DE102008001660A1

DE102008001660A1 - Leichtbau Strömungswärmetauscher

Info

Publication number: DE102008001660A1
Application number: DE102008001660A
Authority: DE
Inventors: Andreas Capelle; Oliver Fischer; Peter Diehl; Jürgen Nothbaum; Petr Sispera
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-01-15
Also published as: US20190040781A1; US20090013676A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmetauscher 1 für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem separat ausgebildeten abgasführenden Tauscherrohr 20, das in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse 40 angeordnet ist, welches von einem Kühlmittel durchströmt wird, das das Tauscherrohr 20 außenseitig umströmt. Das Gehäuse 40 bildet zumindest einen Gehäusedeckel 60 und ein Mantelteil 50 aus, wobei das Mantelteil 50 durch den Gehäusedeckel 60 dicht verschlossen wird. Beide Enden des Tauscherrohrs 20 sind gas- und flüssigkeitsdicht durch den Gehäusedeckel 60 hindurchgeführt, so dass der Einlass 22 und der Auslass 24 des Tauscherrohres 20 außerhalb des Gehäuses 40 angeordnet sind.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für ein Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.
Aufgrund der stetig verschärften gesetzlichen Vorschriften in Bezug auf die Abgasemission von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Bezug auf die Emission von Stickoxiden, ist im Bereich der Verbrennungskraftmaschinen eine Rückführung von Verbrennungsabgasen auf die Einlassseite der Verbrennungskraftmaschine Stand der Technik. Die Verbrennungsgase nehmen selbst nicht noch einmal an dem Verbrennungsvorgang im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine teil und stellen so ein Inertgas dar, welches das Gemisch aus Verbrennungsluft und Kraftstoff im Brennraum verdünnt und für eine innigere Vermischung sorgt. Auf diese Weise ist es möglich, das Auftreten sogenannter „Hot Spots" während des Verbrennungsvorgangs zu minimieren, die sich durch lokal extrem hohe Verbrennungstemperaturen auszeichnen. Solche sehr hohen Verbrennungstemperaturen begünstigen die Bildung von Stickoxiden und müssen daher unbedingt vermieden werden.
Da der Wirkungsgrad einer Verbrennungsmaschine typisch von der Temperatur der dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft abhängig ist, können die Verbrennungsgase nach ihrem Austritt aus dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine nicht unmittelbar wieder der An saugseite zugeführt werden. Vielmehr ist eine deutliche Absenkung der Verbrennungsgastemperatur erforderlich. Typische Austrittstemperaturen der Verbrennungsgase aus dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine liegen im Bereich von 900°C und darüber. Die Temperatur der eingangsseitig dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft sollte hingegen nicht über 150°C betragen, vorzugsweise deutlich darunter liegen. Zur Abkühlung der rückgeführten Verbrennungsgase ist aus dem Stand der Technik bekannt, sogenannte Abgasrückführkühler einzusetzen. Aus dem Stand der Technik sind die verschiedensten Konstruktionen bekannt, bei denen in der Regel die zu kühlenden Verbrennungsgase durch Tauscherrohre geführt werden, die außenseitig von einem Kühlmittel umströmt werden, wobei es sich bei dem Kühlmittel in der Regel um das Kühlwasser des Kraftfahrzeugs handelt. Zur Erhöhung der Effizienz wird im Stand der Technik vorgeschlagen, die zu kühlenden Verbrennungsgase durch ein Bündel von strömungstechnisch parallel geschalteten Tauscherrohren zu leiten, die insgesamt vom Kühlmittel umspült werden.
Aus der DE 10 2004 019 554 A1 ist ein Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, welches einen Abgaswärmetauscher umfasst, der als zweiteiliges Gussteil ausgeführt ist. Da die sehr heißen Verbrennungsgase aufgrund der niemals 100%igen Verbrennung des Kraftstoffs reaktiv sind, stellt sich hier das Problem, dass es technisch schwierig bis unmöglich ist, die Oberflächen eines metallischen Gussteils als inerte Oberflächen vergleichbar einer Edelstahloberfläche auszugestalten.
Aus der DE 10 2005 055 482 A1 ist ein Abgaswärmetauscher für einen Verbrennungsmotor bekannt, der die vorgenannten Probleme vermeidet, indem diejenigen Oberflächen, welche mit den heißen Verbrennungsgasen in Berührung kommen, als korrosionsbeständige Stahloberflächen ausgeführt sind. Die Wärmetauscherrohre und das Gehäuse, in dem die Wärmetauscherrohre angeordnet sind, sind als separate Teile ausgebildet, die im Rahmen des Herstellungsprozesses zusammengefügt werden.
Bei dem aus der DE 10 2006 009 948 A1 bekannten Abgaswärmetauscher sind die das heiße Gas führenden Kanäle und das Gehäuse, in dem das die Abgaskanäle umströmende Kühlmittel strömt, integral in Form eines Plattenwärmetauschers ausgebildet. Sowohl die Strömungswege für die heißen Verbrennungsgase als auch die Strömungswege für das Kühlmittel bilden sich erst bei der Zusammenfügung einzelner, beispielsweise tiefgezogener, Platten zu einem Plattenwärmetauscher. Ein ähnliches Konzept wird auch in der DE 10 2006 049 106 A1 verfolgt.
Allgemeine Informationen zur Technik der Abgasrückführung bei Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen können beispielsweise der DE 100 119 54 A1 entnommen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges anzugeben, welcher Vorteile im Bezug auf Gewicht und Herstellungskosten gegenüber den aus dem Stand der Technik vorbekannten Konstruktionen aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Abgaswärmetauscher für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher ist für eine Verwendung im Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges vorgesehen, hier insbesondere für die Kühlung der zur Einlassseite der Brennkammern der Verbrennungskraftmaschine zurückgeführten auslassseitigen Verbrennungsabgase. Der Wärmetauscher weist zumindest ein separat ausgebildetes abgasführendes Tauscherrohr auf, welches in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse angeordnet ist. Dieses Gehäuse wird von einem Kühlmittel durchströmt, wobei es sich hierbei beispielsweise um das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeuges handeln kann. Das das Gehäuse durchströmende Kühlmittel umströmt dabei das zumindest eine Tauscherrohr außenseitig, nimmt dabei die vom zurückgeführten Verbrennungsabgas mitgeführte Verbrennungswärme auf und führt diese über den Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeuges ab.
Erfindungsgemäß ist nun das Gehäuse des Wärmetauschers in zumindest zwei Gehäuseabschnitte unterteilt, nämlich einen Gehäusedeckel und ein Mantelteil. Dabei wird das Mantelteil durch den Gehäusedeckel dicht verschlossen. Beide Enden des zumindest einen Tauscherrohrs sind erfindungsgemäß gas- und flüssigkeitsdicht durch einen gemeinsamen Gehäuseabschnitt des Wärmetauschergehäuses hindurchgeführt, wobei dieser Gehäuseabschnitt im Rahmen der vor liegenden Erfindung als Deckelteil bezeichnet wird. In der Regel wird der als Mantelteil bezeichnete Gehäuseabschnitt dann das am Deckelteil mechanisch festgelegte Tauscherrohr umschließen unter Ausbildung des Gehäuses des Wärmetauschers. Alternativ ist es aber auch möglich, dass das Deckelteil selbst das von ihm mechanisch getragene Tauscherrohr praktisch vollständig umschließt und das Gehäuse des erfindungsgemäßen Wärmetauschers durch Aufsetzen eines als Mantelteil bezeichneten zweiten Gehäuseabschnittes verschlossen wird, auch wenn der wiederum als „Mantelteil" bezeichnete Gehäuseabschnitt in dieser Ausführungsform das Tauscherrohr praktisch nicht umschließt. Mischformen von Gehäusedeckel und Mantelteile sind selbstverständlich ebenfalls möglich, bei denen sowohl der Gehäusedeckel als auch das Mantelteil das mindestens eine Tauscherrohr teilweise umschließen.
Indem Tauscherrohr und Gehäuse des erfindungsgemäßen Wärmetauschers separat ausgebildet werden, können diese für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher elementaren Bauteile aus verschiedenen Materialien ausgebildet werden. Indem weiterhin das Gehäuse in zwei Gehäuseabschnitte unterteilt wird, wobei die beiden Enden des zumindest einen Wärmetauscherrohrs nur durch einen Gehäuseabschnitt hindurchgeführt werden, kann das Material dieses Gehäuseteils gezielt an die thermischen, mechanischen und/oder korrosionstechnischen Anforderungen für den Einsatzzweck angepasst werden. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das zumindest eine Tauscherrohr aus einem korrosionsbeständigen und hitzefesten Werkstoff wie beispielsweise Edelstahl oder Aluminium besteht. Die Verwendung von Edelstahl bietet darüber hinaus den Vorteil, dass ein Tauscherrohr aus Edelstahl eine erhöhte Flexibilität aufweist, was beispielsweise bei der Realisierung eines gewundenen Strömungspfads im Tauscherrohr einen wesentlichen Vorteil darstellt. Werden weniger hohe Anforderungen an die Korrosionsfestigkeit bzw. an die Hitzebeständigkeit gestellt, so kann eine Ausführung des mindestens einen Tauscherrohrs aus Aluminium oder Aluminiumlegierung ausreichend sein.
Der Gehäusedeckel wird vorteilhaft aus demselben Material wie das zumindest eine Tauscherrohr ausgebildet, da auf diese Weise eine gute mechanische Verbindbarkeit beider Teile sowie eine verminderte Korrosionsanfälligkeit sichergestellt ist. Werden beide Teile, also Gehäusedeckel und Tauscherrohr, aus Edelstahl hergestellt, so ist insgesamt eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bei sehr hoher thermischer Belastbarkeit sichergestellt. Darüber hinaus minimiert die schlechtere Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl die Übertragung der Abwärme der sehr heißen Verbrennungsabgase über den Gehäusedeckel auf das Mantelteil. Mit gewissen Einschränkungen ist auch hier die Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bzw. anderen metallischen Werkstoffen mit geeigneter Hitzebeständigkeit geeignet, sofern sich dieser auf geeignete Weise gas- und flüssigkeitsdicht mit dem hindurch geführten Tauscherrohr verbinden lässt, beispielsweise mittels Verlöten, Verschweißen oder ggf. auch Verkleben.
Das Mantelteil des Gehäuses des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers kann selbstverständlich ebenfalls aus Edelstahl bestehen, beispielsweise aus einem nahtlos gezogenen Edelstahlrohr mit eingesetztem Bodenstück. Die Teilung des Wärmetauschergehäuses macht es aber möglich, das Mantelteil als Gussteil auszubilden, woraus sich besondere Vorteile ergeben. So kann das Mantelteil des Gehäuses aus einem gussfähigen Werkstoff wie beispielsweise Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Magnesium oder Magnesiumlegierung, Grauguss oder aus einem Kunststoff, der eine ausreichende Temperaturfestigkeit aufweist, hergestellt werden. Da das Mantelteil des Gehäuses des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers nicht mit den korrosiven Verbrennungsabgasen in Berührung kommt, und die Temperaturen auf typische Kühlmitteltemperaturen, die im Bereich von unter 150°C liegen, begrenzt sind, kann auf die hier vorgenannten deutlich günstigeren Werkstoffe ausgewichen werden. Insbesondere kann das Mantelteil des Gehäuses im Gussverfahren hergestellt werden, beispielsweise mittels Kunststoff- oder Metall-Spritzguss oder anderen günstigen Verfahren wie z. B. Tiefziehen. Neben den bereits erwähnten Kostenvorteilen und der einfacheren Herstellbarkeit eines gegossenen oder gezogenen Mantelteils des Gehäuses können mittels gegossenen Gehäuseteilen gegenüber Edelstahlgehäusen darüber hinaus wesentliche Gewichtseinsparungen reduziert werden, was einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers darstellt. Ein unerwünschter Nebeneffekt der zunehmenden Komplexität von Kraftfahrzeugen ist deren stetige Gewichtszunahme, was den Bemühungen der Kraftfahrzeughersteller zuwider läuft, die Verbrauchs- und Emissionswerte der Kraftfahrzeuge zu vermindern.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn zwischen Mantelteil und Gehäusedeckel eine Dichtung eingefügt ist, wobei es sich hier insbesondere um eine Dichtung aus einem metallischen Werkstoff wie beispielsweise eine Metallsickendichtung oder einer elastischen Dichtung (z. B. Elastomerdichtung) handeln kann. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang von Vorteil, wenn der Gehäusedeckel und das Mantelteil als separate Teile ausgebildet sind, die mittels mechanischer Haltemittel miteinander verbunden sind. Als solche Haltemittel kommen beispielsweise Schrauben oder Nieten in Frage. Selbstverständlich sind aber auch beliebige andere mechanische Haltemittel denkbar, soweit sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, und zumindest zur einmaligen Verbindung von Gehäusedeckel und Mantelteil geeignet sind. Günstig kann in diesem Zusammenhang auch eine hilfsmittellose Verbindung sind wie z. B. bördeln o. ä.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers bildet dessen Gehäusedeckel eine Schnittstelle für einen Anschluss des Wärmetauschers an das Abgassystem des Kraftfahrzeuges aus. Auf diese Weise wird die Montage des erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Kraftfahrzeug wesentlich vereinfacht.
Das Tauscherrohr des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist bevorzugt mindestens zwischen den Punkten, an denen es durch den Gehäusedeckel des Wärmetauschergehäuses hindurchgeführt ist, einstückig ausgeführt. Dabei kann es insbesondere U-förmig oder halbkreisförmig gebogen sein. Auf diese Weise können Korrosionserscheinungen an Übergangsstellen zwischen Rohrabschnitten verhindert werden. Darüber hinaus tritt bei dieser bevorzugten Ausgestaltung beim Durchströmen des Abgaswärmetauschers nur eine einzige strömungsmechanische Engstelle auf, wodurch der Druckabfall im den Wärmetauscher durchströmenden Abgas minimiert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung verläuft der sich im Tauscherrohr erstreckende Strömungspfad für das zu kühlende Verbrennungsabgas zumindest innerhalb des Gehäuses des Wärmetauschers als gewundener Strömungspfad. Insbesondere kann dieser Strömungspfad innerhalb des Gehäuses einen Drehwinkel α von zumindest 45° einschließen, bevorzugt aber einen Drehwinkel α zwischen 135 und 225°. Besonders bevorzugt schließt er einen Winkel von 180° ein, d. h., das aus dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher austretende gekühlte Verbrennungsabgas verlässt den Wärmetauscher in zur Eintrittsrichtung entgegen gesetzten Richtung.
Aufgrund der gekrümmten Ausführung des Strömungspfads des zu kühlenden Verbrennungsabgases ergibt sich eine deutlich verbesserte Raumnutzung gegenüber den aus dem Stand der Technik vorbekannten Abgaswärmetauschern mit sich typischerweise gradlinig erstreckenden Tauscherrohren. Die getrennte Ausbildung von Gehäuse und Tauscherrohren des erfindungsgemäßen Wärmetauschers erlaubt eine besonders einfache Fertigung desselben und ermöglicht es darüber hinaus, Materialien für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher einzusetzen, die an die jeweils lokal vorherrschenden Anforderungen bezüglich Korrosionsfestigkeit und Hitzebeständigkeit angepasst sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist im erfindungsgemäßen Wärmetauscher anstelle eines einzelnen Tauscherrohrs ein Bündel von Tauscherrohren vorgesehen, welche strömungstechnisch parallel geschaltet sind. Insbesondere soll dieses Bündel von Tauscherrohren so ausgestaltet sein, dass die sich in den einzelnen Tauscherrohren ausbildenden Strömungspfade zwischen ihren jeweiligen Ein- und Auslässen keinerlei Berührung mit den Strömungspfaden in den angrenzenden Tauscherrohren haben. Auf diese Weise wird vermieden, dass der zu kühlende Abgasstrom bei seinem Durchtritt durch den erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher mehrfach durch Querschnittsverengungen hindurch treten muss. Hieraus resultiert einerseits ein deutlich verringerter Strömungswiderstand des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, andererseits hat es sich im praktischen Betrieb herausgestellt, das jede Verengung im Strömungspfad innerhalb eines Abgaswärmetauschers einen Ort bildet, an dem sich im rückgeführten Verbrennungsabgas enthaltenes Kondensat und Partikel ablagern, was längerfristig zu einer teilweisen bzw. vollständigen Verstopfung des Wärmetauschers und damit zum Ausfall des gesamten Abgasrückführungssystems des Kraftfahrzeugs führen kann.
Wird ein Bündel von Tauscherrohren verwendet, so hat es sich insbesondere bei einer Verwendung von Wasser als Kühlmittel als optimal herausgestellt, wenn der minimale Abstand d zwischen den Außenflächen der benachbart angeordneten Tauscherrohre im Bereich zwischen 0,5 mm und 5 mm liegt. Besonders bevorzugt wird hier eine Spaltweite zwischen 1 und 2 mm. Diese Spaltweite stellt insbesondere in Bezug auf Wasser als Kühlmittel ein Optimum einerseits bezüglich des Strömungswiderstands für das Kühlmittel und andererseits bezüglich ei ner Optimierung der umströmten Oberfläche der Tauscherrohre in Relation zum kühlmitteldurchströmten Volumen dar.
Wird ein Bündel von Tauscherrohren eingesetzt, so hat es sich bezüglich der Raumnutzung weiterhin als optimal herausgestellt, wenn sowohl die Mittelpunkte der Einlässe als auch die Mittelpunkte der Auslässe der Tauscherrohre oder alternativ die Stützpunkte, d. h. die Punkte, an denen die Tauscherrohre durch die Wandung des Wärmetauschergehäuses hindurch treten, auf den Mittelpunkten eines orthogonalen oder hexagonalen Gitters liegen. Bevorzugt werden sowohl die Einlässe als auch die Auslässe bzw. die Stützpunkte auf Gitterpunkten äquivalenter Gitter angeordnet. Alternativ oder auch ergänzend könnten auch die Durchführungspunkte, an denen die einzelnen Tauscherrohre einlass -und auslassseitig durch die Wandung des Gehäuses des Wärmetauschers hindurchgeführt sind, ebenfalls auf Gitterpunkten vergleichbarer Gitter angeordnet werden. Eine solche Anordnung der Einlässe bzw. Auslässe der Tauscherrohre bzw. von deren Durchführungspunkten durch die Wandung des Tauschergehäuses erlaubt wiederum eine besonders effiziente Nutzung des im Inneren des Tauschergehäuses zur Verfügung stehenden Bauraums. Insbesondere bei hexagonaler Anordnung der Wärmetauscherrohre ergibt sich eine besonders intensive Raumerfüllung im Inneren des Wärmetauschergehäuses mit den Tauscherrohren, so dass hier eine effektive Raumminimierung stattfindet.
Die Raumnutzung im Gehäuseinneren des Wärmetauschergehäuses kann insbesondere bei einer U-förmigen Konfiguration der Tauscherrohre weiter optimiert werden, wenn die Tauscherrohre so angeordnet sind, dass sie sich zumindest paarweise überkreuzen.
Das zumindest eine Tauscherrohr, in einer bevorzugten Ausgestaltung aber auch die Mehrzahl der Tauscherrohre des Bündels, kann in einer einfach ausgestalteten Ausführung als glattwandiges Rohr ausgebildet sein. Vorteile in Bezug auf den thermischen Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aber, wenn das zumindest eine Tauscherrohr, oder aber auch die Mehrzahl der Tauscherrohre, als Drallrohr ausgebildet ist, d. h. als Rohr, das so ausgestaltet ist, dass der in seinem Inneren geführte heiße Abgasstrom eine intensive Verwirbelung erfährt. Hierzu kann beispielsweise zumindest die Innenoberflä che des Tauscherrohrs/der Tauscherrohre mit einer Spiralstruktur ausgestattet sein, die den hindurchströmenden Abgasstrom in eine Wirbelbewegung versetzt.
Insbesondere kann eine solche Spiralstruktur auch durch Einbringen einer spiraligen Vertiefungsstruktur in die Wandung eines ansonsten glattwandigen Rohres z. B. aus Edelstahl hervorgebracht werden. Eine Spiralstruktur auf der Innenwandung des Tauscherrohres lässt sich auf einfache Weise erzeugen, indem ein vorzugsweise dünnwandiges Tauscherrohr, welches beispielsweise aus Edelstahl bestehen kann, spiralig aufgeweitet oder vertieft wird. Der Windungsabstand DS einer solchen Spiralstruktur beträgt für den gegebenen Anwendungsfall und Wasser als Kühlmittel vorteilhaft zwischen 1 und 15 mm, bevorzugt zwischen 3 und 8 mm. Die Höhe bzw. Tiefe der Spiralstruktur beträgt wiederum für den gegebenen Anwendungsfall zwischen 1 und 20% des Außendurchmessers D des Tauscherrohrs, bevorzugt aber zwischen 2 und 16%. Der Außendurchmesser D des Tauscherrohres beträgt wiederum bezogen auf den speziellen Anwendungsfall bevorzugt zwischen 1 und 15 mm, insbesondere hat sich der Bereich zwischen 6 und 12 mm als besonders vorteilhaft herausgestellt. Für den bevorzugten Bereich hat sich das Verhältnis zwischen auftretendem Druckverlust bzw. Strömungswiderstand für das zurückgeführte Verbrennungsabgas einerseits und dem thermischen Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers aufgrund des Verhältnisses des Rohrquerschnitts zur inneren Oberfläche der Wärmetauscherrohre andererseits als optimal erwiesen hat.
Eine besonders effektive Raumnutzung im Inneren des Gehäuses des Wärmetauschers ergibt sich, wenn das Tauscherrohr zwischen den Punkten, an denen es durch die Wandung des Gehäuses hindurchgeführt ist, im Wesentlichen U-förmig oder halbkreisförmig gebogen ist. In Kombination mit der Ausbildung des Tauscherrohrs als Drallrohr ergibt sich auf diese Weise eine besonders intensive Verwirbelung des Tauscherrohres durchströmenden heißen Abgasstroms, was zu einem besonders effektiven Wärmeübertrag auf die Wandung des Tauscherrohres und damit zu einem Übergang in das Kühlmittel führt.
Wie vorstehend bereits erwähnt ist in einer bevorzugten Ausgestaltung das zumindest eine Tauscherrohr, bevorzugt aber die Mehrzahl der vorgesehenen Tauscherrohre, am Ort der jeweiligen Durchführung durch den Gehäusedeckel mechanisch fest mit diesem verbunden. Auf diese Weise stützt sich das zumindest eine Tauscherrohr/die Mehrzahl der Tauscherrohre mechanisch am Gehäusedeckel ab und bildet eine einfach handhabbare Montageeinheit, die auf einfachste Weise bei der Endmontage des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit dem Mantelteil des Tauschergehäuses mechanisch verbunden werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Durchführungspunkte, d. h. diejenigen Punkte, denen das zumindest eine Tauscherrohr einlassseitig und auslassseitig durch das Gehäuse des Wärmetauschers hindurchgeführt ist, im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene E angeordnet sind. Auch der Einlass und der Auslass des Tauscherrohrs können im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene E' angeordnet sein, die insbesondere mit der vorstehend genannten gemeinsamen Ebene E' der Durchführungspunkte zusammenfallen kann. Eine der Ebenen E bzw. E' kann eine Schnittstelle für einen Anschluss eines Wärmetauschers an das Abgassystem des Kraftfahrzeugs ausbilden, wodurch sich eine besonders einfache Montage des erfindungsgemäßen Wärmetauschers am Kühlmittelkreislauf bzw. Abgassystem des Kraftfahrzeugs realisieren lässt.
Diese Vorteile lassen sich noch erhöhen, indem der Köhlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass für das das Gehäuse des erfindungsgemäßen Wärmetauschers durchströmende Kühlmittel ebenfalls in der Ebene E der Durchführungspunkte des Tauscherrohrs oder in der Ebene E' des Einlasses und des Auslasses des Tauscherrohrs angeordnet sind. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung fallen die Ebenen E und E' zusammen, so dass sowohl die Durchführungspunkte als auch Ein- und Auslass des Tauscherrohrs sowie Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind. Diese gemeinsame Ebene kann dann vorteilhaft eine Schnittstelle für einen Anschluss des Wärmetauschers an sowohl das Abgassystem des Kraftfahrzeugs als auch das Kühlmittelsystem des Kraftfahrzeugs ausbilden. Bevorzugt ist nun zumindest der Kühlmitteleinlass und/oder der Kühlmittelauslass im Gehäusedeckel des Wärmetauschergehäuses ausgebildet. Auf diese Weise kann die Montageschnittstelle auf einfachste Weise am Wärmetauscher ausgebildet werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Tauscherrohre des erfindungsgemäßen Wärmetauschers zwischen ihrem Einlass und ihrem Auslass im Wesentlichen einstückig sind, zumindest aber zwischen den vorstehend genannten Durchführungspunkten einstückig sind. Insbesondere kann das zumindest eine Tauscher rohr zwischen seinem Einlass und seinem Auslass bzw. seine Durchführungspunkten durch die Wandung des Gehäuses hindurchgeführt ist, im Wesentlichen halbkreisförmig oder U-förmig gebogen ist.
Schließlich wird darauf hingewiesen, dass bei den erfindungsgemäßen Wärmetauschern die Medien vertauscht werden können, d. h. das Tauscherrohr kann auch vom Kühlmedium durchströmt werden und der das Tauscherrohr umgebende Gehäuseinnenraum kann auch vom zu kühlenden Medienstrom, also z. B. dem zu kühlenden Abgasstrom, durchströmt werden.
Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher eignet sich weiterhin auch zur Verwendung als Ladeluftkühler in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine, bei der die Verbrennungsluft über einen vorgeschalteten Verdichter wie z. B. einen Turbolader oder einen Kompressor auf Über-Atmosphärendruck verdichtet wird. Insbesondere eignet er sich für eine Verwendung als Ladeluftkühler in Verbindung mit Niederdruck-Abgasrückführsystem.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen:
1: eine Explosionszeichnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers,
2: eine Aufsicht auf die Montageschnittstelle E eines Abgaswärmetauschers gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
3: eine Aufsicht auf ein Bündel von Tauscherrohren eines Abgaswärmetauschers gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
4: eine schematische Darstellung eines Tauscherrohrs des Wärmetauschers gemäß 1,
5: einen Schnitt durch das in 4 dargestellte Tauscherrohr,
6: eine schematische Darstellung eines Tauscherrohrs, welches einen gewundenen Strömungspfad ausbildet, zur Illustration des Umlaufwinkels α,
7: eine Aufsicht auf die von einem Gehäusedeckel ausgebildete Schnittestelle E, in der die Ein- und Auslassöffnungen auf Gitterplätzen eines orthogonalen Gitters angeordnet sind,
8: eine Aufsicht auf die von einem Gehäusedeckel ausgebildete Schnittestelle E, in der die Ein- und Auslassöffnungen auf Gitterplätzen eines hexagonalen Gitters angeordnet sind,
9: einen Schnitt durch eine Einlass-/Auslassöffnung eines Tauscherrohrs im Bereich eines Gehäusedeckels, und
10a–10g: eine Auswahl von Drallrohren, die zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Wärmerauscher geeignet sind.
1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers 1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels. Der Wärmetauscher 1 umfasst ein Gehäuse 40, welches aus einem Mantelteil 50 besteht, das mittels eines Gehäusedeckels 60 verschlossen wird. Das Mantelteil 50 ist als Gussteil ausgebildet und kann insbesondere aus Aluminiumdruckguss bestehen. Alternativ ist eine Herstellung des Mantelteils 50 im gezeigten Ausführungsbeispiel aus jedem Werkstoff möglich, welcher einerseits im Gussverfahren verarbeitet werden kann und andererseits eine ausreichende thermische Stabilität aufweist. Da aber das Mantelteil 50 des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 nur mit dem Kühlmittel in Berührung kommt, welches in der Regel aus dem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs stammt, ist eine Temperaturbeständigkeit bis zu Temperaturen bis 150°C für die meisten Anwendungsfälle ausreichend. Als weitere geeignete Materialien für das Mantelteil haben sich Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen, Grauguss oder auch hitzebeständige und spritzgussfähige Kunststoffe erwiesen.
Vorderseitig bildet das Mantelteil 50 einen Flansch 59 für eine Verbindung mit einem Gehäusedeckel 60 aus. Der Gehäusedeckel 60 besteht im gezeigten Aus führungsbeispiel aus einer gestanzten Edelstahlplatte mit einer Stärke von wenigen Millimetern, bevorzugt von etwa 1–2 mm. Das Mantelteil 50 wird mit dem Gehäuseteil 60 flüssigkeits- und gasdicht verbunden unter Zwischenfügung einer Dichtung 52, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel als Metalldickendichtung ausgebildet ist. Der Gehäusedeckel 60 wird dabei mit dem Flansch 59 des Mantelteils 50 mittels Schrauben 54 verschraubt. Hierzu bildet das Mantelteil 50 eine Mehrzahl von großen Gewindebohrungen 55 aus. Der Gehäusedeckel 60 weist an den korrespondierenden Positionen Durchgangsbohrungen 65 mit großem Durchmesser auf, durch die passend dimensionierte Schrauben 54 hindurchgeführt und in die Gewindebohrungen 55 eingeführt werden, so dass der Gehäusedeckel 60 mit dem Mantelteil 50 verschraubt werden kann.
Das Mantelteil 50 bildet einen Innenraum 42 aus, der dazu vorgesehen ist, ein Bündel von U-förmig gebogenen Tauscherrohren 20 in sich aufzunehmen. Dabei sind die Tauscherrohre 20 von ihren Rohrdimensionen wie Innen- und Außendurchmesser identisch, jedoch variiert die Öffnungsweite W (vgl. 4) des U-förmigen Profils. Die Formgebung des Innenraums 42 und damit auch des Mantelteils 50 ist insgesamt an die Formgebung des Bündels von Tauscherrohren 20 angepasst, so dass sich eine möglichst effektive Raumnutzung des Innenraums 42 durch das Bündel der Tauscherrohre 20 ergibt.
Die Tauscherrohre 20 bilden an ihren jeweiligen Enden jeweils einen Einlass 22 und einen Auslass 24 aus. Die Enden der Tauscherrohre 20 sind dabei durch korrespondierende Bohrungen im Gehäusedeckel 60 hindurchgeführt, die Durchführungspunkte 66, 68 für die Einlässe 22 bzw. die Auslässe 24 der Tauscherrohre 20 ausbilden. Die Ein- und Auslässe 22, 24 der Tauscherrohre 20 sind dabei durch die im Gehäusedeckel 60 ausgebildeten Bohrungen hindurchgeführt. Die Tauscherrohre 20 sind an den Durchführungspunkten 66, 68 – und flüssigkeitsdicht mit dem Gehäusedeckel 60 verbunden, beispielsweise mittels Verlöten oder Verschweißen. Hierdurch ergibt sich eine mechanische Abstützung der Tauscherrohre 20 am Gehäusedeckel 60.
In einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Tauscherrohre 20 aus dünnwandigen Edelstahlrohren. Dabei sind die Tauscherrohre 20 mit einer geprägten Struktur versehen, so dass sich von der Innenoberfläche der Tauscherrohre 20 eine Spiralstruktur 26 erhebt. Das Bündel der Tauscherrohre 20 ist dabei so an geordnet, dass alle Einlässe 22 und alle Auslässe 24 jeweils in einer zusammenhängenden Gruppe angeordnet sind, so dass ein Anschluss des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 z. B. an das Abgassystem des Kraftfahrzeugs auf einfache Weise möglich ist. Hierzu bildet die Vorderseite des Gehäusedeckels 60 eine Montageschnittstelle S aus, die aufgrund der planen Ausführung des Gehäusedeckels 60 im Wesentlichen flanschartig ausgestaltet ist. Zur Montage des Wärmetauschers 1 am Kraftfahrzeug sind im Mantelteil 50 weitere Gewindebohrungen 53 ausgebildet, die einen gegenüber den Gewindebohrungen 55 verringerten Innendurchmesser aufweisen. In der Metallsickendichtung 52 sowie in dem Gehäusedeckel 60 sind korrespondierende Durchgangsbohrungen 63 ausgebildet. Hierüber kann der Wärmetauscher 1 über eine Mehrzahl von in 1 nicht dargestellten Schrauben mit dem Abgas- und Kühlmittelsystem des Kraftfahrzeugs verbunden werden.
Das Mantelteil 50 bildet neben dem Innenraum 42, in dem das Bündel der Tauscherrohre 20 angeordnet ist, einen Einlasskanal 56 und Auslasskanal 58 für ein Kühlmittel aus, bei dem es sich beispielsweise um Kühlflüssigkeit aus dem Kühlsystem der Verbrennungskraftstoffmaschine des Kraftfahrzeugs handeln kann. Der Einlasskanal 56 und der Auslasskanal 58 sind dabei so angeordnet, dass sich im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers 1 ein von oben nach unten (in 1) erstreckender Strömungspfad durch den Innenraum 42 des Mantelteils 50 ergibt, so dass das Bündel der Tauscherrohre 20 intensiv vom Kühlmittel umspült wird. Um eine möglichst intensive Wechselwirkung des Kühlmittels mit der Oberfläche der abgasführenden Tauscherrohre 20 zu verwirklichen, ist weiterhin innerhalb der Schenkel der U-förmig gestalteten Tauscherrohre 20 ein Leitblech 36 angeordnet, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum bevorzugt aus Edelstahl besteht und stumpf mit dem ebenfalls aus Edelstahl bestehenden Gehäusedeckel 60 verschweißt oder verlötet ist. Das Leitblech 36 verlängert den Strömungspfad des Kühlmittels im Innenraum 42 des Gehäuses 40 und sorgt somit für einen intensiveren thermischen Austausch zwischen dem in den Tauscherrohre 20 strömenden Abgas und dem im Innenraum 42 strömenden Kühlmittel.
Der im Mantelteil 50 ausgebildete Einlasskanal 56 sowie der Auslasskanal 58 enden ebenfalls im vom Mantelteil 50 ausgebildeten Flansch 59, wobei an den Enden der Kanäle 56 und 58 Stege 57 ausgebildet sind, welche eine mechanische Abstützung für die auf dem Flansch 59 aufliegende Metallsickendichtung 52 ausbilden. Diese bildet ebenfalls Durchlässe für das den Wärmetauscher 1 durchströmende Kühlmittel aus, welche mit dem im Gehäusedeckel 60 ausgebildeten Kühlmitteleinlass 62 und Kühlmittelauslass 64 korrespondieren. Im zusammengefügten Wärmetauscher 1 kann daher über die Vorderseite des Gehäusedeckels 60 sowohl Kühlmittel über den Kühlmitteleinlass 62 zugeführt als auch über den Kühlmittelauslass 64 abgeführt werden und das zu kühlende Verbrennungsabgas über die Einlässe 22 der Tauscherrohre 20 zugeführt und über die Auslässe 24 abgeführt werden. In der dargestellten Konstruktion ist dies über eine einzige gemeinsame Montageschnittstelle S möglich.
Dies wird insbesondere auch aus der Darstellung gemäß 2 deutlich, welche eine Aufsicht auf eine Montageschnittstelle S des Wärmetauschers 1 in einer geringfügig abgewandelten Ausführungsform zeigt. Deutlich zu erkennen ist der im Gehäusedeckel 60 ausgebildete Kühlmitteleinlass 62 sowie der Kühlmittelauslass 64. Die Mehrzahl der Einlässe 22 sowie Auslässe 24 der Tauscherrohre 20 ist hingegen in der Darstellung gemäß 2 durch Gitterstrukturen 23 abgedeckt. Die Anordnung der Einlässe 22 sowie Auslässe 24 im Gehäusedeckel 60 entspricht aber im Wesentlichen der in 1 dargestellten Konfiguration. Ansonsten unterscheidet sich der Wärmetauscher gemäß der Darstellung von 2 im Wesentlichen durch die veränderte Anordnung von Befestigungspunkten 51 am Mantelteil 50, wobei diese Befestigungspunkte 51 einer Befestigung des Wärmetauschers 1 an Montagestrukturen des Kraftfahrzeugs dienen.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Bündels von Tauscherrohren 20 eines Wärmetauschers 1 in einer dritten Ausgestaltung. Gegenüber dem Wärmetauscher 1 gemäß 1 unterscheidet sich das hier gezeigte Bündel von Tauscherrohren 20 im Wesentlichen dadurch, dass es sich bei den Tauscherrohren 20 um glatte, z. B. nahtlos gezogene dünnwandige Edelstahlrohre handelt, die keine Spiralstruktur 26 aufweisen, wie sie in 1 dargestellt ist. Darüber hinaus sind die Tauscherrohre 20 so angeordnet, dass sie sich jeweils paarweise überkreuzen, was an den Umkehrpunkten der U-förmig ausgebildeten Tauscherrohre 20 in 3 sichtbar wird.
Aus 1 wird weiterhin sichtbar, wie mittels technischer Maßnahmen unerwünschte Schwingungen des Bündels von Tauscherrohren 20 im Innenraum 42 des Gehäuses 40 verhindert werden können. So ist das Leitblech 36, welches mechanisch starr mit dem Gehäusedeckel 60 verbunden ist und welches innerhalb des Bündels von Tauscherrohren 20 angeordnet ist, an seiner seitlichen Wandung sowie seiner umgebogenen Spitze mechanisch fest mit den benachbart angeordneten Tauscherrohren 20 verbunden, beispielsweise mittels Verlöten oder Verschweißen. Das Leitblech 36 stellt damit eine mechanische Versteifung für die innenliegenden Tauscherrohre 20 des Tauscherrohrbündels dar und dämpft damit deren Schwingungen.
Als weitere schwingungsreduzierende Maßnahme ist eine Bandage 30 vorgesehen, welche aus einem gestanzten Edelstahlblech geringer Wandstärke besteht. Diese Bandage umgreift das Bündel der Tauscherrohre 20 vollständig und ist an den Berührungspunkten mit den benachbarten Tauscherrohren 20 mechanisch fest verbunden, beispielsweise mittels Verlöten oder Verschweißen. Durch die das Tauscherrohrbündel umgreifende Anordnung verhindert die Bandage 30 Relativschwingungen der außenliegenden Tauscherrohre 20 zueinander. Darüber hinaus bildet die Bandage 30 integral ausgebildete Abstützungen 32 aus, welche aus abgewinkelten Vorsprüngen bestehen. Diese Abstützungen 32 stellen eine federnde Abstützung des gesamten Tauscherrohrbündels gegenüber der Innenwandung des Gehäuses 40 dar.
Schließlich sind innerhalb des Bündels von Tauscherrohren 20 Versteifungselemente 34 angeordnet, welche ebenfalls aus gestanzten Edelstahlblechstreifen bestehen. Diese Versteifungselemente 34 stellen eine mechanisch starre Abstützung der Tauscherrohre 20 des Tauscherrohrbündels dar. Sie sind hierzu mechanisch fest mit den Tauscherrohren 20 verbunden, beispielsweise mittels Verschweißen oder Verlöten.
Es sei darauf hingewiesen, dass auf die mechanisch feste Verbindung der Bandage 30 bzw. der Versteifungselemente 34 mit den einzelnen Tauscherrohren 20 in Einzelfällen verzichtet werden kann. Ggf. kann bereits der bloße Formschluss zwischen Tauscherrohrbündel und Bandage 30 bzw. Versteifungselement 34 für einen ausreichende Abstützung des Tauscherrohrbündels und für ein ausreichend festen Sitz der Bandage 30 bzw. der Versteifungselemente 34 am Tauscherrohrbündel sorgen.
4 zeigt nun eine Aufsicht auf ein einzelnes Tauscherrohr 20 des Wärmetauschers 1 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels. Das Tauscherrohr 20 weist eine mit L bezeichnete freie Länge auf, die je nach Dimensionierung des Wärmetauschers 1 im Bereich zwischen 2 und 30 cm liegen kann, wobei für eine Verwendung in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschine geringerer Leistung (typ. 35–100 kW) typische Dimensionierungen von L im Bereich von 5 cm geeignet sind. Für Personenkraftwagen höherer Leistung von 100 kW und darüber können Dimensionierungen im Bereich von L zwischen 10 und 15 cm sinnvoll sein. Für eine Verwendung in Lastkraftwagen können Dimensionierungen von L = 20 cm und darüber geeignet sein.
Das Tauscherrohr 20 weist einen Außendurchmesser D auf, der typisch im Bereich zwischen 1 und 15 mm beträgt, bevorzugt im Bereich zwischen 6 und 12 mm, da sich dieser als besonders geeignet für die bestimmungsgemäße Verwendung des Wärmetauschers als Abgaswärmetauscher für ein Kraftfahrzeug herausgestellt hat. Wie aus 4 sowie 5, welche einen perspektivisch dargestellten Schnitt durch das Tauscherrohr 20 der 4 darstellt, ersichtlich ist, sind bei einer Verwendung von Edelstahl Werte im Bereich von 0,1 bis 1 mm geeignet für die Wandstärke WS der Tauschrohre 20, abhängig insbesondere auch von der Länge L des Tauscherrohrs 20 im spezifischen Wärmetauscher 1. Bevorzugt liegt die Wandstärke WS der Tauscherrohre 20 im Bereich von 0,2 bis 0,6 mm.
Für den Abstand W der Schenkel der U-förmig geformten Taucherrohre 20 hat es sich herausgestellt, dass dieser bevorzugt größer oder gleich dem 1,8-fachen des Außendurchmessers D des Tauscherrohrs 20 beträgt. Insbesondere gilt
W ist größer oder gleich 1,8 × D, wobei sich herausgestellt hat, dass die Schenkelweite W, die unmittelbar mit dem Biegeradius R des U-förmig gebogenen Tauscherrohrs 20 korreliert ist über W = 2R, wenn als Tauscherrohr 20 ein mit einer durchgehenden Spiralstruktur 26 versehenes dünnwandiges Rohr beispielsweise aus Edelstahl oder aus Aluminium verwendet wird. Eine besonders kleine Schenkelweite W ist für eine möglichst effiziente Nutzung des Innenraumvolumen des Gehäuses 40 günstig und aufgrund des in einem Kraftfahrzeug nur sehr begrenzt zur Verfügung stehenden Bauraums zu bevorzugen.
Im Rahmen der praktischen Erprobung hat sich herausgestellt, dass besonders günstige Eigenschaften bezüglich einer Verwirbelung des das Tauscherrohr 20 durchströmenden Abgases und somit ein besonders intensiver Wärmeübertrag vom Abgas auf die Wandung des Tauscherrohrs erzielt werden, wenn das Tauscherrohr 20 eine Spiralstruktur 26 zumindest auf seiner Innenwandung aufweist. Der Windungsabstand DS der Spiralstruktur 26 beträgt dabei vorteilhaft zwischen 1 und 15 mm, bevorzugt wird ein Bereich zwischen 4 und 8 mm. Der hiermit einhergehende Steigungswinkel wird in 4 mit DW bezeichnet. Die Höhe DT der sich auf der Innenwandung des Tauscherrohrs 20 erhebenden Spiralstruktur 26 beträgt vorteilhaft zwischen 1 und 20% des Außendurchmessers D des jeweiligen Tauscherrohrs 20, bevorzugt wird hier ein Bereich zwischen 2,0 und 14%.
Ist eine Mehrzahl von Tauscherrohren 20 vorgesehen, so dass sich ein Tauscherrohrbündel ausbildet, so hat es sich herausgestellt, dass der bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Wärmetauschers erzielbare Wirkungsgrad besonders hoch ist, wenn der minimale Abstand d der Außenfläche der Tauscherrohre 20 des Tauscherrohrbündels voneinander im Bereich zwischen 0,5 und 5 mm beträgt. Bevorzugt wird hier ein Bereich zwischen 1 und 2 mm, welcher bei einer Verwendung von Wasser als Kühlmittel besonders gute Ergebnisse bezüglich des Wirkungsgrads liefert.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Spiralstruktur 26 im Tauscherrohr 20 nicht nur auf der Innenoberfläche des Tauscherrohrs 20 ausgebildet. Vielmehr wird die Spiralstruktur 26 durch spiraliges Prägen der Außenfläche des Tauscherrohrs 20 erzeugt, wobei sich die eingeprägte Spiralstruktur 26 von der Innenoberfläche des Tauscherrohrs 20 erhebt.
6 zeigt schematisch den Drehwinkel α, der von dem sich im Tauscherrohr 20 ausbildenden Strömungspfad umschlossen wird. In den bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 beträgt dieser Drehwinkel α = 180°, d. h. die Stromrichtung des aus dem Innenraum 42 des Wärmetauschers 1 austretenden Abgasstroms ist um 180° der Stromrichtung des eintretenden Abgasstroms entgegengesetzt. In anderen Konfigurationen kann der Drehwinkel α aber auch kleiner oder größer als 180° sein, bevorzugt wird allgemein ein Winkelbereich zwischen 135° und 225°. Die Verwendung von Tauscher rohren 20, die an ihrer Innenoberfläche eine Spiralstruktur 26 ausbilden, hat sich aber bereits bei Drehwinkel α von 45° als Wirkungsgrad erhöhend erwiesen.
7 zeigt nochmals schematisch eine Aufsicht auf die Einlässe 22 und die Auslässe 24 einer Mehrzahl von Tauscherrohren 20, die als Tauscherrohrbündel im Innenraum 42 eines Wärmetauschergehäuses 40 angeordnet sind. Man erkennt, dass sowohl die Einlässe 22 als auch die Auslässe 24 auf den Gitterpunkten eines orthogonalen Gitters angeordnet sind.
Eine noch effizientere Raumnutzung ergibt sich in der Anordnung der Einlässe 22 bzw. Auslässe 24 gemäß 8. Hier sind die Einlässe 22 bzw. Auslässe 24 auf Gitterpunkten eines hexagonalen Gitters angeordnet, das bedeutet jeder Einlass 22 bzw. jeder Auslass 24 ist von sechs benachbarten Einlässen 22 bzw. Auslässen 24 umgeben. In dieser Konfiguration lässt sich die höchstmögliche Raumerfüllung im Innenraum 42 des Gehäuses 40 durch die Tauscherrohre 20 realisieren.
9 zeigt einen Schnitt durch einen Gehäusedeckel 60 im Bereich einer Bohrung, durch die das einlass- bzw. auslassseitige Ende 22/24 eines Tauscherrohrs 20 hindurchgeführt ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung, welche besondere Vorteile bei der Herstellung aufweist, weist das Tauscherrohr 20 an seinem einlass- bzw. auslassseitigen Ende 22/24 eine Auflagestruktur 27 auf, die eine mechanische Abstützung des Rohrendes gegenüber dem Gehäusedeckel 60 ausbildet. Diese Auflagestruktur kann beispielsweise aus einem oder mehreren punktförmigen Vorsprüngen ausgebildet sein, im Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist sie aber als umlaufender Wulst ausgeprägt. Das außenseitige Ende des Tauscherrohrs 20 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 9 umgebördelt, so dass sich insgesamt eine mechanische Abstützung des Tauscherrohrs 20 am Gehäusedeckel 60 aus der Kombination der Auflagestruktur 27 und dem umbördelten Ende ergibt. Diese Abstützung stellt eine wesentliche Vereinfachung bei der Fertigung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dar, da die Tauscherrohre 20 im Gehäusedeckel 60 bereits mechanisch vorfixiert sind. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche Fixierung der Tauscherrohre 20 am Gehäusedeckel 60 beispielsweise mittels Laserschweißpunkten während eines nachfolgenden Verlötens oder Verschweißens der Tauscherrohrenden mit dem Gehäusedeckel 60 verzichtet werden. Die in 9 dargestellten Strukturen können auf einfachste Weise in das Tauscherrohrende eingebracht werden, indem ein Tauscherrohr 20 mit gleichförmigen Innen- und Außendurchmesser durch die entsprechende Bohrung im Gehäusedeckel 60 hindurchgeführt wird. Nachfolgend wird dann unter Anwendung eines geeigneten Werkzeugs der umlaufende Wulst 27 sowie gleichzeitig der umgebördelte Rand erzeugt. Bei dem entsprechenden Werkzeug handelt es sich dabei beispielsweise um ein Rohrexpansionswerkzeug handeln.
Die Sequenz der 10a bis g zeigt schließlich eine beispielhafte Auswahl von Drallrohren, deren Strukturierung der Innenoberfläche dazu geeignet ist, einen im Inneren strömenden Abgasstrom zu Verwirbeln, insbesondere wenn der Strömungspfad, der sich in dem aus dem Drallrohr gefertigten, mindestens einen Tauscherrohr 20 des Wärmetauschers 1 ausbildet, einen Winkel α von mehr als 45°, insbesondere vom 180° einschließt. 10a gibt nochmals die Spiralstruktur gemäß 5 wieder, die eine konstante Steigung sowie eine konstante Strukturhöhe DT aufweist und in einem Rohr 20 mit über seine Länge konstantem Querschnitt ausgebildet ist.
10b zeigt ein Drallrohr mit zwei im Wesentlichen identischen, aber gegenläufigen Spiralstrukturen. Bis auf eine verringerte Steigung entspricht jede der beiden Spiralstrukturen dabei der aus 5 ersichtlichen Spiralstruktur. Auch ist der Querschnitt des Rohrs über seine gesamte Länge im Wesentlichen konstant.
10c zeigt ein Drallrohr, bei dem sich der der Querschnitt des Rohrs über seine Länge verjüngt/erweitert. Die Spiralstruktur selbst entspricht erneut im Wesentlichen der aus 5 ersichtlichen Struktur.
Im Gegensatz hierzu bleibt bei dem aus 10f ersichtlichen Drallrohr erneut der Querschnitt des Rohrs über seine gesamte Länge im Wesentlichen konstant, hingegen ändert sich die Steigung der Spiralstruktur über die Länge des Rohrs.
10d zeigt eine Alternative zu den Spiralstrukturen der anderen Strukturbeispiele, nämlich flächenhafte kreisförmige Vertiefungen in der Wandung des Rohrs, aus denen kreisförmige Erhebungen auf der Innenwandung der Rohrs resultieren. Anstelle flächenhafter kreisförmiger Vertiefungen können auch ringförmige Vertiefungen in der Wandung ausgebildet werden.
Auch die Verwirbelungsstruktur der 10e ist nicht spiralförmig, vielmehr ist die Rohrwandung in gleichbleibenden Abständen ringförmig deformiert, so dass sich auf der Innenwandung regelmäßige Einschnürungen ergeben. Hierbei können über die Länge des Rohrs auch die Tiefe der Einschnürungen und/oder deren Abstand variiert werden.
10g schließlich zeigt ein Drallrohr mit im Wesentlichen konstantem Querschnitt, in dessen Wandung eine Mehrzahl von identischen Spiralstrukturen mit konstanter Steigung und Strukturhöhe eingebracht ist.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die aus den 10a bis g ersichtlichen Verwirbelungsstrukturen nicht nur isoliert zum Einsatz kommen können, vielmehr können die dargestellten Strukturen im Rahmen des technisch Machbaren frei miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Strukturmerkmale der 10a bis c sowie f und g vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004019554 A1 [0004]
- DE 102005055482 A1 [0005]
- DE 102006009948 A1 [0006]
- DE 102006049106 A1 [0006]
- DE 10011954 A1 [0007]

Claims

Wärmetauscher (1) für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem separat ausgebildeten abgasführenden Tauscherrohr (20), das in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse (40) angeordnet ist, welches von einem Kühlmittel durchströmt wird, das das Tauscherrohr (20) außenseitig umströmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (40) zumindest einen Gehäusedeckel (60) und ein Mantelteil (50) ausbildet, wobei a. das Mantelteil (50) durch den Gehäusedeckel (60) dicht verschlossen wird, und b. beide Enden des Tauscherrohrs (20) gas- und flüssigkeitsdicht durch den Gehäusedeckel (60) hindurchgeführt sind, so dass der Einlass (22) und der Auslass (24) des Tauscherrohrs (20) außerhalb des Gehäuses (40) angeordnet sind.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (20) aus einem korrosionsbeständigen, hitzefesten und fle xiblen Werkstoff wie Edelstahl oder Aluminium besteht.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (60) aus einem Material derselben Materialgruppe (z. B. Edelstahl) wie das Tauscherrohr (20) besteht.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelteil (50) aus einem gussfähigen Werkstoff wie Aluminium, Magnesium, Grauguss oder Kunststoff besteht.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelteil (50) aus einem tiefziehfähigen Werkstoff wie Aluminium, Magnesium, Stahl oder thermoplastischen Kunststoff besteht.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelteil (50) als gegossenes Teil ausgebildet ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Mantelteil (50) und Gehäusedeckel (60) eine Dichtung (52) eingefügt ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (52) aus einem metallischen oder einem anderen elastischen Werkstoff besteht.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (60) und das Mantelteil (50) als separate Teile ausgebildet sind, die mittels mechanischer Haltemittel miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (60) eine Schnittstelle S für einen Anschluss des Wärmetauschers (1) an das Abgassystem des Kraftfahrzeugs ausbildet.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (20) zwischen den Punkten, an denen es durch den Gehäu sedeckel (60) hindurchgeführt ist, im Wesentlichen einstückig ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (20) zwischen den Punkten, an denen es durch den Gehäusedeckel (60) hindurchgeführt ist, im Wesentlichen U-förmig oder halbkreisförmig gebogen ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von im Gehäuse (40) angeordneten Tauscherrohren (20) vorgesehen ist, die ein strömungstechnisch parallel geschaltetes Bündel ausbilden.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungspfade der verschiedenen Tauscherrohre (20) zwischen ihren jeweiligen Ein- und Auslässen untereinander keine Berührung haben.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (20) als glattwandiges Rohr ausgebildet ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (20) als Drallrohr ausgebildet ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherrohr spiralig aufgeweitet oder vertieft ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Windungsabstand der Spiralstruktur (26) zwischen 1 und 15 Millimetern beträgt, bevorzugt zwischen 4 und 8 Millimetern.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe bzw. Tiefe der Spiralstruktur zwischen 1 und 20% des Außendurchmessers der Tauscherrohre beträgt, bevorzugt zwischen 2 und 14%.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (20) am Ort seiner Durchführung durch den Gehäusedeckel (60) mechanisch fest mit diesem verbunden ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a. der Wärmetauscher (1) einen Kühlmitteleinlass (62) und einen Kühlmittelauslass (64) ausbildet, und b. der Kühlmitteleinlass (62) und/oder der Kühlmittelauslass (64) im Gehäusedeckel (60) ausgebildet sind.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Tauscherrohr (20) ein Strömungspfad erstreckt, der zumindest innerhalb des Gehäuses (40) als gewundener Strömungspfad verläuft und dort einen Drehwinkel α von zumindest 135° einschließt, bevorzugt von 180°.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführungspunkte (66, 68), an denen das Tauscherrohr (20) einlassseitig und auslassseitig durch die Wandung des Gehäuses (40) hindurchgeführt ist, im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene E angeordnet sind, die eine Schnittstelle S für einen Anschluss des Wärmetauschers (1) an das Abgassystem des Kraftfahrzeugs ausbildet.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (22) und der Auslass (24) des Tauscherrohrs (20) im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene E' angeordnet sind, die eine Schnittstelle S für einen Anschluss des Wärmetauschers (1) an das Abgassystem des Kraftfahrzeugs ausbildet.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (20) einen Außendurchmesser D aufweist, der zwischen 1 und 15 Millimetern beträgt, bevorzugt zwischen 6 und 12 Millimetern.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen der Tauscherrohre (20) einen minimalen Abstand d voneinander aufweisen, der zwischen 0,5 und 5 Millimetern beträgt, bevorzugt zwischen 1 und 2 Millimetern.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20) so angeordnet sind, dass sie sich zumindest paarweise überkreuzen.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte M der Einlässe (22) und/oder der Auslässe (24) auf den Gitterpunkten eines orthogonalen oder hexagonalen Gitters liegen.