EP2998686A2 - Wärmeübertrager - Google Patents

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EP2998686A2
EP2998686A2 EP15184661.5A EP15184661A EP2998686A2 EP 2998686 A2 EP2998686 A2 EP 2998686A2 EP 15184661 A EP15184661 A EP 15184661A EP 2998686 A2 EP2998686 A2 EP 2998686A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
fluid channel
housing
diffuser
tube bundle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15184661.5A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2998686A3 (de
Inventor
Dr.-Ing. Ulrich Maucher
Jürgen BARWIG
Steffen Ensminger
Dr.-Ing. Eberhard Pantow
Claudia Lang
Timo Peifer
Matthias Schmid
Jürgen Steimer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Priority to EP19155617.4A priority Critical patent/EP3531059A3/de
Publication of EP2998686A2 publication Critical patent/EP2998686A2/de
Publication of EP2998686A3 publication Critical patent/EP2998686A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0219—Arrangements for sealing end plates into casing or header box; Header box sub-elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/12—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically the surrounding tube being closed at one end, e.g. return type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0246—Arrangements for connecting header boxes with flow lines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/06—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by dismountable joints
    • F28F9/12—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by dismountable joints by flange-type connections

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular a charge air cooler or an exhaust gas cooler for a motor vehicle, in particular according to the preamble of claim 1.
  • Exhaust coolers have the task of cooling hot exhaust gas from internal combustion engines, so that this cooled exhaust gas can be added to the intake air again. In this case, to increase the thermodynamic efficiency of an internal combustion engine, the cooling to a very low level.
  • This principle is generally known as cooled exhaust gas recirculation and is used to achieve a reduction of pollutants, in particular nitrogen oxides, in the exhaust gas.
  • the gas flow in the inlet region usually takes place with relatively thick-walled diffusers in order to withstand the high pressures and temperatures, whereas the heat-transferring parts of the heat exchanger are designed as thin as possible for reasons of heat transfer and cost and weight reasons.
  • the joint between the gas inlet diffuser and the heat exchanger matrix, where there is a thickness transition which in addition leads to strong notch effects.
  • This notch effect leads to critical thermal stresses at certain areas of the heat exchanger. In particular, the corners of the heat transfer matrix are often heavily loaded.
  • the heat transfer matrix is enclosed by a relatively thick-walled, coolant-carrying housing, with which the gas inlet diffuser is connected, usually by welding or soldering.
  • a relatively thick-walled, coolant-carrying housing with which the gas inlet diffuser is connected, usually by welding or soldering.
  • thermal deformations are prevented by relatively thick-walled, rigid components, such as through the coolant housing or the bottom of the susceptible, thin-walled heat exchanger tubes. This leads to a high component weight and high costs.
  • An embodiment of the invention relates to a heat exchanger with a tube bundle
  • the tubes are either arranged in a housing and are flowed through by a first fluid and define a first fluid channel and are flowed around by a second fluid and thus define a second fluid channel, or its tubular elements alternately are stacked and thus form tubes having a first fluid channel and a second fluid channel, wherein the first fluid channel is frontally open for inflow or outflow of the first fluid, wherein at least one end face of the first fluid channel, a diffuser connected to the housing or with the tube bundle is, wherein the diffuser has a collar as an overreach, which is pushed over the housing or over the tube bundle, wherein the diffuser has a wall thickness as a material thickness and the length of the overmold area is greater than three or four times the material thickness d it diffuser or housing or tube bundle.
  • the diffuser has a wall thickness as a material thickness and the length of the overmold area is greater than 5 to 20 times the material thickness (d) of the diffuser or the housing or the tube bundle.
  • An embodiment of the invention relates to a heat exchanger with a tube bundle, the tubes arranged either in a housing and are flowed through by a first fluid and define such a first fluid channel and are flowed around by a second fluid and thus define a second fluid channel, or its tubular elements are stacked alternately, forming tubes with a first fluid channel and a second fluid channel, wherein the first Fluid channel is formed open at the end face for inflow or outflow of the first fluid, wherein at least one end face of the first fluid channel, a diffuser is connected to the housing or with the tube bundle, wherein the diffuser has a collar as an overreach, which via the housing or via the Tube bundle is pushed, wherein the collar of the over-insertion in the region of at least one corner has a recess, in particular a slot.
  • An embodiment of the invention relates to a heat exchanger with a tube bundle
  • the tubes are either arranged in a housing and are flowed through by a first fluid and define a first fluid channel and are flowed around by a second fluid and thus define a second fluid channel, or its tubular elements alternately are stacked and thus form tubes having a first fluid channel and a second fluid channel, wherein the first fluid channel is frontally open for inflow or outflow of the first fluid, wherein at least one end face of the first fluid channel, a diffuser connected to the housing or with the tube bundle is, wherein the diffuser has a collar as an over-insertion area, which is pushed over the housing or over the tube bundle, wherein the collar of the over-insertion region in the region of at least one corner has a bulge.
  • An embodiment of the invention relates to a heat exchanger with a tube bundle
  • the tubes are either arranged in a housing and are flowed through by a first fluid and define a first fluid channel and are flowed around by a second fluid and thus define a second fluid channel, or its tubular elements alternately are stacked and thus form tubes having a first fluid channel and a second fluid channel, wherein the first fluid channel is frontally open for inflow or outflow of the first fluid, wherein at least one end face of the first fluid channel, a diffuser connected to the housing or with the tube bundle is, wherein the diffuser has a collar as an overreach, which is slid over the housing or over the tube bundle, further wherein a connection piece is provided with a flange, wherein the flange is connected to the housing or with the tube bundle, the Flansc h of the connecting piece is connected to the overreach area of the diffuser in shock.
  • An embodiment of the invention relates to a heat exchanger with a tube bundle
  • the tubes are either arranged in a housing and are flowed through by a first fluid and define a first fluid channel and are flowed around by a second fluid and thus define a second fluid channel, or its tubular elements alternately Are stacked and thus form tubes having a first fluid channel and a second fluid channel, wherein the first fluid channel is formed open at the end for inflow or outflow of the first fluid, wherein at least one Front end of the first fluid channel, a diffuser is connected to the housing or with the tube bundle, wherein the diffuser has a collar as an overreach, which is pushed over the housing or over the tube bundle, wherein further a connection piece is provided with a collar, wherein the collar of Connecting piece is connected to the housing or with the tube bundle, wherein the collar of the connecting piece is connected to the Sprintck Scheme of the diffuser overlapping.
  • An embodiment of the invention relates to a heat exchanger with a tube bundle
  • the tubes are either arranged in a housing and are flowed through by a first fluid and define a first fluid channel and are flowed around by a second fluid and thus define a second fluid channel, or its tubular elements alternately are stacked and thus form tubes with a first fluid channel and a second fluid channel, wherein the first fluid channel is frontally open for inflow or outflow of the first fluid, wherein at least one end face of the first fluid channel, a diffuser connected to the housing or with the tube bundle is, wherein the diffuser has a collar as an overreach, which is pushed over the housing or over the tube bundle, wherein further a connection piece is provided with a collar, wherein the collar of the connection piece is connected to the housing or with the tube bundle t, wherein the collar with the connecting piece and the over-insertion region each having a projecting, flared flange, which are interconnected.
  • FIG. 1 shows a view of a housing 2 of a heat exchanger 1 according to the prior art, which has a tube bundle 3 with tubes 4, wherein the tubes 4 of the tube bundle 3 are traversed by a first fluid and the tubes 4 are flowed around by a second fluid, so that a heat transfer from the first fluid to the second fluid can take place.
  • the tubes 4 of the tube bundle 3 are open at their end faces 5, so that the first fluid according to arrow 6 can flow into the open tube ends 7.
  • a diffuser 8 is provided, which is connected to the housing 2.
  • the diffuser 8 engages over the housing 2 over the length L1. It has been found that due to the material thickness d of the diffuser and the rather low material thickness of the housing 2 or of the tubes 4, thermally induced stresses can arise due to the thermal expansion of the diffuser. This is indicated by the fact that the diffuser 8 is shown with a solid line in the hot state and with broken Line in cold condition. The diffuser 8 widens with an increase in temperature and leads to stresses in the end region of the housing 2 and in particular where the diffuser 8 ends on the housing 2.
  • FIG. 2 shows a view of a housing 12 of a heat exchanger 11 according to the invention, which has a tube bundle 13, also called heat transfer matrix, with tubes 14, wherein the tubes 14 of the tube bundle 13 are flowed through by a first fluid and the tubes 14 are flowed around by a second fluid , so that a heat transfer from the first fluid to the second fluid can take place.
  • the tubes 14 of the tube bundle 13 are open at their end faces 15, so that the first fluid according to arrow 16 can flow into the open tube ends 17.
  • a diffuser 18 is provided, which is connected to the housing 12. In this case, the diffuser 18 engages over the housing 12 over the length L2. It has been found that due to the material thickness d of the diffuser or of the housing 2 or of the tubes 14 and the invention according to greater length L2 thermal expansion of the diffuser 18 no unacceptably high thermally induced voltages.
  • a certain insertion or insertion depth L2 is required for joining the diffuser 18 and the housing 12 in order to ensure a workable weld or soldered seam.
  • This soldering depth L2 is greater for solder joints than for welded joints and is preferably 3 to 4 times the material thickness of the thinner joining partner, ie the housing 12 or the tubes 14. This usually ensures that the soldered seam between the diffuser 18 and the housing 12 and the tubes 14 despite the lower strength of the solder achieves the same strength as the thinner joining partner.
  • the diffuser 18 is overlapped with the length L2 via the tube bundle 13 or via the heat transfer matrix, so that a secure connection is produced and the thermally induced voltages are reduced.
  • the length L2 is considerably larger than it would have to be for the load capacity of the solder joint.
  • the diffuser 18 connects to the housing 12 or to the tube bundle 13 in a non-positive manner, for example by soldering.
  • the diffuser 18 has an approximately cylindrical or approximately rectangular region 19, which is aligned in the longitudinal direction of the housing 2 or the tube bundle 13 and the housing 12 or the tube bundle 13 engages around the outside.
  • the diffuser 18 is preferably plugged so far that in the overlapped region 19, the temperature almost reaches the temperature of the second fluid, ie the coolant temperature.
  • the FIG. 3 shows such a diffuser 18 in a three-dimensional representation.
  • the contour of the diffuser 18 widens in a flowing course from the inlet 20 in the hot region to the region 19, wherein the region 19 is cylindrical or rectangular or cuboid, around the housing 12 or the tube bundle 13 or the heat transfer matrix according to their design to include.
  • the stiffness of the rather thick-walled diffuser 18 prevents a strong constriction and associated strong notch effects.
  • the Studentssteckin L2 of the diffuser 18 is advantageously greater than 4 times the material thickness d of the diffuser 18 in order to achieve sufficient cooling of the diffuser 18 in the overmold 19.
  • an insertion length L2 of more than 5 times the Diffuser wall thickness d advantageous, in particular, the Sprintckin L2 between 7 to 20 times the diffuser wall thickness d.
  • the corners 21 of the over-insertion area 19 are widened outwards, as is the case FIG. 3 shows.
  • the corner region 23 is widened radially outwards.
  • the stub length in the widened corner portion 23 is reduced from the middle portion of FIG.
  • the over-insertion region 19 of the diffuser 18 can also be designed slotted in a sawtooth pattern or with recesses for other components.
  • the over-insertion region 18 need not be formed circumferentially around the housing 12 or the tube bundle 13 or the heat transfer matrix completely encompassing it may be sufficient if only the most critical failure areas are encompassed, such as the corners of the heat transfer matrix or areas with special shaping, for example for coolant guidance such as wells or domes in panes or pipes or coolant inlets or outlets etc.
  • FIG. 4 shows a diffuser 18 according to FIG. 3 , which engages over the housing 12 and the tube bundle 13 with its over-insertion region 19.
  • a connecting piece 30 is further provided with a circumferential collar 31, wherein the circumferential collar 31 rests against the housing 12 and to the tube bundle 13.
  • the collar 31 is partially pushed on one side 32 under the widened region 24 in order to be able to rest in a sealing manner on the housing 12 or on the tube bundle 13.
  • the connecting piece 30 serves to supply or discharge of the second fluid according to arrow 33, wherein the diffuser 18 of the supply or discharge of the first fluid according to arrow 16 is used.
  • FIGS. 5 and 6 show diffusers 40 and 50, which according to the diffuser 18 of FIG. 3 are formed, wherein instead of the slot 22 at the corner portions 41, 51 widenings 42, 52 are provided.
  • the Mathsteckin L2 in the embodiment of FIG. 5 over the circumference of the overmold portion 43 is substantially constant.
  • the embodiment of FIG. 6 is the Sprintckin L2 over the circumference of the overreach 53 is not constant. Rather, the Sprintckilia L2 between the corner regions 51 is less than at the corner regions 51 itself.
  • a two-part embodiment may be provided, in which a sleeve can be pushed over the housing or the heat transfer matrix, the wall thickness of the sleeve being at least 30%, advantageously more than 50%, of the diffuser wall thickness d should and for the Kochsteckin the same lengths should be provided, as for the one-piece diffuser 18th
  • a diffuser is connected either to the housing or directly to the heat exchanger matrix, whereby the thermally induced voltages can be kept low.
  • the thermal resistance can be significantly increased.
  • the diffuser wall thickness is usually a multiple of the disk or tube wall thickness of the heat exchanger matrix.
  • FIGS. 7 to 12 show different variants, such as a heat exchanger can be formed with a housing or without housing but with a tube bundle with a diffuser and a connecting piece with circumferential collar, so that the collar can be sealingly attached to the housing or on the tube bundle.
  • the diffuser is preferably soldered to each other with a connecting piece forming a fluid box. This results in a rigid composite with high wall thickness and thus good heat conduction, whereby the temperature jumps are greatly mitigated. It adjusts accordingly a flowing geometry and the stresses on the components can be reduced so that the thermal strength can be increased several times.
  • the diffuser with the connecting piece forming a fluid box has a joining surface in the region of the collar which is non-positively connected by soldering or welding.
  • the two components diffuser and collar of the connection piece can be butted together, so that a joining surface the width of the material thickness of the thinner component, such as the diffuser or the connecting piece is formed.
  • the diffuser 70 engages with its over-insertion region 71 the housing 72 or the tube bundle or the heat transfer matrix 73, depending on whether a housing 72 is provided.
  • the connecting piece 74 is arranged and fastened with its collar 75 on the housing 72 or on the tube bundle 73.
  • the collar 75 abuts butt against the over-insertion region 71 of the diffuser 70.
  • the connection takes place via the solder seam 76. In this way, a considerable improvement in the thermal resistance can already be achieved.
  • An enlarged joint seam can be achieved, for example, in that one of the joining partners is overlapped with the other, preferably the joint seam is almost parallel to the pressing-on direction of the diffuser.
  • the width of the joint gap can be increased, in particular to a width of more than one material thickness of the thinner joining partner.
  • a tolerance compensation is also made possible.
  • FIGS. 8 and 9 show an embodiment in which the collar of the connection piece is pushed under the diffuser.
  • the diffuser 80 engages with its over-insertion region 81 the housing 82 or the tube bundle or the heat transfer matrix 83, depending on whether a housing 82 is provided.
  • the connecting piece 84 is arranged and fastened with its collar 85 on the housing 82 or on the tube bundle 83.
  • the collar 85 is pushed under a bulge 86 of the over-insertion region 81 of the diffuser 80.
  • the connection takes place via the soldering seam 87, which is arranged and enlarged substantially parallel to the mounting direction of the diffuser 80. In this way, even a considerable improvement in the thermal resistance can be achieved.
  • FIG. 10 shows an embodiment in which the collar of the connecting piece is pushed over the diffuser.
  • the diffuser 90 engages with its plug-in region 91 the housing 92 or the tube bundle or the heat transfer matrix 93, depending on whether a housing 92 is provided.
  • the connecting piece 94 is arranged and fastened with its collar 95 on the housing 92 or on the tube bundle 93.
  • the collar 95 engages over the fürsteck Colour 91 of the diffuser 90.
  • the connection is made via the solder seam 96, which is arranged and enlarged substantially parallel to the mounting direction of the diffuser 90. In this way, as well as a significant improvement in the thermal resistance can be achieved.
  • FIG. 11 shows a further embodiment in which the collar of the connecting piece is arranged in abutment with the Kochsteck Scheme of the diffuser, wherein over the shock a collar is pushed.
  • the diffuser 100 engages with its over-insertion region 101 the housing 102 or the tube bundle or the heat transfer matrix 103, depending on whether a housing 102 is provided.
  • the connecting piece 104 is arranged and fastened with its collar 105 on the housing 102 or on the tube bundle 103.
  • the collar 105 is arranged next to the over-insertion region 101 of the diffuser 100 in abutment.
  • a collar 107 which improves the connection, because the soldering seam is increased.
  • the connection takes place via the soldering seam 108 which, in addition to the soldering seam in the joint 106, is arranged substantially parallel to the attachment direction of the diffuser 100. In this way, as well as a significant improvement in the thermal resistance can be achieved.
  • FIG. 12 shows a further embodiment in which the collar of the connecting piece and the overmold portion 111 of the diffuser 110 are an integrally molded body, which abut against each other.
  • the diffuser 110 engages with its over-insertion region 111 the housing 112 or the tube bundle or the heat transfer matrix 113, depending on whether a housing 112 is provided.
  • the connecting piece 114 is arranged and fastened with its collar 115 on the housing 112 or on the tube bundle 113.
  • the collar 115 and the plug-in region form flared flanges 116, 117, which protrude in the radial direction or perpendicular to the longitudinal direction of the housing 112 or the heat transfer matrix 113.
  • the two flanges 116, 117 are soldered together, which increases the solder seam 118. In this way, as well as a significant improvement in the thermal resistance can be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel mit Rohren als Wärmeübertragermatrix, wobei die Rohre von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, wobei das Rohrbündel nach außen abgeschlossen ausgebildet ist, um den zweiten Fluidkanal abzuschließen oder in einem Gehäuse angeordnet ist, um den zweiten Fluidkanal abzuschließen, wobei die Rohre stirnseitig offen ausgebildet sind zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite der Rohre ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, wobei der Diffusor eine Wandstärke (d) aufweist und die Länge (L2) des Übersteckbereichs größer ist als die dreifache oder vierfache Materialdicke (d) des Diffusors oder des Gehäuses oder des Rohrbündels.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Ladeluftkühler oder einen Abgaskühler für ein Kraftfahrzeug, insbesondere nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
    • Stand der Technik
  • Abgaskühler haben die Aufgabe, heißes Abgas von Verbrennungsmotoren zu kühlen, damit dieses gekühlte Abgas der Ansaugluft wieder beigemischt werden kann. Dabei ist zur Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades eines Verbrennungsmotors die Abkühlung auf ein sehr niedriges Niveau anzustreben. Dieses Prinzip ist allgemein als gekühlte Abgasrückführung bekannt und wird angewandt, um eine Reduzierung von Schadstoffen, wie insbesondere von Stickoxyden, im Abgas zu erreichen.
  • Der Temperaturübergang vom sehr heißen, ungekühlten Gaseintrittsbereich aufgrund des heißen Gases am Gaseintritt zum mit dem Kühlmittel in Verbindung stehenden Bereich des Kühlers führt zu hohen Spannungen wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung aufgrund der unterschiedlichen auftretenden Temperaturen.
  • Weiterhin erfolgt die Gasführung im Eintrittsbereich in der Regel mit relativ dickwandigen Diffusoren, um den hohen Drücken und Temperaturen standhalten zu können, wohingegen die wärmeübertragenden Teile des Wärmeübertragers aus Gründen des Wärmeübergangs und aus Kosten- und Gewichtsgründen möglichst dünnwandig gestaltet sind. Genau in diesem Bereich des Wärmeübertragers mit den höchsten Temperaturgradienten befindet sich die Fügestelle zwischen dem Gaseintrittsdiffusor und der Wärmeübertragermatrix, wo ein Dickenübergang vorliegt, der zusätzlich zu starken Kerbwirkungen führt. Diese Kerbwirkung führt an bestimmten Bereichen des Wärmeübertragers zu kritischen thermischen Spannungen. Insbesondere die Ecken der Wärmeübertragermatrix sind dabei häufig stark belastet.
  • Üblicherweise ist die Wärmeübertragermatrix von einem relativ dickwandigen, kühlmittelführenden Gehäuse umschlossen, mit dem der Gaseintrittsdiffusor verbunden wird, üblicherweise durch Schweißen oder Löten. Dies hat den Vorteil, dass kein so starker Dickensprung auftritt und die Kerbwirkungen geringer sind. Wenn dennoch zu hohe Spannungen auftreten, kann ein dickwandigerer Boden oder eine zusätzliche Versteifung des Gehäuses durch einen Gussringkanal eingesetzt werden.
  • Die thermischen Verformungen werden durch relativ dickwandige, steife Bauteile, wie durch das Kühlmittelgehäuse oder den Boden von den anfälligen, dünnwandigen Wärmeübertragerrohren abgehalten. Dies führt zu einem hohen Bauteilgewicht und zu hohen Kosten.
    • Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager zu schaffen, welcher gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und eine höhere Lebensdauer aufgrund reduzierter thermischer Spannungen aufzeigt.
  • Dies wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, wobei der Diffusor eine Wandstärke als Materialdicke aufweist und die Länge des Übersteckbereichs größer ist als die dreifache oder vierfache Materialdicke des Diffusors oder des Gehäuses oder des Rohrbündels.
  • Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Diffusor eine Wandstärke als Materialdicke aufweist und die Länge des Übersteckbereichs größer ist als die 5- bis 20-fache Materialdicke (d) des Diffusors oder des Gehäuses oder des Rohrbündels.
  • Dies wird auch mit den Merkmalen von Anspruch 3 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, wobei der Kragen des Übersteckbereichs im Bereich zumindest einer Ecke eine Aussparung, insbesondere einen Schlitz, aufweist.
  • Dies wird auch mit den Merkmalen von Anspruch 4 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, wobei der Kragen des Übersteckbereichs im Bereich zumindest einer Ecke eine Auswölbung aufweist.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die Überstecklänge im Bereich einer Ecke größer ist als zwischen zwei Ecken.
  • Dies wird auch mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, wobei weiterhin ein Anschlussstutzen mit einem Flansch vorgesehen ist, wobei der Flansch mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Flansch des Anschlussstutzens mit dem Übersteckbereich des Diffusors auf Stoß verbunden ist.
  • Vorteilhaft ist es dabei, wenn auf den Stoß ein Kragen geschoben ist, welcher ebenfalls mit dem Übersteckbereich und dem Kragen verbunden ist.
  • Dies wird auch mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, wobei weiterhin ein Anschlussstutzen mit einem Kragen vorgesehen ist, wobei der Kragen des Anschlussstutzens mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Kragen des Anschlussstutzens mit dem Übersteckbereich des Diffusors überlappend verbunden ist.
  • Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Kragen den Übersteckbereich übergreift oder der Übersteckbereich den Kragen übergreift.
  • Dies wird auch mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, wobei weiterhin ein Anschlussstutzen mit einem Kragen vorgesehen ist, wobei der Kragen des Anschlussstutzes mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Kragen mit dem Anschlussstutzen und der Übersteckbereich jeweils einen abragenden, aufgetulpten Flansch aufweist, die miteinander verbunden sind.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Ansicht eines Diffusors nach dem Stand der Technik, wie er auf einen Endbereich eines Gehäuses eines Wärmetauschers aufgesetzt ist,
    Fig. 2
    eine schematische Ansicht eines Diffusors, wie er auf einen Endbereich eines Gehäuses eines Wärmetauschers gemäß eines Erfindungsgedankens aufgesetzt ist,
    Fig. 3
    eine dreidimensionale Ansicht eines Diffusors,
    Fig. 4
    eine Ansicht eines Diffusors und eines Anschlussstutzens, die an einem Gehäuse angeordnet sind,
    Fig. 5
    eine dreidimensionale Ansicht eines Diffusors,
    Fig. 6
    eine dreidimensionale Ansicht eines Diffusors,
    Fig. 7
    eine schematische Schnittansicht des Gehäuses mit Diffusor und Anschlussstutzen,
    Fig. 8
    eine schematische Schnittansicht des Gehäuses mit Diffusor und Anschlussstutzen,
    Fig. 9
    eine dreidimensionale Ansicht des Gehäuses mit Diffusor und Anschlussstutzen,
    Fig. 10
    eine schematische Schnittansicht des Gehäuses mit Diffusor und Anschlussstutzen,
    Fig. 11
    eine schematische Schnittansicht des Gehäuses mit Diffusor und Anschlussstutzen, und
    Fig. 12
    eine schematische Schnittansicht des Gehäuses mit Diffusor und Anschlussstutzen.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Die Figur 1 zeigt eine Ansicht eines Gehäuses 2 eines Wärmeübertragers 1 nach dem Stand der Technik, welches ein Rohrbündel 3 mit Rohren 4 aufweist, wobei die Rohre 4 des Rohrbündels 3 von einem ersten Fluid durchströmbar sind und die Rohre 4 von einem zweiten Fluid umströmbar sind, so dass ein Wärmeübergang von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid stattfinden kann.
  • Dabei sind die Rohre 4 des Rohrbündels 3 an ihren Stirnseiten 5 offen ausgebildet, so dass das erste Fluid gemäß Pfeil 6 in die offenen Rohrenden 7 einströmen kann. Zur Verteilung des ersten Fluids auf die Rohrenden 7 ist ein Diffusor 8 vorgesehen, welcher mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Dabei übergreift der Diffusor 8 das Gehäuse 2 über die Länge L1. Dabei hat sich gezeigt, dass aufgrund der Materialstärke d des Diffusors und der eher geringeren Materialstärke des Gehäuses 2 bzw. der Rohre 4 aufgrund der thermischen Ausdehnung des Diffusors thermisch induzierte Spannungen entstehen können. Dies wird dadurch angedeutet, dass der Diffusor 8 mit durchgezogener Linie im heißen Zustand gezeigt ist und mit unterbrochener Linie im kalten Zustand. Der Diffusor 8 weitet sich unter Temperatursteigerung und führt zu Spannungen im Endbereich des Gehäuses 2 und insbesondere dort, wo der Diffusor 8 am Gehäuse 2 endet.
  • Die Figur 2 zeigt eine Ansicht eines Gehäuses 12 eines Wärmeübertragers 11 gemäß der Erfindung, welches ein Rohrbündel 13, auch Wärmeübertragermatrix genannt, mit Rohren 14 aufweist, wobei die Rohre 14 des Rohrbündels 13 von einem ersten Fluid durchströmbar sind und die Rohre 14 von einem zweiten Fluid umströmbar sind, so dass ein Wärmeübergang von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid stattfinden kann. Die Rohre 14 des Rohrbündels 13 sind an ihren Stirnseiten 15 offen ausgebildet, so dass das erste Fluid gemäß Pfeil 16 in die offenen Rohrenden 17 einströmen kann. Zur Verteilung des ersten Fluids auf die Rohrenden 17 ist ein Diffusor 18 vorgesehen, welcher mit dem Gehäuse 12 verbunden ist. Dabei übergreift der Diffusor 18 das Gehäuse 12 über die Länge L2. Dabei hat sich gezeigt, dass aufgrund der Materialstärke d des Diffusors bzw. des Gehäuses 2 bzw. der Rohre 14 und der erfindungsgemäß größeren Länge L2 eine thermische Ausdehnung des Diffusors 18 keine unzulässig starken thermisch induzierten Spannungen entstehen.
  • Aufgrund der Formgebung des Diffusors kann somit erreicht werden, dass insbesondere im Anschlussbereich zur Wärmeübertragermatrix keine kritischen thermisch induzierten Spannungen entstehen.
  • Zum Fügen des Diffusors 18 und des Gehäuses 12 wird eine gewisse Einsteck- bzw. Überstecktiefe L2 benötigt, um eine tragfähige Schweiß- oder Lötnaht sicherzustellen. Diese Überstecktiefe L2 ist für Lötverbindungen größer als für Schweißverbindungen und beträgt beim Löten bevorzugt 3- bis 4-mal die Materialdicke des dünneren Fügepartners, also des Gehäuses 12 bzw. der Rohre 14. Dadurch wird in der Regel sichergestellt, dass die Lötnaht zwischen dem Diffusor 18 und dem Gehäuse 12 bzw. den Rohren 14 trotz der geringeren Festigkeit des Lotes die gleiche Festigkeit erreicht, wie der dünnere Fügepartner.
  • Gemäß Erfindung wird der Diffusor 18 mit der Länge L2 über das Rohrbündel 13 bzw. über die Wärmeübertragermatrix übergesteckt, so dass eine sichere Verbindung erzeugt wird und die thermisch induzierten Spannungen reduziert sind. Dabei ist die Länge L2 erheblich größer als sie für die Tragfähigkeit der Lötverbindung sein müsste.
  • Im übergesteckten Bereich der Länge L2 verbindet sich der Diffusor 18 mit dem Gehäuse 12 oder mit dem Rohrbündel 13 flächig kraftschlüssig, beispielsweise durch Verlöten. Hierzu weist der Diffusor 18 einen etwa zylindrischen oder etwa rechteckigen Bereich 19 auf, der in Längsrichtung des Gehäuses 2 oder des Rohrbündels 13 ausgerichtet ist und das Gehäuse 12 oder das Rohrbündel 13 außen umgreift. Der Diffusor 18 ist dabei bevorzugt so weit übergesteckt, dass im übergesteckten Bereich 19 die Temperatur nahezu die Temperatur des zweiten Fluids, also die Kühlmitteltemperatur, erreicht.
  • Die Figur 3 zeigt einen solchen Diffusor 18 in einer dreidimensionalen Darstellung. Die Kontur des Diffusors 18 weitet sich in einem fließenden Verlauf vom Eintritt 20 im heißen Bereich hin zum Bereich 19, wobei der Bereich 19 zylindrisch bzw. rechteckig oder quaderförmig ausgebildet ist, um das Gehäuse 12 oder das Rohrbündel 13 bzw. die Wärmeübertragermatrix entsprechend ihrer Gestaltung zu umfassen. Dabei verhindert die Steifheit des eher dickwandigen Diffusors 18 ein starkes Einschnüren und damit verbundene starke Kerbwirkungen. Die Überstecklänge L2 des Diffusors 18 ist vorteilhaft größer als 4-mal die Materialstärke d des Diffusors 18, um eine ausreichende Abkühlung des Diffusors 18 im Übersteckbereich 19 zu erreichen. Für die Wärmeleiteigenschaften insbesondere von Edelstahlbauteilen ist eine Überstecklänge L2 von mehr als 5-mal der Diffusorwandstärke d vorteilhaft, insbesondere ist die Überstecklänge L2 zwischen 7- bis 20-mal der Diffusorwandstärke d.
  • Die Herstellung langer zylindrischer Bereiche 19 ist nicht unbegrenzt möglich. Entsprechend haben Simulationen ergeben, dass ein großer Anteil des Effekts durch einen Diffusor mit langem Übersteckbereich auch dann erreicht wird, wenn die Ecken 21 des Übersteckbereiches 19 geschlitzt oder keilförmig eingeschnitten sind. Entsprechend zeigt die Figur 3 in den Eckbereichen des Übersteckbereichs 19 geschlitzte bzw. keilförmige Einschnitte 22.
  • Alternativ dazu oder zusätzlich kann vorgesehen werden, dass die Ecken 21 des Übersteckbereichs 19 nach außen aufgeweitet sind, wie es die Figur 3 zeigt. Der Eckbereich 23 ist radial nach außen aufgeweitet. Auch ist die Überstecklänge in dem aufgeweiteten Eckbereich 23 reduziert gegenüber dem mittleren Bereich von 19.
  • Durch diese Aufweitung im Eckbereich 23 wird ein größerer Radius und somit bessere Umformbarkeit des Eckbereichs 23 erreicht. Im Eckbereich 23 ergibt sich so am Ende des Übersteckbereiches 19 eine Tasche 24, die nicht mit dem Gehäuse 12 oder dem Rohrbündel 13 bzw. der Wärmeübertragermatrix verlötet ist, die aber zu einer umlaufenden Abstützung des Übersteckbereiches 19 des Diffusors 18 führt, was dem Einschnüren des Diffusorendes 25 entgegenwirkt. Bei der Verwendung von Gussteilen als Diffusor 18 können diese aufgeweiteten Bereiche 24 mit größerem Radius auch unbearbeitet bleiben, um die Herstellungskosten zu senken.
  • Der Übersteckbereich 19 des Diffusors 18 kann auch geschlitzt in einem Sägezahnmuster oder mit Aussparungen für andere Bauteile ausgeführt sein.
  • Auch muss der Übersteckbereich 18 nicht umlaufend ausgebildet sein, um das Gehäuse 12 oder das Rohrbündel 13 bzw. die Wärmeübertragermatrix vollständig zu umgreifen, es kann ausreichend sein, wenn nur die ausfallkritischsten Bereiche umgriffen sind, wie beispielsweise die Ecken der Wärmeübertragermatrix oder Bereiche mit spezieller Formgebung, beispielsweise zur Kühlmittelführung wie Näpfe oder Dome in Scheiben oder Rohren oder Kühlmitteleintritte oder -austritte etc.
  • Die Figur 4 zeigt einen Diffusor 18 gemäß Figur 3, welcher mit seinem Übersteckbereich 19 das Gehäuse 12 bzw. das Rohrbündel 13 übergreift. Dabei ist weiterhin ein Anschlussstutzen 30 mit einem umlaufenden Kragen 31 vorgesehen, wobei der umlaufende Kragen 31 an dem Gehäuse 12 bzw. an dem Rohrbündel 13 anliegt. Der Kragen 31 ist dabei auf einer Seite 32 teilweise unter den aufgeweiteten Bereich 24 geschoben, um dichtend an dem Gehäuse 12 bzw. an dem Rohrbündel 13 anliegen zu können. Der Anschlussstutzen 30 dient der Zu- oder Abführung des zweiten Fluids gemäß Pfeil 33, wobei der Diffusor 18 der Zu- oder Abführung des ersten Fluids gemäß Pfeil 16 dient.
  • Die Figuren 5 und 6 zeigen Diffusoren 40 bzw. 50, welche entsprechend dem Diffusor 18 der Figur 3 ausgebildet sind, wobei statt des Schlitzes 22 an den Eckbereichen 41, 51 Aufweitungen 42, 52 vorgesehen sind. Dabei ist die Überstecklänge L2 in dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 über den Umfang des Übersteckbereichs 43 im Wesentlichen konstant. Im Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist die Überstecklänge L2 über den Umfang des Übersteckbereichs 53 nicht konstant. Vielmehr ist die Überstecklänge L2 zwischen den Eckbereichen 51 geringer als an den Eckbereichen 51 selbst.
  • Alternativ dazu könnte statt des verlängerten Übersteckbereichs 19 des Diffusors 18 auch eine zweiteilige Ausführung vorgesehen sein, bei welcher eine Manschette über das Gehäuse oder die Wärmeübertragermatrix geschoben werden kann, wobei die Wandstärke der Manschette mindestens 30%, vorteilhaft mehr als 50% der Diffusorwandstärke d betragen sollte und für die Überstecklänge die gleichen Längen vorgesehen sein sollten, als für den einteiligen Diffusor 18.
  • Dadurch wird bei Wärmeübertragern mit Gehäuse oder auch ohne Gehäuse ein Diffusor entweder mit dem Gehäuse oder direkt mit der Wärmeübertragermatrix verbunden, wobei die thermisch induzierten Spannungen gering gehalten werden können. Dadurch kann die thermische Festigkeit erheblich gesteigert werden. Bei Bauformen ohne Gehäuse ist die Diffusorwandstärke üblicherweise ein Mehrfaches der Scheiben- bzw. Rohrwandstärke der Wärmeübertragermatrix. Ein erfindungsgemäß großer Übersteckbereich des Diffusors 18 hat eine Vervielfachung der Lebensdauer des Wärmeübertragers ergeben.
  • Die Figuren 7 bis 12 zeigen verschiedene Varianten, wie ein Wärmeübertrager mit einem Gehäuse oder auch ohne Gehäuse aber mit einem Rohrbündel mit einem Diffusor und einem Anschlussstutzen mit umlaufendem Kragen ausgebildet werden kann, so dass der Kragen dichtend an dem Gehäuse oder an dem Rohrbündel befestigt werden kann. Bevorzugt werden dabei der Diffusor mit einem einen Fluidkasten bildenden Anschlussstutzen miteinander verlötet. Es entsteht dadurch ein steifer Verbund mit hoher Wandstärke und somit guter Wärmeleitung, wodurch die Temperatursprünge stark abgemildert werden. Es stellt sich entsprechend ein fließender Geometrieverlauf ein und die Spannungen an den Bauteilen können so reduziert werden, dass die thermische Festigkeit vermehrfacht werden kann.
  • Gemäß Erfindung hat der Diffusor mit dem einen Fluidkasten ausbildenden Anschlussstutzen im Bereich des Kragens eine Fügefläche, die kraftschlüssig verbunden wird durch Lötung oder Schweißung.
  • Im einfachsten Fall können die beiden Bauteile Diffusor und Kragen des Anschlussstutzens stumpf aneinandergesetzt sein, so dass eine Fügefläche der Breite der Materialdicke des dünneren Bauteils, wie des Diffusors oder des Anschlussstutzens entsteht. Dies wird durch die Figur 7 gezeigt. Der Diffusor 70 umgreift mit seinem Übersteckbereich 71 das Gehäuse 72 bzw. das Rohrbündel bzw. die Wärmeübertragermatrix 73, je nachdem, ob ein Gehäuse 72 vorgesehen ist. Dabei wird der Anschlussstutzen 74 mit seinem Kragen 75 an dem Gehäuse 72 bzw. an dem Rohrbündel 73 angeordnet und befestigt. Der Kragen 75 stößt dabei stumpf an den Übersteckbereich 71 des Diffusors 70 an. Die Verbindung erfolgt über die Lötnaht 76. Auf diese Weise kann schon eine erhebliche Verbesserung der thermischen Festigkeit erreicht werden.
  • Da Fügenähte insbesondere Lötnähte mit Nickelbasisloten bei Edelstahlkühlern jedoch oftmals eine erheblich geringere Festigkeit haben als die Grundwerkstoffe, stellt im Fall des stumpfen Fügens die Lötnaht 76 als Fügenaht 76 immer noch eine verbesserungswürdige Verbindung dar. Zudem ermöglicht eine stumpfe Verlötung keinen Toleranzausgleich für Maßschwankungen der Einzelteile oder Positionsabweichungen beim Aufbau des Kühlers.
  • Eine vergrößerte Fügenaht kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass einer der Fügepartner über den anderen übergesteckt wird, bevorzugt liegt die Fügenaht dabei nahezu parallel zur Aufpressrichtung des Diffusors. So kann die Breite des Fügespalts vergrößert werden, insbesondere auf eine Breite von mehr als einer Materialdicke des dünneren Fügepartners. Zudem wird so auch ein Toleranzausgleich ermöglicht.
  • Die Figuren 8 und 9 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kragen des Anschlussstutzens unter den Diffusor geschoben ist. Der Diffusor 80 umgreift mit seinem Übersteckbereich 81 das Gehäuse 82 bzw. das Rohrbündel bzw. die Wärmeübertragermatrix 83, je nachdem, ob ein Gehäuse 82 vorgesehen ist. Dabei wird der Anschlussstutzen 84 mit seinem Kragen 85 an dem Gehäuse 82 bzw. an dem Rohrbündel 83 angeordnet und befestigt.
  • Der Kragen 85 ist dabei unter eine Aufwölbung 86 des Übersteckbereichs 81 des Diffusors 80 geschoben. Die Verbindung erfolgt über die Lötnaht 87, die im Wesentlichen parallel zur Aufsteckrichtung des Diffusors 80 angeordnet und vergrößert ist. Auf diese Weise kann schon eine erhebliche Verbesserung der thermischen Festigkeit erreicht werden.
  • Die Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kragen des Anschlussstutzens über den Diffusor geschoben ist. Der Diffusor 90 umgreift mit seinem Übersteckbereich 91 das Gehäuse 92 bzw. das Rohrbündel bzw. die Wärmeübertragermatrix 93, je nachdem, ob ein Gehäuse 92 vorgesehen ist. Dabei wird der Anschlussstutzen 94 mit seinem Kragen 95 an dem Gehäuse 92 bzw. an dem Rohrbündel 93 angeordnet und befestigt.
  • Der Kragen 95 greift dabei über den Übersteckbereich 91 des Diffusors 90. Die Verbindung erfolgt über die Lötnaht 96, die im Wesentlichen parallel zur Aufsteckrichtung des Diffusors 90 angeordnet und vergrößert ist. Auf diese Weise kann ebenso eine erhebliche Verbesserung der thermischen Festigkeit erreicht werden.
  • Die Figur 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kragen des Anschlussstutzens auf Stoß mit dem Übersteckbereich des Diffusors angeordnet ist, wobei über den Stoß ein Kragen geschoben ist. Der Diffusor 100 umgreift mit seinem Übersteckbereich 101 das Gehäuse 102 bzw. das Rohrbündel bzw. die Wärmeübertragermatrix 103, je nachdem, ob ein Gehäuse 102 vorgesehen ist. Dabei wird der Anschlussstutzen 104 mit seinem Kragen 105 an dem Gehäuse 102 bzw. an dem Rohrbündel 103 angeordnet und befestigt. Der Kragen 105 ist dabei neben dem Übersteckbereich 101 des Diffusors 100 auf Stoß angeordnet. Weiterhin ist über den Stoß 106 ein Kragen 107 geschoben, welcher die Verbindung verbessert, weil die Lötnaht vergrößert wird. Die Verbindung erfolgt über die Lötnaht 108, die zusätzlich zu der Lötnaht im Stoß 106 im Wesentlichen parallel zur Aufsteckrichtung des Diffusors 100 angeordnet ist. Auf diese Weise kann ebenso eine erhebliche Verbesserung der thermischen Festigkeit erreicht werden.
  • Die Figur 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kragen des Anschlussstutzens als auch der Übersteckbereich 111 des Diffusors 110 aufgetulpt sind und jeweils einen radial ausgerichteten Flansch ausbilden, welche aneinander anliegen. Der Diffusor 110 umgreift mit seinem Übersteckbereich 111 das Gehäuse 112 bzw. das Rohrbündel bzw. die Wärmeübertragermatrix 113, je nachdem, ob ein Gehäuse 112 vorgesehen ist. Dabei wird der Anschlussstutzen 114 mit seinem Kragen 115 an dem Gehäuse 112 bzw. an dem Rohrbündel 113 angeordnet und befestigt.
  • Der Kragen 115 und der Übersteckbereich bilden aufgetulpte Flansche 116, 117 aus, die in radialer Richtung bzw. senkrecht zur Längsrichtung des Gehäuses 112 bzw. der Wärmeübertragermatrix 113 vorstehen. Die beiden Flansche 116, 117 sind miteinander verlötet, was die Lötnaht 118 vergrößert. Auf diese Weise kann ebenso eine erhebliche Verbesserung der thermischen Festigkeit erreicht werden.

Claims (16)

  1. Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor eine Wandstärke (d) als Materialdicke aufweist und die Länge (L2) des Übersteckbereichs größer ist als die dreifache oder vierfache Materialdicke (d) des Diffusors oder des Gehäuses oder des Rohrbündels.
  2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor eine Wandstärke (d) als Materialdicke aufweist und die Länge (L2) des Übersteckbereichs größer ist als die 5- bis 20-fache Materialdicke (d) des Diffusors oder des Gehäuses oder des Rohrbündels.
  3. Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen des Übersteckbereichs im Bereich zumindest einer Ecke eine Aussparung, insbesondere einen Schlitz, aufweist.
  4. Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen des Übersteckbereichs im Bereich zumindest einer Ecke eine Auswölbung aufweist.
  5. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstecklänge (L2) im Bereich einer Ecke größer ist als zwischen zwei Ecken.
  6. Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, wobei weiterhin ein Anschlussstutzen mit einem Flansch vorgesehen ist, wobei der Flansch mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch des Anschlussstutzens mit dem Übersteckbereich des Diffusors auf Stoß verbunden ist.
  7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Stoß ein Kragen geschoben ist, welcher ebenfalls mit dem Übersteckbereich und dem Kragen verbunden ist.
  8. Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, wobei weiterhin ein Anschlussstutzen mit einem Kragen vorgesehen ist, wobei der Kragen mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen des Anschlussstutzens mit dem Übersteckbereich des Diffusors überlappend verbunden ist.
  9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen den Übersteckbereich übergreift oder der Übersteckbereich den Kragen übergreift.
  10. Wärmeübertrager mit einem Rohrbündel, dessen Rohre entweder in einem Gehäuse angeordnet sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind und derart einen ersten Fluidkanal definieren und von einem zweiten Fluid umströmbar sind und derart einen zweiten Fluidkanal definieren, oder dessen Rohrelemente abwechselnd gestapelt sind und so Rohre mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal ausbilden, wobei der erste Fluidkanal stirnseitig offen ausgebildet ist zum Ein- oder Ausströmen des ersten Fluids, wobei an zumindest einer Stirnseite des ersten Fluidkanals ein Diffusor mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, wobei der Diffusor einen Kragen als Übersteckbereich aufweist, welcher über das Gehäuse oder über das Rohrbündel geschoben ist, wobei weiterhin ein Anschlussstutzen mit einem Kragen vorgesehen ist, wobei der Kragen mit dem Gehäuse oder mit dem Rohrbündel verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen des Anschlussstutzens und der Übersteckbereich des Diffusors jeweils einen abragenden, aufgetulpten Flansch aufweisen, die miteinander verbunden sind.
  11. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrbündel aus einer Mehrzahl von gestapelten Scheiben oder Scheibenpaaren gebildet ist, die alternierend zwischen sich erste und zweite Fluidkanäle bilden.
  12. Wärmeübertrager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten oder die zweiten Fluidkanäle stirnseitig offen ausgebildet sind und die zweiten oder die ersten Fluidkanäle stirnseitig verschlossen sind.
  13. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrbündel aus einer Mehrzahl von Rohren ausgebildet ist, welche durchströmt werden und einen ersten Fluidkanal bilden und welche umströmt werden und einen zweiten Fluidkanal bilden.
  14. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanal nach außen durch die Formgebung der Rohre, wie insbesondere durch Längssicken an den Rändern der Rohre oder durch ein Gehäuse abgeschlossen sind, und wobei die Rohre stirnseitig durch eine stufenartige Aufweitung oder Einschnürung so ausgebildet sind, dass die ersten oder zweiten Fluidkanäle verschlossen sind und durch die nicht verschlossenen Kanäle das Ein- oder Ausströmen eines Fluids durch den Diffusor erfolgt.
  15. Wärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkanäle für das zweite Fluid durch Ausstülpungen oder Längssicken an den Rohrseiten nach außen verschlossen sind.
  16. Wärmeübertrager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass kein die Fluidkanäle umfassendes Gehäuse zum Abschluss des zweiten Fluidkanals nach außen vorgesehen ist.
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