialem Abstand voneinander erstreckende Schlitze ausgebildet sind, die zusammen mit dem einen Wellrohrabschnitt (20) aufweisenden Kanalgehäuse (9) ein Dehnungselement (18) bilden.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalgehäuse (9) neben dem Wellrohrabschnitt (20) einen sich in axialer Richtung anschließenden zylindrischen Gehäuseteil (19) aufweist, an dem die Einlassöffnung (11) mit dem Einlassstutzen (12) angeordnet ist.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) an den längsseitigen Enden jeweils mit einem Flansch (3, 4) zum Anschluss einer Abgasleitung versehen ist und dass das Dehnungselement (18) an dem auf der Abgas-Einströmseite 5 liegenden Ende des Gehäuses (2) vorgesehen ist.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalgehäuse (2) als Blechteil ausgeführt ist, das mit einem Ende am Gehäuse (2) und mit dem anderen Ende am eintrittseitigen Flansch (3) dicht verbunden ist
9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnungselement (18) von einem Schutzhülle (21) umgeben ist.
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