WO2009046956A1

WO2009046956A1 - Wärmetauscher, insbesondere abgaswärmetauscher

Info

Publication number: WO2009046956A1
Application number: PCT/EP2008/008434
Authority: WO
Inventors: Harald Schatz; Ingo Heitel
Original assignee: Modine Manufacturing Company
Priority date: 2007-10-13
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2009-04-16
Also published as: DE102007049184A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Abgaswärmetauscher, der aus einem Bündel aus Rohren (2) besteht, das in ein rohrförmiges Gehäuse (11) einschiebbar ist, wobei das Abgas vom Eintritt (4) bis zum gegenüberliegenden Austritt (6) des Abgaswärmetauschers strömt, wobei zwischen den Rohren (2) jeweils ein Kühlmittelkanal (5) angeordnet ist und wobei die Kühlmittelkanäle (5) in Gruppen (A, B) getrennt sind, um die eine Gruppe (A) von einem Kühlmittel höherer Temperatur und die andere Gruppe (B) von einem Kühlmittel niedrigerer Temperatur durchströmen zu lassen. Um die Herstellung des Wärmetauschers in der Massenproduktion kostengünstiger zu gestalten, wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich die Rohre (2) des Bündels und das rohrförmige Gehäuse (11) ohne Unterbrechung vom Eintritt (4) bis zum Austritt (6) erstrecken, und dass die Gruppen (A, B) durch wenigstens eine an der Gehäusewand elastisch abgestützte Trennwand (10) gebildet werden, die Öffnungen (12) zur Aufnahme der einzelnen Rohre (2) des Bündels aufweist und zwischen den Öffnungen (12) angeordnete Stege (13) besitzt.

Description

Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Abgaswärmetauscher, der die weiteren Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist. Der im Oberbegriff charakterisierte Abgaswärmetauscher ist aus der DE 103 51 845 B4 bekannt. Er besteht darüber hinaus aus mehreren Modulen, die etwa in der Mitte des Abgaswärmetauschers mittels Flansche verbunden sind. Der Montageaufwand des Abgaswärmetauschers dürfte deshalb ziemlich hoch sein. Das spielt bei dem aus der genannten Veröffentlichung bekannten Abgaswärmetauscher jedoch keine nachteilige Rolle sondern ist dort eher ein Vorteil, weil dieser in das Abgasrückführungssystem einer Schiffsantriebs - und/oder einer Schiffshilfsmaschine eingebunden ist. Somit handelt es sich bei dem bekannten Abgaswärmetauscher um eine recht große, raumgreifende Anlage, deren einzelne Module hergestellt, zu einer Werft transportiert und erst an Bord des Schiffes oder in einem werftseitigen Vormontageprozess zusammengesetzt werden. Diese bekannten Abgaswärmetauscher sind also keine Massenprodukte sondern eher in recht geringer Stückzahl hergestellte Vorrichtungen. Das Vorsehen eines Kühlmittel - Niedertemperaturzweiges und eines Kühlmittel-Hochtemperaturzweiges, die beide zur Abgaskühlung herangezogen werden, hat funktionelle Vorteile bezüglich der Wirksamkeit der gekühlten Abgasrückführung. Ferner können die Temperaturwechselbelastungen des Abgaswärmetauschers reduziert werden, was in der genannten Veröffentlichung ebenfalls beschrieben ist.

Die zweistufige Abgaskühlung ist ferner aus zahlreichen älteren Veröffentlichungen bekannt, die jedoch weiter entfernt liegen, da sie sich mehr mit den Kühlkreisläufen als mit der Ausgestaltung des Abgaswärmetauschers beschäftigen. Erwähnt sei beispielsweise die DE 44 14 429 C1 , vielleicht auch noch die WO 2006/136372A1 , die allerdings jüngeren Datums ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen die Merkmale des Oberbegriffs aufweisenden Abgaswärmetauscher derart weiterzubilden, dass seine wirtschaftliche Herstellung in der Massenproduktion verbessert und sein Einsatz in Kraftfahrzeugen begünstigt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung wird durch den Einsatz der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Es ist vorgesehen, dass sich das Bündel von Rohren und das rohrförmige Gehäuse ununterbrochen, das heißt, durchgehend, vom Eintritt bis zum Austritt erstrecken, und dass die Gruppen durch mindestens eine elastisch abgestützte Trennwand gebildet werden, die Öffnungen zur Aufnahme der einzelnen Rohre des Bündels aufweist. Dadurch wird die wirtschaftliche Herstellung des Abgaswärmetauschers in der Massenproduktion verbessert. Die Herstellungskosten werden reduziert. Weil sich die Rohre durchgehend erstrecken, wird der Montageaufwand gesenkt. Die an der in Längsrichtung durchgehenden Gehäusewand elastisch abgestützte Trennwand dient der Trennung der beiden Gruppen bzw. der Trennung zwischen den beiden Kühlmittelströmen, und sie ist gleichzeitig mit elastischen Eigenschaften versehen worden, sodass sie vibrationssenkende bzw. schwingungsdämpfende Wirkungen hat, was bei Abgaswärmetauschern größerer Länge, beispielsweise Längen von etwa 0,5 - 1 ,0 m oder etwas mehr, von einiger Bedeutung ist. Der vorschlagsgemäße Abgaswärmetauscher ist wesentlich kompakter als derjenige aus dem Stand der Technik, weshalb er zum Einsatz in Kraftfahrzeugen besonders gut geeignet ist, da er vergleichsweise wenig Raum beansprucht.

Weitere Merkmale des Abgaswärmetauschers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 - 14. Ferner ergeben sich die Merkmale und deren Wirkungen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in den beiliegenden Figuren illustriert sind.

Die Figuren zeigen Folgendes:

Fig. 1 - eine perspektivische Ansicht auf einen Abgaswärmetauscher; Fig. 2 - eine perspektivische Ansicht auf denselben Abgaswärmetauscher, bei dem ein Teil des Gehäuses entfernt wurde, um dessen Inneres zu zeigen; Fig. 3 - ein Längsschnitt durch denselben Abgaswärmetauscher; Fig. 4 und 5 - zwei Ausschnitte aus dem Längsschnitt im Bereich der Trennwand, die verschiedene Ausbildungen zeigen; Fig. 6 und 7 - ein anderes Ausführungsbeispiel; Fig. 8 einen Teil-Längsschnitt in einem anderen Abgaswärmetauscher;

Der in den Figuren gezeigte Wärmetauscher ist ein Abgaswärmetauscher, der aus einem Bündel aus Rohren 2 besteht, das in ein rohrförmiges Gehäuse 11 einschiebbar ist, wobei das Abgas vom Eintritt 4 bis zum gegenüberliegenden Austritt 6 des Abgaswärmetauschers strömt, wobei zwischen den Rohren 2 jeweils ein Kühlmittelkanal 5 angeordnet ist und wobei die Kühlmittelkanäle 5 in Gruppen A, B getrennt sind, um die eine Gruppe A von einem Kühlmittel höherer Temperatur HT und die andere Gruppe B von einem Kühlmittel niedrigerer Temperatur LT durchströmen zu lassen. Deshalb besitzt das Gehäuse 11 in jeder Gruppe A, B einen Eintrittsstutzen und einen Austrittsstutzen - insgesamt also vier Anschlüsse für das Kühlmittel. Das Rohrbündel des Ausführungsbeispiels besitzt lediglich eine einzige Stapelreihe aus Flachrohren. Die Rohre 2 des Bündels und das rohrförmige Gehäuse 11 erstrecken sich ohne Unterbrechung vom Eintritt 4 bis zum Austritt 6. Die Gruppen A, B sind durch eine an der Gehäusewand elastisch abgestützte Trennwand 10 gebildet worden. Die Trennwand 10 weist Öffnungen 12 zur Aufnahme der einzelnen Rohre 2 des Bündels auf. Zwischen den Öffnungen 12 befinden sich Stege 13, die letztlich die Trennung der Gruppen A, B bewirken. Die Stege 13 befinden sich in den Fig. 4 und 5 nicht nur zwischen den Öffnungen 12 sondern auch um den gesamten Umfang der Trennwand 10 herum, um den Spalt zwischen der Gehäusewand und dem Bündel zu verschließen. Eine leckagefreie Trennung ist jedoch dann nicht erforderlich, wenn es sich bei dem in beiden Gruppen A, B strömenden Kühlmittel um identische Mittel handelt, die sich lediglich durch ihre Temperatur unterscheiden. Die Trennwand 10 befindet sich im Ausführungsbeispiel etwa in der Mitte der Länge des Abgaswärmetauschers. Die Gruppen A und B sind demnach etwa gleich groß, bzw. sie belegen jeweils etwa 50% des gesamten Abgaswärmetauschers. Um eine entsprechende Wirkung der zweistufigen Abgaskühlung zu erzielen wurde festgestellt, dass die Aufteilung etwa zwischen 30 und 70 % liegen sollte. Die Blockpfeile in der Fig. 1 zeigen die Durchströmung der Rohre 2 auf der Abgasseite an. Die durchgezogenen Pfeile zeigen die Durchströmung der Gruppe B der Kühlmittelseite an, in der in diesem Ausführungsbeispiel eine höhere Temperatur HT vorliegt, und die gestrichelten Pfeile zeigen demnach die Durchströmung in der Gruppe A an, die die Niedertemperaturseite LT darstellt, (siehe auch Fig. 2) Die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Herstellung des Abgaswärmetauschers des Ausführungsbeispiels ist wie folgt:

Das Gehäuse 11 wird im Ausführungsbeispiel als einteiliges Gehäuse mit zwei stirnseitigen Öffnungen hergestellt. Das Gehäuse 11 könnte allerdings auch in Längsrichtung geteilt und demnach zweiteilig sein, das heißt, aus zwei etwa u- förmigen Profilen bestehen, (nicht gezeigt) Die einzelnen Rohre sind Flachrohre 2, die Inneneinsätze aufweisen können. Die Länge der Flachrohre 2 entspricht etwa der Länge des gesamten Abgaswärmetauschers, bzw. der Länge des Gehäuses 11. Die Flachrohre 2 werden durch die in der Trennwand 10 vorhandenen Öffnungen 12 geschoben, sodass sich diese in der vorgesehenen Montageposition befindet. Es könnte auch eine mehrteilige Trennwand 10 eingesetzt werden, (nicht gezeigt) Das Rohrbündel wird hergestellt, indem Turbulenzbleche zwischen die Flachrohre 2 gelegt werden. Die Turbulenzbleche liegen dann in den Kühlmittelkanälen 5. Da sich die eine Gruppe A auf der einen Seite der Trennwand 10 befindet und die andere Gruppe B entsprechend auf der anderen Seite der Trennwand 10, ist hier darauf zu achten, dass die Kühlmittelkanäle 5 auf beiden Seiten mit den Turbulenzblechen versehen werden. Wird eine mehrteilige Trennwand 10 eingesetzt, könnten die Teile auch nach dem Einfügen der Turbulenzbleche von zwei gegenüberliegenden Längsseiten her über das Bündel geschoben werden. Auf die Turbulenzbleche kann verzichtet werden, wenn die Flachrohre 2 in ihren Breitseiten mit entsprechenden Vorsprüngen ausgestattet werden, die jeweils an einer Breitseite des benachbarten Flachrohres anliegen. Dabei können die Vorsprünge entweder an Vorsprüngen der Breitseite des benachbarten Flachrohres oder auch an ebenen Breitseiten anliegen. Nachdem das dermaßen vorbereitete Rohrbündel bzw. der Rohrstapel notwendigen Vorbehandlungen unterzogen wurde, wird es/er im Lötofen gelötet.

In das bereitgestellte Gehäuse 11 wird eine elastische Dichtungsanordnung 20 eingesetzt, die sich um den inneren Umfang des Gehäuses 11 erstreckt. Die elastische Dichtungsanordnung 20 besitzt einen Sitz für die Trennwand 10. Der Sitz ist eine Nut, die den Umfangsrand der Trennwand 10 aufnimmt. Die Gehäusewand weist ihrerseits ebenfalls einen Sitz für die elastische Dichtungsanordnung 20 auf. Die Dichtungsanordnung 20 ist ein entsprechend profiliertes Dichtungsband aus einem geeigneten Gummi oder aus einem anderen elastischen Material. Sie kann auch am Sitz angeklebt sein. Der Sitz an der Gehäusewand weist eine Einführschräge 21 oder dergleichen auf. Das gelötete Rohrbündel kann nun von derjenigen stirnseitigen Öffnung des Gehäuses 11 her eingeschoben werden, zu der die Einführschräge 21 hinweist. In der Fig. 4 ist das die linke Seite. Die Trennwand 10 wird ihren Sitz in der Dichtungsanordnung 20 finden.

In den Fig. 3 und 4 wurde der Sitz in der Gehäusewand als nach innen gerichtete, umlaufende Wandverdickung ausgebildet. Die Fig. 5 zeigt im Unterschied dazu, dass man den Sitz auch als nach innen gerichtete, umlaufende Sicke 22 in der Gehäusewand ausbilden kann. Die Sicke besitzt gerundete Kanten, wodurch die Positionierung der elastischen Dichtungsanordnung 20 erleichtert wird. Ein nicht gezeigtes Ausführungsbeispiel besitzt eine nach außen gerichtete Sicke 22, in der sich die elastische Dichtungsanordnung 20 befindet. In diesem Fall kann die erwähnte Einführschräge 21 aus nach innen vorstehendem elastischem Material gebildet sein.

Im Unterschied zur vorstehenden Beschreibung kann die elastische Dichtungsanordnung 20 auch zunächst am gelöteten Rohrbündel/Rohrstapel oder an der Trennwand 10 angebracht werden, wodurch sich die Montage gegebenenfalls einfacher gestaltet. Danach wird das Rohrbündel mit der bereits angebrachten Dichtungsanordnung 20 in das Gehäuse geschoben. Darauf beziehen sich die Fig. 6 und 7. Die Trennwand 10 kann auch eine doppelte Wand 10a, 10b sein, wie es in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist. Dadurch wird eine bessere thermische Trennung zwischen der HT- und der LT- Kühlmittelseite erreicht. Die Dichtungsanordnung 20 ist an die doppelte Trennwand 10 angepasst. Sie besitzt einen nach innen gerichteten Vorsprung, der zwischen die beiden Trennwände 10a, 10b passt, um die Dichtungsanordnung dort zu befestigen, und um den Zwischenraum zwischen den Wänden 10a, 10b abzudichten. Zur Gehäusewand hin ist die Dichtungsanordnung 20 breiter und flacher gestaltet, und sie besitzt im Ausführungsbeispiel zwei umlaufende Wülste 23, die einerseits das Einschieben des Rohrbündels in das Gehäuse erleichtern und andererseits die Dichtwirkung verbessern können.

Eine durch Temperaturwechsel verursachte thermische Ausdehnung, wie es in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2006 028 578.6 gezeigt und beschrieben ist, wird auch mit dem hier vorgeschlagenen Konzept gewährleistet. Außerdem kann auch vorgesehen werden, innerhalb der einzelnen Gruppen A, B zusätzliche elastische Abstützungen einzusetzen. Durch diesen Hinweis soll der Inhalt der erwähnten älteren Anmeldung als an dieser Stelle ausführlich offenbart gelten. Die Fig. 8 ist aus der erwähnten Anmeldung entnommen worden. Sie zeigt, das stirnseitige Ende des Abgaswärmetauschers, der einen Diffusor 31 aufweist, der in einer Schiebesitzanordnung 20 abgestützt ist, die Längenänderungen gestattet, die bei einem etwa 700 mm langen Abgaswärmetauscher etwa 2 mm betragen können. Die Flachrohre 2 sitzen in einem Rohrboden 30. Das Bezugszeichen 62 bezeichnet einen elastischen Gummiring.

Claims

Patentansprüche

1. Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher, der aus einem Bündel aus Rohren (2) besteht, das in ein rohrförmiges Gehäuse (11) einsetzbar ist, wobei das Abgas vom Eintritt (4) bis zum gegenüberliegenden Austritt (6) des Abgaswärmetauschers strömt, wobei zwischen den Rohren (2) jeweils ein Kühlmittelkanal (5) angeordnet ist und wobei die Kühlmittelkanäle (5) in Gruppen (A, B) getrennt sind, um die eine Gruppe (B) von einem Kühlmittel höherer Temperatur (HT) und die andere Gruppe (A) von einem Kühlmittel niedrigerer Temperatur (LT) durchströmen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rohre (2) des Bündels und das rohrförmige Gehäuse (11 ) ohne Unterbrechung in Längsrichtung vom Eintritt (4) bis zum Austritt (6) erstrecken, und dass die Gruppen (A, B) durch wenigstens eine Trennwand (10) gebildet sind, die Öffnungen (12) zur Aufnahme der einzelnen Rohre (2) des Bündels sowie zwischen den Öffnungen (12) angeordnete Stege (13) besitzt und die mit einer elastischen Dichtungsanordnung (20) zusammen wirkt.

2. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppengröße (A, B) jeweils etwa zwischen 30% für die eine Gruppe und 70% für die andere Gruppe beträgt, vorzugsweise belegt jede Gruppe etwa 50% des gesamten Abgaswärmetauschers.

3. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (13) die Gruppentrennung bewirken.

4. Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Dichtungsanordnung (20) sich um den inneren Umfang des Gehäuses (11 ) erstreckt.

5. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Dichtungsanordnung (20) einen Sitz für die Trennwand (10) besitzt.

6. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz eine Nut ist, die den Umfangsrand (13) der Trennwand (10) aufnimmt.

7. Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand einen Sitz für die elastische Dichtungsanordnung (20) aufweist.

8. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz an der Gehäusewand eine Einführschräge (21 ) oder dergleichen umfasst, um die Dichtungsanordnung (20) am vorgesehenen Ort im Gehäuse platzieren zu können.

9. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand im Bereich des Sitzes der Trennwand (10) eine umlaufende Sicke

(22) aufweist.

10. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand im Bereich des Sitzes der Trennwand (10) eine umlaufende nach innen gerichtete Wandverdickung aufweist.

11. Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch zwischen der Gehäusewand und dem Rohrbündel ein Kühlmittelkanal (5) angeordnet ist, der mittels des Steges (13) der Trennwand (10) in die Gruppentrennung einbezogen ist.

12. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (10) als doppelte Wand ausgebildet ist, wobei die Dichtungsanordnung (20) zwischen den Wänden (10a, 10b) befestigt ist.

13. Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (10) mit dem Rohrbündel verlötet ist.

14. Abgaswärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel aus wenigstens einer Reihe flacher Rohre besteht.