EP3070426A1 - Abgaswärmeübertrager - Google Patents

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EP3070426A1
EP3070426A1 EP16157426.4A EP16157426A EP3070426A1 EP 3070426 A1 EP3070426 A1 EP 3070426A1 EP 16157426 A EP16157426 A EP 16157426A EP 3070426 A1 EP3070426 A1 EP 3070426A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tubes
heat exchanger
seal
tube
tube plate
Prior art date
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Granted
Application number
EP16157426.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP3070426B1 (de
Inventor
Eberhard Pantow
Dipl.-Ing. Martin Dipl.-Ing. Martin Bauer
Peter Geskes
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
Publication of EP3070426A1 publication Critical patent/EP3070426A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3070426B1 publication Critical patent/EP3070426B1/de
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    • 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
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • 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
    • F28F9/0236—Header boxes; End plates floating 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
    • F28D7/16—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

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas heat exchanger with a housing in which a tube bundle with a plurality of tubes is held over tube sheets, according to the preamble of claim 1.
  • a generic exhaust gas heat exchanger with a housing in which a tube bundle is held with several tubes over tube sheets and wherein in the tubes a first flow path for exhaust gas and between the tubes and the housing, a second flow path for coolant.
  • a fluid-tight closure of the local space containing the second medium is provided which has at least one, an axial relative movement of the heat exchanger with respect to the non-movable housing shell by elastic deformation permitting expansion compensation element at least one end portion of the housing shell.
  • From the DE 15 01 549 A is also a heat exchanger with in an inlet and outlet opening having a shell arranged tubes known whose ends are mounted in transverse walls, one of which is fixed and the other axially displaceable in the jacket.
  • the axially displaceable transverse wall is mounted on a corresponding, at least indirectly connected to the bearing bearing point and is at the bearing highest at the interposition of a lubricant. Trained as a sliding seat transverse wall should compensate for temperature-induced strains.
  • Exhaust gas heat exchangers are already widely used in modern motor vehicles to reduce nitrogen oxide emissions and are due to the comparatively high temperatures often made of high quality materials, such as stainless steel.
  • made of stainless steel exhaust gas coolers have a high material value and high production costs, which is why there is a desire to effectively protect such components against temperature-related damage, even if they are not operated as intended by errors in the vehicle.
  • Coolant cooled exhaust gas coolers for example, there is a high risk of damage, if a fault occurs in the coolant circuit and the exhaust gas cooler is no longer sufficiently cooled. This can also be caused for example by errors in the control or failures of valves or pumps, as well as by bursting of hoses, clamps or glands.
  • a heat exchanger block for example, comprising a tube bundle, with a plurality of tubes which are longitudinally held in tube sheets, this can set in adjacent channels temperature differences of up to several 100 ° C, which may result in relative changes in length of the individual tubes of up to 3 mm ,
  • exhaust gas heat exchanger are designed so that only temperature differences that occur in regular operation, can be endorsed over the life, so that in case of interruption of the coolant supply after a few incidents with a total failure must be expected. Even with a given possibility to be able to compensate for thermal expansions, such temperatures usually only affect a uniform temperature change in all tubes of a tube bundle, which are then held, for example, in the second transverse wall designed as a sliding seat and thus are mounted there axially displaceable. A relative expansion of the individual tubes to each other, for example due to a dry falling of individual tubes by an interruption of the coolant supply can not be compensated.
  • the present invention therefore deals with the problem of providing for an exhaust gas heat exchanger of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which in particular has a higher robustness.
  • the present invention is based on the general idea of storing each individual tube of a tube bundle of a heat exchanger block of an exhaust heat exchanger separately axially, so that even individual dry tubes can expand individually with respect to still adjacent, cooled tubes, without causing damage to the heat exchanger block takes.
  • the exhaust gas heat exchanger according to the invention in this case has a housing in which a tube bundle is held with several tubes via tube sheets. In the tubes themselves, a first flow path for exhaust gas is provided, while a second flow path, for example for coolant, extends between the tubes and the housing.
  • the individual tubes of the tube bundle are firmly integrated with a first longitudinal end in a first tube sheet, in particular welded or soldered.
  • the individual tubes of the tube bundle in the region of a second longitudinal end are now trapped in an axially displaceable manner in a second tubesheet designed as a sliding bottom seat. Due to the last-mentioned feature essential to the invention, it is possible to be able to compensate pipe-specific and temperature-specific expansions individually for each of the tubes, since each of these tubes is individually trapped or mounted axially displaceable in / on the second tube plate. This opens up the great possibility that, even with dry traps and the resulting excessive overheating of the dry fallen pipes, they can expand more easily than neighboring cooled ducts (pipes), without thereby damaging the heat exchanger block per se. In a final cooling, a reset takes place. With such an exhaust heat exchanger according to the invention, the reliability and thus the life of a Abgasebenstedtragers can be significantly increased.
  • the individual tubes are caught by means of clearance fit, transition fit or by means of a press fit in the second tubesheet.
  • this list shows that the axially displaceable mounting of the second longitudinal ends of the tubes in the second tube plate can be designed individually, with a corresponding interference fit lower requirements to be made in addition to the implementing seal, as in a clearance fit.
  • the passage of the individual tubes through openings arranged in the second tube bottom by means of a clearance fit allows only a very small clearance.
  • a seal for sealing the individual tubes relative to the arranged second tube sheet is provided on the side facing away from the first tube bottom side of the second tube sheet.
  • This seal has complementary to the openings formed in the second tube plate openings through which the individual tubes are inserted.
  • a third tube sheet may also be provided, in which the individual tubes are also trapped axially displaceable with their second longitudinal ends, wherein the aforementioned seal between the second and third tubesheet clamped and beyond the second and third tubesheet are interconnected.
  • the seal can be designed as a permanently elastic and high temperature compatible seal, wherein the second sliding seat bottom, that is fixed in the present case, the third tube sheet arranged between the second and the third tube sheet seal so that it can not be moved by vibration or gas pressure.
  • the seal is formed as elastomer flat gasket with openings formed complementary to the tubes. These openings can be punched or already provided in the production of the elastomeric seals in the mold. In order to achieve or reinforce a surface pressure between pipes and seals, the openings may provide a press fit of the pipes.
  • the shape of the openings can be rounded, similar to an O-ring designed.
  • the flat sides of the seal between the tubes may be arched outwards, so that results from the compression between the two sliding seat bottoms, that is, between the second and the third tube sheet, a seal to the individual tubes.
  • the tubesheets can have these bulges.
  • the seal is formed as a liquid seal, in particular made of silicone.
  • a liquid gasket is poured during manufacture in a vertical position on the back of the second tube sheet between the tubes and cures there.
  • the viscosity of the still liquid sealing material and the fit of the second tube sheet must ensure that the sealing material can not flow through annular gaps between the openings and the tubes prior to curing.
  • a third tubesheet is desirable to secure the seal against internal pressure.
  • the third tubesheet may in turn have bulges, in particular bulges guided annularly around the aperture.
  • the aforementioned tube plates that is, the second and the third tubesheet, may also be a common component, in which the seal is introduced in advance or subsequently.
  • the seal may be formed as a membrane bottom.
  • a seal formed as a membrane bottom may be connected to the second tubesheet or arranged separately to this, in particular if it has sufficient values in terms of their rigidity. In this case, the sealing function would thus be decoupled from the second tube plate and taken over by the seal formed as a diaphragm bottom.
  • an exhaust gas heat exchanger 1 has a housing 2 in which a tube bundle 3 with a plurality of tubes 4 is held above tube plates 5, 6.
  • a first tube plate 5 is provided, whereas on the output side, a second tube plate 6 is provided.
  • a first flow path for exhaust gas 7 extends in the tubes 4
  • a second flow path for coolant 8 extends between the tubes 4 and the housing 2.
  • the individual tubes 4 of the tube bundle 3 are firmly integrated with a first longitudinal end in the first tube plate 5, in particular welded or soldered.
  • first tube plate 5 and the second tube plate 6 are fixedly connected to the housing 2, for example, soldered or welded.
  • the individual tubes 4 can be caught by means of clearance fit, transition fit or by means of press fit in the second tube sheet 6. Looking at the Fig. 1 closer, it can be seen that on the side facing away from the first tube sheet 5 side of the second tube sheet 6, a seal 9 (see also Fig. 3 and 6 ) is arranged for sealing the individual tubes 4 relative to the second tube sheet 6.
  • This seal 9 is preferably disposed between the second tube sheet 6 and a third tube sheet 10, wherein in the third tube sheet 10, the individual tubes 4 are also trapped axially displaceable.
  • the seal 9 can also be clamped between the two tube sheets 6 and 10, whereby it rests sealingly against the tubes 4.
  • the seal 9 itself can, for example, as Elastomerflachdichtung with be formed complementary to the tubes 4 formed openings 11, wherein the openings 11 are punched out for example by means of a corresponding punching tool from a flat gasket or are already prepared during the casting of the seal 9 with. For this purpose, a corresponding injection molding or casting tool is then required.
  • the second longitudinal ends of the individual tubes 4 are held in the openings 11 of the seal 9 also by means of a press fit.
  • the openings 11 of the seal 9 may also have a raised edge 12 (see in particular the Fig. 3 and 6 ), wherein such a raised opening edge 13 can also be provided in the region of openings 11 'of the second or third tube bottom 6, 10.
  • the seal 9 may be formed as elastomer flat gasket, which - as previously mentioned - the tubes 4 corresponding openings 11 has.
  • the gasket 9 can be produced as a liquid gasket, for example made of silicone, wherein in the production the liquid gasket is poured in a vertical position, that is in the case of vertically aligned tubes 4 onto the second tube plate 6 between the tubes 4 and hardens there.
  • the viscosity of the still liquid sealing material and the fit of the tube bottom 6 must ensure that the sealing material can not flow through gaps between the tubes 4 and the openings 11 'in the second tubesheet 6 before curing.
  • a third tube sheet 10 may be required here, which secures the seal 9 against internal pressure.
  • the third tube sheet 10 may also have bulges 12 ', wherein it may also be useful not completely fill the space between the two tube sheets 6 and 10 with the seal 9, so that an over-pressure and thus Damage to the seal 9 can be avoided.
  • the seal 9 may also be formed as a diaphragm bottom 13, as in a variant according to the Fig. 4 is shown. It is also conceivable that the seal 9 is realized in the region of a third tube plate 10, which, however, according to the Fig. 5 is not designed as a sliding fit for the tubes 4, but with which the tubes 4 are connected via individual bellows 14.
  • the tubes 4 are fixed and thus tightly integrated, in particular welded or soldered.
  • one of the tubes 4, in this case the tube 4a can be continuous, that is to say without a bellows 14. Despite this coupling of the tube 4a with the third tube sheet 10 and at the other longitudinal end with the first tube sheet 5 to an individual change in length of each tube 4, 4a guaranteed.
  • the second tube sheet 6 in each opening 11 ' has a groove 15 with an annular seal 16 disposed therein, which also allows a tight connection between the tube 4 and the second tube sheet 6, but at the same time, however, a longitudinal expansion are allowed.
  • the exhaust gas heat exchanger 1 it is possible for the first time to store individual tubes 4 of a tube bundle 3 individually with respect to longitudinal thermal expansions and thereby avoid damage which occurs, for example, due to dry falling of individual tubes 4 and strong heating thereof.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager (1) mit einem Gehäuse (2), in welchem ein Rohrbündel (3) mit mehreren Rohren (4) über Rohrböden (5,6) gehalten ist, wobei in den Rohren (4) ein erster Strömungspfad für Abgas (7) und zwischen den Rohren (4) und dem Gehäuse (2) ein zweiter Strömungspfad für Kühlmittel (8) verläuft, wobei die einzelnen Rohre (4) des Rohrbündels (3) mit einem ersten Längsende in einem ersten Rohrboden (5) fest eingebunden, insbesondere verschweißt oder verlötetet, sind. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die einzelnen Rohre (4) des Rohrbündels (3) im Bereich eines zweiten Längsendes axial verschieblich in einem als Schiebesitzboden ausgebildeten zweiten Rohrboden (6) gefangen sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager mit einem Gehäuse, in welchem ein Rohrbündel mit mehreren Rohren über Rohrböden gehalten ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der DE 10 2006 042 936 A1 ist ein gattungsgemäßer Abgaswärmeübertrager mit einem Gehäuse bekannt, in welchem ein Rohrbündel mit mehreren Rohren über Rohrböden gehalten ist und wobei in den Rohren ein erster Strömungspfad für Abgas und zwischen den Rohren und dem Gehäuse ein zweiter Strömungspfad für Kühlmittel verläuft. Zwischen dem Gehäusemantel und dem Wärmeübertrager ist ein fluiddichter Abschluss des dortigen, das zweite Medium enthaltenden Raumes vorgesehen, der an zumindest einem Endbereich des Gehäusemantels zumindest ein, eine axiale Relativbewegung des Wärmeübertragers in Bezug auf den nicht beweglichen Gehäusemantel durch elastische Verformung zulassendes Dehnungsausgleichselement besitzt. Hierdurch soll insbesondere die Standfestigkeit erhöht werden können.
  • Aus der DE 15 01 549 A ist ebenfalls ein Wärmeübertrager mit in einem eine Ein- und Auslassöffnung aufweisenden Mantel angeordneten Rohren bekannt, deren Enden in Querwänden befestigt sind, von denen eine fest und die andere axial verschiebbar im Mantel angeordnet ist. Die axial verschiebbare Querwand ist dabei auf einer entsprechenden, mit dem Mantel mindestens mittelbar verbundenen Lagerstelle gelagert und steht an der Lagerstelle höchsten unter Zwischenlage eines Schmiermittels an. Die als Schiebesitz ausgebildete Querwand soll dabei temperaturbedingte Dehnungen kompensieren können.
  • Abgaswärmeübertrager werden in modernen Kraftfahrzeugen zur Reduzierung der Stickoxidemission bereits mannigfaltig eingesetzt und sind aufgrund der vergleichsweise hohen Temperaturen oftmals aus hochwertigen Werkstoffen, wie beispielsweise Edelstahl, gefertigt. Insbesondere aus Edelstahl gefertigte Abgaskühler haben einen hohen Materialwert und hohe Fertigungskosten, weshalb der Wunsch besteht, solche Komponenten wirksam gegenüber temperaturbedingten Schäden zu schützen, auch wenn sie durch Fehler im Fahrzeug nicht bestimmungsgemäß betrieben werden. Bei Kühlmittel gekühlten Abgaskühlern besteht beispielsweise ein hohes Schadensrisiko, sofern ein Fehler im Kühlmittelkreislauf auftritt und der Abgaskühler nicht mehr ausreichend gekühlt wird. Dies kann beispielsweise auch durch Fehler in der Ansteuerung oder Ausfälle von Ventilen oder Pumpen verursacht werden, ebenso wie durch ein Bersten von Schläuchen, Schellen oder Verschraubungen. Werden derartige Schäden nicht unmittelbar bemerkt, kann es zu sehr hohen Folgeschäden kommen. Besonders gefährdet hiervon sind aufgrund der hohen umgesetzten Leistung und der geringen thermischen Trägheit Motorkühlungskomponenten und insbesondere Abgaswärmeübertrager, da diese sich innerhalb weniger Sekunden bei Kühlmittelunterversorgung stark überhitzen, wodurch wiederum die Lebensdauer stark eingeschränkt ist. Selbst wenn die Brennkraftmaschine sehr schnell in einen Notlaufmodus wechselt, kann nicht zuverlässig sichergestellt werden, dass der Abgaswärmeübertrager unbeschädigt bleibt.
  • Bei einem Abfall des Kühlmitteldrucks oder bei einer Unterbrechung der Kühlmittelversorgung können insbesondere bei Abgaswärmeübertragern mit horizontalem Einbau einzelne Strömungspfade trockenfallen, wodurch diese Strömungspfade dann vergleichsweise schnell die Abgastemperatur annehmen, während die noch gekühlten Strömungspfade näher an der Kühlmitteltemperatur liegen. In einem Wärmeübertragerblock, beispielsweise umfassend ein Rohrbündel, mit mehreren Rohren, welche längsendseitig in Rohrböden gehalten sind, können sich dadurch in benachbarten Kanälen Temperaturunterschiede von bis zu mehreren 100° C einstellen, wodurch sich relative Längenänderungen der einzelnen Rohre von bis zu 3 mm ergeben können.
  • Üblicherweise sind die aus dem Stand der Technik bekannten Abgaswärmeübertrager jedoch so ausgelegt, dass nur Temperaturunterschiede, die im regulären Betrieb auftreten, über die Lebensdauer ertragen werden können, so dass bei einer Unterbrechung der Kühlmittelversorgung bereits nach wenigen Störfällen mit einem Totalausfall gerechnet werden muss. Auch bei einer gegebenen Möglichkeit, Temperaturdehnungen kompensieren zu können, betreffen derartige Temperaturen üblicherweise nur eine gleichmäßige Temperaturänderung in allen Rohren eines Rohrbündels, welche dann beispielsweise in der als Schiebesitz ausgebildeten zweiten Querwand gehalten sind und damit dort axial verschiebbar gelagert sind. Eine relative Dehnung der einzelnen Rohre zueinander, beispielsweise bedingt durch ein Trockenfallen einzelner Rohre durch eine Unterbrechung der Kühlmittelversorgung, kann nicht ausgeglichen werden.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Abgaswärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere eine höhere Robustheit aufweist.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, jedes einzelne Rohr eines Rohrbündels eines Wärmeübertragerblocks eines Abgaswärmeübertragers separat axial verschieblich zu lagern, so dass sich selbst einzelne trockengefallene Rohre sich in Bezug auf noch benachbarte, gekühlte Rohre individuell ausdehnen können, ohne dass hierdurch der Wärmeübertragerblock Schaden nimmt. Der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager besitzt dabei ein Gehäuse, in welchem ein Rohrbündel mit mehreren Rohren über Rohrböden gehalten ist. In den Rohren selbst ist dabei eine erster Strömungspfad für Abgas vorgesehen, während ein zweiter Strömungspfad, beispielsweise für Kühlmittel, zwischen den Rohren und dem Gehäuse verläuft. Die einzelnen Rohre des Rohrbündels sind dabei mit einem ersten Längsende in einem ersten Rohrboden fest eingebunden, insbesondere verschweißt oder verlötet. Erfindungsgemäß sind nun die einzelnen Rohre des Rohrbündels im Bereich eines zweiten Längsendes axial verschieblich in einem als Schiebebodensitz ausgebildeten zweiten Rohrboden gefangen. Durch das zuletzt genannte erfindungswesentliche Merkmal ist es möglich, rohrindividuelle und temperaturspezifische Dehnungen kompensieren zu können und zwar für jedes der Rohre individuell, da jedes dieser Rohre einzeln axial verschieblich im/am zweiten Rohrboden gefangen bzw. gelagert ist. Dies eröffnet die große Möglichkeit, das selbst bei einem Trockenfallen und einem damit verbundenen starken Überhitzen der trockenen gefallenen Rohre, sich diese problemlos stärker ausdehnen können, als noch benachbarte gekühlte Kanäle (Rohre), ohne dass hierdurch der Wärmeübertragerblock an sich beschädigt werden würde. Bei einem abschließenden Abkühlen erfolgt ein Rückstellen. Mit einem solchen erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager kann die Ausfallsicherheit und damit die Lebensdauer eines Abgaswärmeübertragers erheblich gesteigert werden.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die einzelnen Rohre mittels Spielpassung, Übergangspassung oder mittels Presspassung in dem zweiten Rohrboden gefangen. Bereits diese Aufzählung lässt erkennen, dass die axial verschiebliche Lagerung der zweiten Längsenden der Rohre in dem zweiten Rohrboden individuell gestaltet werden kann, wobei bei einer entsprechenden Presspassung geringere Anforderungen an eine zusätzlich zur implementierende Dichtung zu stellen sind, als bei einer Spielpassung. Das Durchführen der einzelnen Rohre durch im zweiten Rohrboden angeordnete Öffnungen mittels Spielpassung erlaubt selbstverständlich nur ein sehr geringes Spiel.
  • Zweckmäßig ist auf der dem ersten Rohrboden abgewandten Seite des zweiten Rohrbodens eine Dichtung zum Abdichten der einzelnen Rohre gegenüber dem zweiten Rohrboden angeordnet. Diese Dichtung weist komplementär zu den Öffnungen im zweiten Rohrboden ausgebildete Öffnungen auf, durch welche die einzelnen Rohre gesteckt sind. Um die Abdichtung des zweiten Strömungspfades zu gewährleisten, kann auch zusätzlich noch ein dritter Rohrboden vorgesehen sein, in welchem die einzelnen Rohre mit ihren zweiten Längsenden ebenfalls axial verschieblich gefangen sind, wobei die zuvor erwähnte Dichtung zwischen dem zweiten und dritten Rohrboden eingeklemmt und darüber hinaus der zweite und der dritte Rohrboden miteinander verbunden sind. Die Dichtung kann dabei als dauerelastische und hochtemperaturverträgliche Dichtung ausgebildet sein, wobei der zweite Schiebesitzboden, das heißt im vorliegenden Fall der dritte Rohrboden, die zwischen dem zweiten und dem dritten Rohrboden angeordnete Dichtung fixiert, so dass diese nicht durch Vibration oder Gasdruck verschoben werden kann.
  • Zweckmäßig ist die Dichtung als Elastomerflachdichtung mit komplementär zu den Rohren ausgebildeten Öffnungen ausgebildet. Diese Öffnungen können dabei gestanzt oder bereits bei der Herstellung der Elastomerdichtungen in der Form vorgesehen sein. Um eine Flächenpressung zwischen Rohren und Dichtungen zu erreichen bzw. zu verstärken, können die Öffnungen eine Presspassung der Rohre vorsehen. Dabei kann die Form der Öffnungen abgerundet, ähnlich wie bei einem O-Ring, gestaltet sein. Alternativ können auch die Flachseiten der Dichtung zwischen den Rohren nach außen gewölbt sein, so dass sich durch die Verpressung zwischen den beiden Schiebesitzböden, das heißt zwischen dem zweiten und dem dritten Rohrboden, eine Abdichtung zu den einzelnen Rohren ergibt. Statt der Dichtungen selbst, können selbstverständlich auch die Rohrböden diese Wölbungen besitzen.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Dichtung als Flüssigdichtung, insbesondere aus Silikon, ausgebildet. Eine derartige Flüssigdichtung wird bei der Herstellung in vertikaler Position auf die Rückseite des zweiten Rohrbodens zwischen die Rohre gegossen und härtet dort aus. Dabei müssen die Viskosität des noch flüssigen Dichtmaterials und die Passung des zweiten Rohrbodens sicherstellen, dass das Dichtmaterial nicht vor dem Aushärten durch Ringspalte zwischen den Öffnungen und den Rohren fließen kann. Auch in diesem Fall ist ein dritter Rohrboden wünschenswert, um die Dichtung gegen Innendruck zu sichern. Um eine dauerhafte Anpressung sicherstellen zu können, kann der dritte Rohrboden wiederum Wölbungen aufweisen, insbesondere ringförmig um die Öffnung geführte Wölbungen. Auch kann es sinnvoll sein, den Raum zwischen den beiden Rohrböden nicht vollständig mit Dichtmaterial der Dichtung aufzufüllen, so dass eine Überpressung und damit eine Beschädigung der Dichtung vermieden werden kann. Die zuvor erwähnten Rohrböden, das heißt der zweite und der dritte Rohrboden, können auch ein gemeinsames Bauteil sein, in das die Dichtung vorab oder nachträglich eingebracht wird.
  • Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung kann die Dichtung als Membranboden ausgebildet sein. Eine solche als Membranboden ausgebildete Dichtung kann mit dem zweiten Rohrboden verbunden oder separat zu diesem angeordnet sein, insbesondere sofern sie hinsichtlich ihrer Steifigkeit ausreichende Werte besitzt. In diesem Fall wäre somit die Dichtfunktion vom zweiten Rohrboden entkoppelt und von der als Membranboden ausgebildeten Dichtung übernommen.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
  • Es zeigen, jeweils schematisch,
    • Fig. 1
    eine Längsschnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager,
    Fig. 2
    eine Querschnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager,
    Fig. 3
    eine Dichtung für einen zweiten Rohrboden eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
    Fig. 4
    eine Darstellung wie in Fig. 1, jedoch nur im Bereich eines zweiten Längsendes der Rohre des Rohrbündels, wobei die Rohre in dem zweiten Rohrboden axial verschieblich gelagert sind und ein dritter Rohrboden, der als Membranboden ausgebildet ist, vorgesehen ist,
    Fig. 5
    eine Darstellung wie in Fig. 4, jedoch mit zwischen dem zweiten und dritten Rohrboden mit Faltbälgen ausgestatteten Rohren,
    Fig. 6
    eine Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform einer Dichtung,
    Fig. 7
    eine Schnittdarstellung durch einen zweiten Rohrboden mit einzelnen Dichtungen, die in einer Nut der Öffnungen des zweiten Rohrbodens gehalten sind.
  • Entsprechend den Fig. 1,4 und 5 weist ein erfindungsgemäßer Abgaswärmeübertrager 1 ein Gehäuse 2 auf, in welchem ein Rohrbündel 3 mit mehreren Rohren 4 über Rohrböden 5, 6 gehalten ist. Eingangsseitig ist dabei ein erster Rohrboden 5 vorgesehen, wogegen ausgangsseitig ein zweiter Rohrboden 6 vorgesehen ist. In den Rohren 4 verläuft dabei ein erster Strömungspfad für Abgas 7, während zwischen den Rohren 4 und dem Gehäuse 2 ein zweiter Strömungspfad für Kühlmittel 8 verläuft. Die einzelnen Rohre 4 des Rohrbündels 3 sind dabei mit einem ersten Längsende in dem ersten Rohrboden 5 fest eingebunden, insbesondere verschweißt oder verlötet. Im Bereich eines zweiten Längsendes sind die einzelnen Rohre 4 des Rohrbündels 3 axial verschieblich in dem als Schiebesitzboden ausgebildeten zweiten Rohrboden 6 gefangen, das heißt gelagert. Hierdurch ist es möglich, dass selbst bei einer Unterbrechung der Kühlmittelversorgung und dem Trockenfallen einzelner Rohre 4, sich diese unabhängig von benachbarten und noch von Kühlmittel 8 durchflossenen Rohren in Längsrichtung ausdehnen können, da sich diese erstmals in Längsrichtung unabhängig von den anderen Rohren 4 im zweiten Rohrboden 6 verstellen können. Der erste Rohrboden 5 und der zweite Rohrboden 6 sind dabei fest mit dem Gehäuse 2 verbunden, beispielsweise verlötet oder verschweißt.
  • Die einzelnen Rohre 4 können dabei mittels Spielpassung, Übergangspassung oder mittels Presspassung in dem zweiten Rohrboden 6 gefangen sein. Betrachtet man die Fig. 1 näher, so kann man erkennen, dass auf der dem ersten Rohrboden 5 abgewandten Seite des zweiten Rohrboden 6 eine Dichtung 9 (vgl. auch Fig. 3 und 6) zum Abdichten der einzelnen Rohre 4 gegenüber dem zweiten Rohrboden 6 angeordnet ist. Diese Dichtung 9 ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Rohrboden 6 und einem dritten Rohrboden 10 angeordnet, wobei in dem dritten Rohrboden 10 die einzelnen Rohre 4 ebenfalls axial verschieblich gefangen sind. Die Dichtung 9 kann darüber hinaus zwischen den beiden Rohrböden 6 und 10 eingeklemmt werden, wodurch sie sich dichtend an die Rohre 4 anlegt. Die Dichtung 9 selbst kann beispielsweise als Elastomerflachdichtung mit komplementär zu den Rohren 4 ausgebildeten Öffnungen 11 ausgebildet sein, wobei die Öffnungen 11 beispielsweise mittels eines entsprechenden Stanzwerkzeugs aus einer Flachdichtung ausgestanzt oder aber bereits beim Gießen der Dichtung 9 mit hergestellt werden. Hierzu ist dann ein entsprechendes Spritzguss oder Gießwerkzeug erforderlich.
  • Die zweiten Längsenden der einzelnen Rohre 4 sind dabei in den Öffnungen 11 der Dichtung 9 mittels ebenfalls einer Presspassung gehalten. Die Öffnungen 11 der Dichtung 9 können darüber hinaus einen erhabenen Rand 12 (vgl. insbesondere die Fig. 3 und 6) aufweisen, wobei ein solcher erhabener Öffnungsrand 13 auch im Bereich von Öffnungen 11' des zweiten oder dritten Rohrbodens 6, 10 vorgesehen sein können.
  • Generell kann die Dichtung 9 als Elastomerflachdichtung ausgebildet sein, die - wie vorher erwähnt - den Rohren 4 entsprechende Öffnungen 11 besitzt. Alternativ hierzu kann die Dichtung 9 als Flüssigdichtung, beispielsweise aus Silikon, hergestellt werden, wobei bei der Herstellung die Flüssigdichtung in vertikaler Position, das heißt bei vertikal ausgerichteten Rohren 4 auf den zweiten Rohrboden 6 zwischen die Rohre 4 gegossen wird und dort aushärtet. Dabei müssen die Viskosität des noch flüssigen Dichtmaterials und die Passung des Rohrbodens 6 sicherstellen, dass das Dichtmaterial nicht vor dem Aushärten durch Spalte zwischen den Rohren 4 und den Öffnungen 11' im zweiten Rohrboden 6 fließen kann. Um eine dauerhafte Anpressung sicherzustellen, kann auch hier ein dritter Rohrboden 10 erforderlich sein, der die Dichtung 9 gegen Innendruck sichert. Um eine dauerhafte Anpressung sicherstellen zu können, kann der dritte Rohrboden 10 ebenfalls Wölbungen 12' aufweisen, wobei es darüber hinaus sinnvoll sein kann, den Raum zwischen den beiden Rohrböden 6 und 10 nicht vollständig mit der Dichtung 9 aufzufüllen, so dass eine Überpressung und damit eine Beschädigung der Dichtung 9 vermieden werden kann.
  • Generell kann die Dichtung 9 auch als Membranboden 13 ausgebildet sein, wie dies bei einer Ausführungsvariante gemäß der Fig. 4 dargestellt ist. Ebenso ist denkbar, dass die Dichtung 9 im Bereich eines dritten Rohrbodens 10 realisiert ist, welcher jedoch gemäß der Fig. 5 nicht als Schiebesitz für die Rohre 4 ausgebildet ist, sondern mit welchem die Rohre 4 über individuelle Faltenbälge 14 verbunden sind. In dem dritten Rohrboden 10 wiederum sind die Rohre 4 fest und damit dicht eingebunden, insbesondere eingeschweißt oder eingelötet. Um einen vordefinierten Abstand des dritten Rohrbodens 10 vom zweiten Rohrboden 6 gewährleisten zu können, kann eines der Rohre 4, hier das Rohr 4a, durchgehend, das heißt ohne Faltenbalg 14 ausgebildet sein. Trotz dieser Kopplung des Rohres 4a mit dem dritten Rohrboden 10 und am anderen Längsende mit dem ersten Rohrboden 5 an eine individuelle Längenänderung jeden einzelnen Rohres 4, 4a gewährleistet werden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, wie diese gemäß der Fig. 7 dargestellt ist, weist der zweite Rohrboden 6 in jeder Öffnung 11' eine Nut 15 mit einer darin angeordneten Ringdichtung 16 auf, wodurch ebenfalls eine dichte Verbindung zwischen dem Rohr 4 und dem zweiten Rohrboden 6 ermöglicht, gleichzeitig jedoch aber auch eine Längendehnung erlaubt werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager 1 ist es erstmals möglich, einzelne Rohre 4 eines Rohrbündels 3 individuell hinsichtlich thermischer Längsdehnungen zu lagern und dadurch Beschädigungen, die beispielsweise durch ein Trockenfallen einzelner Rohre 4 und verbunden damit ein starkes Erhitzen derselben erfolgen, zu vermeiden.

Claims (12)

  1. Abgaswärmeübertrager (1) mit einem Gehäuse (2), in welchem ein Rohrbündel (3) mit mehreren Rohren (4) über Rohrböden (5,6) gehalten ist, wobei in den Rohren (4) ein erster Strömungspfad für Abgas (7) und zwischen den Rohren (4) und dem Gehäuse (2) ein zweiter Strömungspfad für Kühlmittel (8) verläuft und wobei die einzelnen Rohre (4) des Rohrbündels (3) mit einem ersten Längsende in dem ersten Rohrboden (5) fest eingebunden, insbesondere verschweißt oder verlötetet, sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die einzelnen Rohre (4) des Rohrbündels (3) im Bereich eines zweiten Längsendes axial verschieblich in einem als Schiebesitzboden ausgebildeten zweiten Rohrboden (6) gefangen sind.
  2. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die einzelnen Rohre (4) mittels Spielpassung, Übergangspassung oder mittels Presspassung in Öffnungen (11') des zweiten Rohrbodens (6) gefangen sind.
  3. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    auf der dem ersten Rohrboden (5) abgewandten Seite des zweiten Rohrbodens (6) eine Dichtung (9) zum Abdichten der einzelnen Rohre (4) gegenüber dem zweiten Rohrboden (6) angeordnet ist.
  4. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein dritter Rohrboden (10) vorgesehen ist, in welchem die einzelnen Rohre (4) mit ihren zweiten Längsenden in Öffnungen (11 ") axial verschieblich gefangen sind, wobei die Dichtung (9) zwischen dem zweiten Rohrboden (6) und dem dritten Rohrboden (10) eingeklemmt und der zweite und dritte Rohrboden (6,10) miteinander verbunden sind.
  5. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dichtung (9) als Elastomerflachdichtung mit komplementär zu den Rohren (4) ausgebildeten Öffnungen (11) ausgebildet ist.
  6. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zweiten Längsenden der Rohre (4) in den Öffnungen (11) der Dichtung (9) mittels Presspassung gehalten sind.
  7. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Öffnungen (11) der Dichtung (9) einen erhabenen Rand (12) aufweisen.
  8. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dichtung (9) als Flüssigdichtung, insbesondere aus Silikon, ausgebildet ist.
  9. Abgaswärmeübertrager nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der zweite Rohrboden (6) und/oder der dritte Rohrboden (10) im Bereich der Öffnungen (11') einen erhabenen, insbesondere einen gewölbten, Öffnungsrand (12') aufweist.
  10. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein dritter Rohrboden (10) vorgesehen ist, in welchem die einzelnen Rohre (4) mit ihren zweiten Längsenden in Öffnungen (11 ") fest eingebunden sind, wobei die Rohre (4) zwischen dem zweiten Rohrboden (6) und dem dritten Rohrboden (10) einen Faltenbalg (14) zur Kompensation von Längsdehnungen aufweisen.
  11. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der zweite Rohrboden (6) in jeder Öffnung (11') eine Nut (15) mit einer darin angeordneten Ringdichtung (16) aufweist.
  12. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dichtung (9) als Membranboden (13) ausgebildet ist.
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