DE102008002430B4 - Abgaswärmetauscher mit schwingungsgedämpftem Tauscher-Rohrbündel - Google Patents
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Abstract
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 Abgasimmission von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Bezug auf die Immission von Stickoxyden, ist im Bereich der Verbrennungskraftmaschine 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 einen 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 Stickoxyden 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 Ansaugseite 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° 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 Tauschrohre 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 Tauschrohren 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 Gusteil 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, 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 angeordert sind, als separate Teile ausgebildet, die im Rahmen des Herstellungsprozesses zusammengefügt werden. - Bei dem aus der
DE 10 2006 009 948 A1 zur 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 Zusammenführung einzelner beispielsweise tiefgezogener Platten zu einem Plattenwärmetauscher. Ein ähnliches Konzept wird auch in derDE 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. - Die
DE 10 2005 041 150 A1 beschreibt eine Wärmeübertragereinrichtung, wobei ein Ventilgehäuse einen Bypassausgang aufweist, durch den in Abhängigkeit von der Stellung einer Ventilscheibe, die verdrehbar in dem Ventilgehäuse aufgenommen ist, ein mehr oder weniger großer Fluidstrom an dem Wärmeübertrager vorbei geleitet wird. - Die
WO 2007/047603 A1 - Die
DE 2 735 618 A1 beschreibt einen Wärmetauscher mit einem U-Rohr, wobei der Wärmetauscher eine Halterung für das U-Rohr aufweist. Jeder Rohrschenkel ist an einer Stelle derart verankert, dass eine Bewegung der Stellen relativ zueinander in Längsrichtung der Rohrschenkel während eines Temperaturwechsels verhindert wird. - Die
US 3,144,081 offenbart einen Wärmetauscher, der ein Bündel U-förmiger Tauscherrohre umfasst, welches in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet ist, welches eine U-Form ausbildet. Die Rohre des Tauscherrohrbündels sind mittels bandförmiger Verbindungsmittel miteinander verbunden. Weiterhin ist an einem Zentralrohr ein Abstützmittel angeordnet, welches eine Vielzahl von sich im Wesentlichen in Radialrichtung erstreckenden bandförmigen Auslegern ausbildet, deren Enden an der Innenfläche des zylindrischen Gehäuses anliegen, so dass sich das Zentralrohr sowie wie mit ihm mechanisch verbundenen weiteren Tauscherrohre über das Abstützmittel am Gehäuse abstützen. Die erforderliche hohe Präzision des Abstützmittels führt zu einer aufwendigen Herstellung und damit zu erhöhten Herstellungskosten. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs anzugeben, welcher ein Bündel separat ausgebildeter Tauscherrohre aufweist, welcher ein verbessertes NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) aufweist.
- Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
- Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher ist für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Er weist ein Bündel separat ausgebildeter Strömungstechnisch parallel geschalteter abgasführende Tauscherrohre auf. Diese sind in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse angeordnet, welches von einem Kühlmittel durchströmt wird. Das Kühlmittel umströmt die Tauscherrohre außenseitig. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein mechanisches Mittel vorgesehen ist, über das sich Tauscherrohre aneinander abstützen, wobei das mechanische Mittel das Bündel von Tauscherrohren mechanisch miteinander verbindet und die Tauscherrohre gegenüber dem Gehäuse abstützt. Weiterhin bildet das mechanische Mittel eine federnde Abstützung aus, so dass sich eine federnde Abstützung der Tauscherrohre gegenüber dem Gehäuse ergibt. Dabei ist das mechanische Mittel bevorzugt separat vom Gehäuse des Wärmetauschers ausgebildet. Bevorzugt ist das mechanische Mittel in einem Bereich des Gehäuses angeordnet, in dem bei Fehlen des mechanischen Mittels im Betrieb des Kraftfahrzeugs hohe Schwingungsamplituden der abgasführenden Tauscherrohre auftreten würden.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Bandage für das Bündel von Wärmetauscherrohren vorgesehen, die außenseitig am Bündel angeordnet ist. Weiterhin verbindet die Bandage eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren mechanisch fest miteinander, so dass eine Vibration zumindest der außenliegenden Rohre des Bündels von Tauscherrohren durch die Bandage sicher unterdrückt wird.
- In einer weiterentwickelten Ausgestaltung bildet die Bandage weiterhin eine mechanische Abstützung für die durch die Bandage miteinander verbundenen Wärmetauscherrohre gegenüber dem Gehäuse aus. Auf diese Weise verhindert die Bandage nicht nur Relativschwingungen der Tauscherrohre des Bündels gegeneinander, sondern auch Kollektivschwingungen des Bündels insgesamt gegenüber dem das Bündel umgebende Gehäuse.
- Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Abstützung federnd ausgebildet ist, so dass sich insgesamt eine federnde Abstützung des Bündels von Wärmetauscherrohren gegenüber dem Gehäuse des Wärmetauschers ergibt.
- In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist die Bandage so ausgeführt, dass sie das Bündel der Tauscherrohre zumindest teilweise, bevorzugt, aber vollständig umgreift.
- In einer weiteren verbesserten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist im Gehäuse des Wärmetauschers innerhalb des Rohrbündels ein Leitblech für die Strömungsführung des Kühlmittels im Gehäuse angeordnet. Vorteile bezüglich des NVH-Verhalten ergeben sich, wenn dieses Leidbleche mit einer Mehrzahl von Tauscherrohren mechanisch verbunden ist, beispielsweise mittels verlöten oder verschweißen. In der Regel wird das Leitblech hier mit den unmittelbar an das Leitblech angrenzenden Tauscherrohren verbunden. Vorteilhaft ist dabei das Leitblech nicht nur mit einer Mehrzahl verbunden, sondern auch mechanisch fest mit dem Gehäuse des Wärmetauschers verbunden, hier insbesondere mit einem Gehäuseabschnitt wie beispielsweise einem Deckelteil.
- Die besondere schwingungsreduzierte Ausführung des Wärmetauscherbündels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist besonders dann von Vorteil, wenn die Einlässe und die Auslässe der Tauschrohre außerhalb des Gehäuses des Wärmetauschers angeordnet sind und sich in den Tauscherrohren innerhalb des Gehäuses ein gewundener Strömungspfad erstreckt, der ein Drehwinkel von zumindest 135° einschließt, bevorzugt aber von 180°. In einer solch u-förmigen oder halbkreisförmigen Konfiguration der Tauscherrohre sind die Tauscherrohre in der Regel nur an ihren Durchführungspunkten durch die Wandung des Wärmetauschergehäuses mechanisch abgestützt und bilden daher ein sehr gut schwingungsfähiges System aus. Diese Schwingungsfähigkeit wird stark herabgesetzt durch die erfindungsgemäß vorgesehene Bandage, welche das Rohrbündel umgreift. Sie wird weiter herabgesetzt durch das vorstehend bereits erwähnte Leitblech, welches ebenfalls mit einer Mehrzahl von Tauscherrohren verbunden ist.
- Die Schwingungsfähigkeit des Bündels aus Tauscherrohren kann weiter herabgesetzt werden, wenn innerhalb des Bündels ein Versteifungselement angeordnet wird, welches eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren mechanisch fest miteinander verbindet. Ein solches Versteifungselement kann beispielsweise aus einem geeignet geformten Metallstreifen bestehen, welcher mittels verlöten oder verschweißen mit den Tauscherrohren verbunden wird. Durch entsprechende Profilierung des Metallstreifens beispielsweise in Form eines V- oder U-Profil kann der Metallstreifen mit der erforderlichen Steifigkeit ausgestattet werden.
- Bevorzugt werden die Tauscherrohre im erfindungsgemäßen Wärmetauscher zumindest zwischen den Punkten an denen sie durch die Wandung des Gehäuses des Wärmetauschers hindurchgeführt sind, einstückig ausgebildet und bestehen aus einem korrosions- und hitzebeständigen Material wie Edelstahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Um einen möglichst guten Wärmeübertritt vom in den Tauscherrohren geführten Eisenverbrennungsabgas und dem die Tauscherrohre außenseitig umspülenden Kühlmittel zu erzielen, sind die Tauscherrohre mit möglichst geringer Wandstärke ausgestattet, wodurch sich allerdings ihre Schwingungsfähigkeit erhöht. Der thermische Wirkungsgrad kann weiter erhöht werden, wenn für eine intensive Verwirbelung des in den Tauscherrohren geführten Abgases gesorgt wird, hierzu kann eine Spiralstruktur auf den Innenflächen der Tauscherrohre ausgebildet werden. Auf besonders effiziente Weise lässt sich eine solche Spiralstruktur mittels prägen der Wandung der jeweiligen Tauscherrohre erzeugen, hierdurch wird jedoch die Steifigkeit der Tauscherrohre nochmals reduziert, wodurch sich nochmals die Schwingungsfähigkeit des Tauscherrohrbündels erhöht. Insbesondere in diesem Zusammenhang sind die vorstehend erwähnten schwingungsreduzierenden Maßnahmen am Tauscherrohrbündel vorteilhaft.
- Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. In dieser Zeigen:
-
1 : eine Explosionszeichnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers, -
2 : eine Aufsicht auf die Montageschnittstelle F 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 gemäß1 , -
5 : einen Schnitt durch das in4 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 S, in der die Ein- und Auslassöffnungen of Gitterplätzen eines orthogonalen Gitters angeordnet sind, -
8 : eine Aufsicht auf die von einem Gehäusedeckel ausgebildete Schnittestelle S, in der die Ein- und Auslassöffnungen of Gitterplätzen eines hexagonalen Gitters angeordnet sind, und -
9 : einen Schnitt durch eine Einlass-/Auslassöffnung eines Tauscherrohrs im Bereich eines Gehäusedeckels. -
10 : eine Explosionsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Abgaswärmetauschers mit schwingungsgedämpften Tauscherrohrbündel, -
11 : eine Aufsicht auf das montierte Tauscherrohrbündel aus10 , -
12 : eine Explosionsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Abgaswärmetauschers mit schwingungsgedämpften Tauscherrohrbündel, -
13 : eine Aufsicht auf das montierte Tauscherrohrbündel aus12 , -
14 : ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers mit schwingungsgedämpften Tauscherrohrbündel in einer Explosionsdarstellung, -
15 : eine perspektivische Darstellung eines im Abgaswärmetauscher gemäß14 eingesetzten schwingungsdämpfenden Federelements, -
16 : das Tauscherrohrbündel des Ausführungsbeispiels gemäß14 in montiertem Zustand in einer perspektivischen Darstellung, -
17 : das Tauscherrohrbündel aus16 in Aufsicht, -
18 : das Tauscherrohrbündel eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in Explosionsdarstellung, -
19 : das Tauscherrohrbündel aus18 in einer weiteren Explosionsdarstellung, -
20 : das Tauscherrohrbündel aus18 in montiertem Zustand in Aufsicht, -
21 : einen Schnitt durch das außenliegende Tauscherrohrbündel in19 entlang der Ebene C-C, und -
22a , b, c: verschiedene Versteifungselemente gemäß21 . -
1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels. Der Wärmetauscher1 umfasst ein Gehäuse40 , welches aus einem Mantelteil50 besteht, welches mittels eines Gehäusedeckels60 verschlossen wird. Das Mantelteil50 ist als Gussteil ausgebildet und kann insbesondere aus Aluminiumdruckguss bestehen. Alternativ ist eine Herstellung des Mantelteils50 im gezeigten Ausführungsbeispiel aus jedem Werkstoff möglich, welcher einerseits im Gussverfahren verarbeitet werden kann und andererseits eine ausreichende thermische Stabilität aufweist. Da aber das Mantelteil50 des erfindungsgemäßen Wärmetauschers1 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 Materialien für das Mantelteil haben sich Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen, Grauguss oder auch hitzebeständige und spritzgussfähige Kunststoffe erwiesen. - Vorderseitig bildet das Mantelteil einen Flansch
59 für eine Verbindung mit einem Gehäusedeckel60 aus. Der Gehäusedeckel60 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer gestanzten Edelstahlplatte mit einer Stärke von wenigen Millimetern, bevorzugt von etwa 2 mm. Das Mantelteil50 wird mit dem Gehäuseteil60 flüssigkeits- und gasdicht verbunden unter Zwischenfügung einer Dichtung52 , welche im gezeigten Ausführungsbeispiel als Metalldickendichtung ausgebildet ist. Der Gehäusedeckel60 wird dabei mit dem Flansch59 des Mantelteils50 mittels Schrauben54 verschraubt, hierzu bildet das Mantelteil50 eine Mehrzahl von großen Gewindebohrungen55 aus. Der Gehäusedeckel60 weist an den korrespondierenden Positionen Durchgangsbohrungen65 mit großem Durchmesser auf, durch die passend dimensionierte Schrauben54 hindurchgeführt und in die Gewindebohrungen55 eingeführt werden, so dass der Gehäusedeckel60 mit dem Mantelteil50 verschraubt werden kann. - Das Mantelteil
50 bildet einen Innenraum42 aus, der dazu vorgesehen ist, ein Bündel von U-förmig gebogenen Tauscherrohren20 in sich aufzunehmen. Dabei sind die Tauscherrohre20 von ihren Rohrdimensionen wie Innen- und Außendurchmesser identisch, jedoch variiert die Öffnungsweite W des U-förmigen Profils. Die Formgebung des Innenraums42 und damit auch des Mantelteils50 ist aber insgesamt an die Formgebung des Bündels von Tauscherrohren20 angepasst, so dass sich eine möglichst effektive Raumnutzung des Innenraums42 durch das Bündel der Tauscherrohre20 ergibt. - Die Tauscherrohre
20 bilden an ihren jeweiligen Enden jeweils einen Einlass22 und einen Auslass24 aus. Die Enden der Tauscherrohre20 sind dabei in korrespondierende Bohrungen im Gehäusedeckel60 hindurchgeführt, die Durchführungspunkte66 ,68 für die Einlässe bzw. die Auslässe der Tauscherrohre20 ausbilden. Die Ein- und Auslässe22 ,24 der Tauscherrohre20 sind dabei durch die im Gehäusedeckel60 ausgebildeten Bohrungen hindurchgeführt, die Tauscherrohre20 sind an den Durchführungspunkten66 ,68 gas- und flüssigkeitsdicht mit dem Gehäusedeckel60 verbunden, beispielsweise mittels Verlöten oder Verschweißen. Hierdurch ergibt sich eine mechanische Abstützung der Tauscherrohre20 am Gehäusedeckel60 . - In einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Tauscherrohre
20 aus dünnwandigen Edelstahlrohren, dabei sind die Tauscherrohre20 mit einer geprägten Struktur versehen, so dass sich von der Innenoberfläche der Tauscherrohre20 eine Spiralstruktur26 erhebt. Das Bündel der Tauscherrohre20 ist dabei so angeordnet, dass alle Einlässe22 und alle Auslässe24 jeweils in einer zusammenhängenden Gruppe angeordnet sind, so dass ein Anschluss des erfindungsgemäßen Wärmetauschers1 an das Abgassystem des Kraftfahrzeugs auf einfache Weise möglich ist. Hierzu bildet die Vorderseite des Gehäusedeckels60 eine Montageschnittstelle S aus, die aufgrund der planen Ausführung des Gehäusedeckels60 im Wesentlichen flanschartig ausgestaltet ist. Zur Montage des Wärmetauschers1 am Kraftfahrzeug sind im Mantelteil50 weitere Gewindebohrungen53 ausgebildet, die einen gegenüber den Gewindebohrungen55 verringerten Innendurchmesser aufweisen. In der Metallsickendichtung52 sowie in dem Gehäusedeckel60 sind korrespondierende Durchgangsbohrungen63 ausgebildet. Herüber kann der Wärmetauscher1 über eine Mehrzahl von in1 nicht dargestellten Schrauben mit dem Abgas- und Kühlmittelsystem des Kraftfahrzeugs verbunden werden. - Das Mantelteil
50 bildet neben dem Innenraum42 , in dem das Bündel der Tauscherrohre20 nicht angeordnet ist, einen Einlasskanal56 und Auslasskanal58 für ein Kühlmittel aus, bei dem es sich beispielsweise um Kühlflüssigkeit des Kraftfahrzeugs handeln kann. Der Einlasskanal56 und Auslasskanal58 sind dabei so angeordnet, dass sich im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers1 ein von oben nach unten (in1 ) erstreckender Strömungspfad durch den Innenraum42 des Mantelteils50 ergibt, so dass das Bündel der Tauscherrohre intensiv vom Kühlmittel umspült wird. Um eine möglichst intensive Wechselwirkung des Kühlmittels mit der Oberfläche der abgasführenden Tauscherrohre20 zu verwirklichen, ist es weiterhin innerhalb der Schenkel der U-förmig gestalteten Tauscherrohre20 ein Leitblech36 angeordnet, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum bevorzugt aus Edelstahl besteht und stumpf mit dem ebenfalls aus Edelstahl bestehenden Gehäusedeckels60 verschweißt oder verlötet ist. Das Leitblech36 verlängert den Strömungspfad des Kühlmittels im Innenraum42 des Gehäuses40 und sorgt somit für einen intensiveren thermischen Austausch zwischen dem in den Tauscherrohre20 strömenden Abgas und dem in Innenraum42 strömenden Abgas. - Der im Mantelteil
50 ausgebildeter Einlasskanal56 sowie der Auslasskanal58 enden ebenfalls im vom Mantelteil50 ausgebildeten Flansch59 , wobei an den Enden der Kanäle56 und58 Stege57 ausgebildet sind, welche eine mechanische Abstützung für die auf dem Flansch59 aufliegende Metallsickendichtung52 ausbilden. Diese bildet ebenfalls Durchlässe für das den Wärmetauscher1 durchströmende Kühlmittel aus, welche mit den im Gehäusedeckel60 ausgebildeten Kühlmitteleinlass62 und Kühlmittelauslass64 korrespondieren. Im zusammengefügten Wärmetauscher1 kann daher über die Vorderseite des Gehäusedeckels60 sowohl Kühlmittel über den Kühlmitteleinlass62 zugeführt als auch über den Kühlmittelauslass64 abgeführt werden als auch das zu kühlende Verbrennungsabgas über die Einlässe22 der Tauscherrohre20 zugeführt und über die Auslässe24 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 des Wärmetauschers1 in einer geringfügig abgewandelten Ausführungsform zeigt. Deutlich zu erkennen sind die im Gehäusedeckel60 ausgebildete Kühlmitteleinlass62 sowie der Kühlmittelauslass64 . Die Mehrzahl der Einlässe22 sowie Auslässe24 der Tauscherrohre20 ist hingegen der Darstellung gemäß2 durch Gitterstrukturen23 abgedeckt, die Anordnung der Einlässe22 sowie Auslässe24 im Gehäusedeckel60 entspricht aber im Wesentlichen der in1 dargestellten Konfiguration. Ansonsten unterscheidet sich der Wärmetauscher gemäß der Darstellung von2 im Wesentlichen durch die veränderte Anordnung von Befestigungspunkten51 am Mantelteil50 , wobei diese Befestigungspunkte51 einer Befestigung des Wärmetauschers1 an Montagestrukturen des Kraftfahrzeugs dienen. -
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Bündels von Tauscherrohren20 eines Wärmetauschers1 in einer dritten Ausgestaltung. Gegenüber dem Wärmetauscher1 gemäß1 unterscheidet sich das hier gezeigte Bündel von Tauscherrohren20 im Wesentlichen dadurch, dass es sich bei den Tauscherrohren20 um glatte, nahtlos gezogene dünnwandige Edelstahlrohre handelt, die keine Spiralstruktur26 aufweisen, wie sie in1 dargestellt ist. Darüber hinaus sind die Tauscherrohre20 so angeordnet, dass sie sich jeweils paarweise überkreuzen, was an den Umkehrpunkten der U-förmig ausgebildeten Tauscherrohre20 in3 sichtbar wird. Aus1 wird weiterhin sichtbar, mittels technischer Maßnahmen unerwünschte Schwingungen des Bündels von Tauscherrohren20 im Innenraum42 des Gehäuses40 verhindert werden. So ist einerseits das Leitblech36 , welches mechanisch starr mit dem Gehäusedeckel60 verbunden ist und welches innerhalb des Bündels von Tauscherrohren20 angeordnet ist, an seiner umgebogenen Spitze mechanisch fest mit den benachbart angeordneten Tauscherrohren20 verbunden, beispielsweise mittels Verlöten oder Verschweißen. Das Leitblech36 stellt damit eine mechanische Versteifung für die innenliegenden Tauscherrohre20 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 Tauscherrohre20 vollständig und ist an den Berührungspunkten mit den benachbarten Tauscherrohren20 mechanisch fest verbunden, beispielsweise mittels verlöten oder verschweißen. Durch die das Tauscherrohrbündel umgreifende Anordnung verhindert die Bandage30 Relativschwingungen der außenliegenden Tauscherrohre20 zueinander. Darüber hinaus bildet die Bandage30 integral ausgebildete Abstützungen32 aus, welche aus abgewinkelten Vorsprüngen bestehen. Diese Abstützungen32 stellen eine federnde Abstützung des gesamten Tauscherrohrbündels gegenüber der Innenwandung des Gehäuses40 dar. - Schließlich sind innerhalb des Bündels von Tauscherrohren
20 Versteifungselemente34 angeordnet, welche ebenfalls aus gestanzten Edelstahlblechstreifen bestehen. Diese Versteifungselemente34 stellen eine mechanisch starre Abstützung der Tauscherrohre20 des Tauscherrohrbündels dar, sie sind hierzu mechanisch fest mit den Tauscherrohren20 verbunden, beispielsweise mittels Verschweißen oder Verlöten. - Es sei darauf hingewiesen, dass auf die mechanisch feste Verbindung der Bandage
30 bzw. der Versteifungselemente34 mit den einzelnen Tauscherrohren20 in Einzelfällen verzichtet werden kann, ggf. kann der bloße Formschluss zwischen Tauscherrohrbündel und Bandage30 bzw. Versteifungselement34 bereits für eine ausreichende Abstützung des Tauscherrohrbündels und für ein ausreichend festen Sitz der Bandage30 bzw. der Versteifungselemente34 am Tauscherrohrbündel sorgen. -
4 zeigt nun eine Aufsicht auf ein einzelnes Tauscherrohr20 des Wärmetauschers1 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels. Das Tauscherrohr20 weist eine mit L bezeichnete freie Länge auf, die je nach Dimensionierung des Wärmetauschers1 im Bereich zwischen zwei und 30 cm liegen kann, wobei für eine Verwendung in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmaschine geringerer Leistung 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 einen 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. Die aus4 sowie5 , welche einen perspektivisch dargestellten Schnitt durch das Tauscherrohr20 der4 darstellt, ersichtlich ist, sind bei einer Verbindung von Edelstahl Werte im Bereich von 0,1 bis 1 mm geeignet, abhängig insbesondere auch von der Länge L des Tauscherrohrs im spezifischen Wärmetauscher1 . Bevorzugt liegt die Wandstärke WS der Tauscherrohre20 im Bereich von 0,3 bis 0,6 mm. - Für den Abstand W der Schenkel der U-förmig geformten Tauscherrohre
20 hat es sich herausgestellt, dass dieser bevorzugt größer oder gleich dem Zweifachen des Außendurchmessers D des Tauscherrohrs20 beträgt. Insbesondere gilt
W ist größer gleich 2,2 × D, wobei sich herausgestellt hat, dass die Schenkelweite W, die unmittelbar mit dem Biegeradius des U-förmig gebogenen Tauscherrohrs20 korreliert ist über W = RR, wenn als Tauscherrohr20 ein mit einer durchgehenden Spiralstruktur26 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 Gehäuses40 günstig und aufgrund des in einem Kraftfahrzeug nur sehr begrenze 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 einem besonders intensiven Wärmeübertrag vom Abgas auf die Wandung des Tauscherrohrs erzielt wird, wenn das Tauscherrohr eine Spiralstruktur26 zumindest auf seiner Innenwandung aufweist. Der Windungsabstand DS der Spiralstruktur26 beträgt dabei vorteilhaft zwischen 1 und 15 mm, bevorzugt wird ein Bereich zwischen 4 und 8 mm. Der hiermit einhergehende Steigungswinkel wird in4 mit DW bezeichnet. Die Höhe DT der sich auf der Innenwandung des Tauscherrohrs20 erhebenden Spiralstruktur26 beträgt vorteilhaft zwischen 1 und 20% des Außendurchmessers D des jeweiligen Tauscherrohrs20 , bevorzugt wird hier ein Bereich zwischen 4 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 Tauscherrohre20 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 Tauscherrohr20 nicht nur auf der Innenoberfläche des Tauscherrohrs20 ausgebildet. Vielmehr wird die Spiralstruktur26 durch spiraliges Prägen der Außenfläche des Tauscherrohrs20 erzeugt, wobei die eingeprägte Spiralstruktur26 von der Innenoberfläche des Tauscherrohrs20 erhebt. -
6 zeigt schematisch den Drehwinkel Alpha, der von dem sich im Tauscherrohr20 ausbildenden Strömungspfad umschlossen wird. In den bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers1 beträgt dieser Drehwinkel Alpha 180°, d. h. die Stromrichtung des aus dem Innenraum42 des Wärmetauschers1 austretenden Abgasstrom ist um 180° der Stromrichtung des eintretenden Abgasstroms entgegengesetzt. In anderen Konfigurationen kann der Drehwinkel Alpha aber auch kleiner als 180° sein, bevorzugt wird allgemein ein Winkelbereich zwischen 135° und 225°. Die Verwendung von Tauscherrohren20 , die an ihrer Innenoberfläche eine Spiralstruktur26 ausbilden, hat sich aber bereits bei Drehwinkel Alpha von 45° als Wirkungsgrad erhöht erwiesen. -
7 zeigt nochmals schematisch eine Aufsicht auf die Einlässe22 und die Auslässe24 mit einer Mehrzahl von Tauscherrohren20 , die als Tauscherrohrbündel im Innenraum42 eines Wärmetauschergehäuses40 angeordnet sind. Man erkennt, dass sowohl die Einlässe22 als auch die Auslässe24 auf den Gitterpunkten eines orthogonalen Gitters angeordnet sind. - Eine noch effizientere Raumnutzung ergibt sich in der Anordnung der Einlässe
22 bzw. Auslässe24 gemäß8 . Hier sind die Einlässe22 bzw. Auslässe24 auf Gitterpunkten eines hexagonalen Gitters angeordnet, das bedeutet jeder Einlass22 bzw. jeder Auslass24 ist von sechs benachbarten Einlässen22 bzw. Auslässen24 umgeben. In dieser Konfiguration lässt sich die höchstmögliche Raumerfüllung im Innenraum42 des Gehäuses40 durch die Tauscherrohre20 realisieren. -
9 zeigt einen Schnitt durch einen Gehäusedeckel60 im Bereich einer Bohrung, durch die das einlass- bzw. auslassseitige Ende eines Tauscherrohrs20 hindurchgeführt ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung, welche besondere Vorteile bei der Herstellung aufweist, weist das Tauscherrohr20 an seinem einlass- bzw. auslassseitigen Ende eine Auflagestruktur27 auf, die eine mechanische Abstützung des Rohrendes gegenüber dem Gehäusedeckel60 ausbildet. Diese Auflagestruktur kann beispielsweise aus einem oder mehreren punktförmigen Vorsprüngen ausgebildet sein, im Ausführungsbeispiel gemäß4 ist sie aber als umlaufender Wulst ausgeprägt. Das außenseitige Ende des Tauscherrohrs20 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß9 umgebördelt, so dass sich insgesamt eine mechanische Abstützung des Tauscherrohrs20 am Gehäusedeckel60 aus der Kombination der Auflagestruktur27 und dem umbördelten Ende ergibt. Dieser sich aufgrund der strukturellen Eigenschaften des Rohrendes des Tauscherrohrs20 ergibt, stellt eine wesentliche Vereinfachung bei der Fertigung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dar, da die Tauscherrohre20 im Gehäusedeckel60 bereits mechanisch vorfixiert sind. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche Fixierung der Tauscherrohre20 am Gehäusedeckel60 beispielsweise mittels Laserschweißpunkten während eines nachfolgenden Verlötens oder Verschweißens der Tauscherrohrenden mit dem Gehäusedeckel60 verzichtet werden. Die in9 dargestellten Strukturen können auf einfachste Weise in das Tauscherrohrende eingebracht werden, in dem ein Tauscherrohr20 mit gleichförmigen Innen- und Außendurchmesser durch die entsprechende Bohrung im Gehäusedeckel60 hindurchgeführt wird. Nachfolgend wird dann unter Anwendung eines geeigneten Werkzeugs der umlaufende Wulst27 sowie gleichzeitig der umgebördelte Rand erzeugt. Bei dem entsprechenden Werkzeug handelt es sich dabei beispielsweise um ein Rohrexpansionswerkzeug handeln. -
10 zeigt das Tauscherrohrbündel eines weiteren, jedoch nicht zur Erfindung gehörenden Abgaswärmetauschers1 , dessen Aufbau im Wesentlichen demjenigen des aus3 ersichtlichen Tauscherrohrbündels entspricht, wobei verschiedene schwingungsdämpfende Maßnahmen ergriffen wurden. So ist am innenliegenden Ende, d. h. im Bereich der U-förmigen Umlenkung der Tauscherrohre20 , ein Gitterblech70 auf die Tauscherrohre20 aufgeschoben. Aus11 , welche den montierten Zustand des Tauscherrohrbündels zeigt, ist ersichtlich, dass bis auf die beiden innenliegenden Tauscherrohre20 sämtliche Tauscherrohre20 von dem Gitterblech70 erfasst und damit mechanisch abgestützt werden. Das Gitterblech70 kann bei der Montage des erfindungsgemäßen Wärmetauschers1 auf die Tauscherrohre20 aufgeschoben werden. Es kann darüber hinaus noch mittels weiterer Maßnahmen wie beispielsweise Verlöten mit einzelnen oder mehreren Tauscherrohren20 auf dem Tauscherrohrbündel mechanisch fixiert werden. Das Gitterblech70 ist dabei als Stanzteil aus einem Metallblech hergestellt, dessen Stärke bevorzugt zwischen 0,5 und 2 mm beträgt. Da es in den meisten Fällen nicht vom hochkorrosiven Abgas, sondern nur vom Kühlmittel umströmt wird, kann es beispielsweise aus Aluminium, bevorzugt aber aus einem nichtrostenden Stahlblech bestehen. - Wie aus
10 weiterhin ersichtlich ist, ist zwischen die beiden Schenkel der zu innerst liegenden Tauscherrohre20 , die sich darüber hinaus im Bereich der U-förmigen Umlenkung überkreuzen, ein Leitblech36 eingefügt, welches mechanisch fest mit dem Gehäusedeckel60 verbunden ist, beispielsweise mittels Verlöten oder Punktschweißen. An seinem vom Gehäusedeckel60 abgewandten Ende weist das Leitblech36 eine U-förmige Falzung auf, deren Öffnungsweite im Wesentlichen der Öffnungsweite der U-Schenkel der zu innerst liegenden U-förmigen Tauscherrohre20 entspricht, bevorzugt etwas größer dimensioniert ist. Der Falz weist eine gewisse Federwirkung auf, so dass das Leitblech36 zwischen die Schenkel der Tauscherrohre20 eingeschoben werden kann und sich eine mechanische Abstützung der zu innerst liegenden Tauscherrohre20 an dem Falz des Leitblechs36 ausbildet. Neben dieser kraftschlüssigen mechanischen Verbindung zwischen Leitblech36 und den zu innerst liegenden Tauscherrohren20 kann darüber hinaus noch eine stoffschlüssige Verbindung beispielsweise mittels Verlöten hergestellt werden. -
12 zeigt nun das Tauscherrohrbündel eines weiteren erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers in einer Explosionsdarstellung, wobei dieses Tauscherrohrbündel in seinem Aufbau im Wesentlichen dem aus der10 ersichtlichen Tauscherrohrbündel entspricht. Es wird daher im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen. So ist das Gitterblech70 in diesem Ausführungsbeispiel verkleinert, so dass es nicht mehr die beiden außenliegenden Tauscherrohrlagen übergreift, wie dies insbesondere aus13 ersichtlich ist. Weiterhin ist aus13 ersichtlich, dass die Formgebung des Gitterblechs70 so gewählt wurde, dass es der Innenkontur der zweitäußersten Tauscherrohrlage20 folgt, wodurch sich ein Klemmsitz des Gitterblechs70 ergibt. - Um Vibrationen der beiden außenliegenden Tauscherrohrlagen zu verhindern, ist zwischen diese beiden Tauscherrohrlagen im Bereich der U-förmigen Umlenkung ein separates Versteifungselement
34 bestehend aus einem vielfach gewinkelten Blechstreifen eingefügt, welches im einfachsten Fall während der Montage zwischen die beiden Tauscherrohrlagen eingelegt wird. In einer verbesserten Ausgestaltung ist das Versteifungselement darüber hinaus mit den beiden Tauscherrohrlagen mechanisch verbunden, beispielsweise mittels Verlöten. - Weiterhin ist das Leitblech
36 gegenüber der Ausgestaltung nach10 verändert, wie beispielsweise aus den12 und13 ersichtlich ist. So bildet das Leitblech36 drei Abstandselemente37 aus, die beispielsweise mittels Prägung des Leitblechs36 ausgebildet wurden und die sich von gegenüberliegenden Oberflächen des Leitblechs36 erheben, wie aus13 deutlich wird. Aus13 ist ebenfalls ersichtlich, dass die Abstandselemente37 so dimensioniert sind, dass das Leitblech36 beim Einschieben zwischen die beiden zu innerst liegenden Tauscherrohrlagen dort mit den Abstandselementen37 zur Anlage gelangt. Auch hier kann zusätzlich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Abstandselementen37 des Leitblechs36 und den zu innerst liegenden Tauscherrohrlagen vorgesehen werden, beispielsweise mittels Verlöten.14 zeigt das Tauscherrohrbündel eines weiteren erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers1 , dessen Aufbau wiederum im Wesentlichen dem aus3 ersichtlichen entspricht. Gegenüber3 unterscheidet sich das Tauscherrohrbündel gemäß14 einerseits durch das in die innerste Tauscherrohrlage eingefügte Leitblech36 , wobei hier die innerste Lage nicht aus sich wechselseitig überkreuzenden Tauscherrohren20 besteht. Hier ergibt sich eine mechanische Abstützung der innersten Tauscherrohrlage20 am Leitblech36 , welches mechanisch fest mit dem Gehäusedeckel60 verbunden ist, über das innenliegende Ende des Leitblechs36 , welches kreisabschnittsförmig abgewinkelt ist. Hierdurch bildet sich ein federndes Ende des Leitblechs36 aus, welches in mechanischen Kontakt mit den U-förmigen Umlenkbereichen der innersten Tauscherrohrlage gelangt. - Weiterhin ist zwischen die einzelnen Tauscherrohrlagen im U-formigen Umlenkbereich jeweils ein separates Federelement
72 eingefügt, welches aus15 nochmals im Detail ersichtlich ist. Dieses Federelement72 besteht aus einem federnden Blech, beispielsweise aus einem nichtrostenden Stahl, wobei ein Schlitz74 vorgesehen ist, um eine Federwirkung zu erzielen. Die Formgebung des Federelements72 folgt stark der Lagenstruktur der Tauscherrohre20 , so dass in dem aus16 ersichtlichen gebrauchsfertigen Tauscherrohrbündel die Federelemente72 den Abstand der benachbarten Tauscherrohre20 sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung bestimmen. Dabei kann sich ein einfacher Formschluss zwischen den Tauscherrohren20 und den Federelementen72 ergeben, darüber hinaus können aber auch die Federelemente72 stoffschlüssig mit den angrenzenden Tauscherrohrlagen20 beispielsweise mittels Verlöten verbunden sein. Aufgrund seiner geometrischen Struktur weist das Federelement72 eine Federwirkung nicht nur quer zu seiner Längsachse auf. Vielmehr weist es auch eine gewisse Federwirkung in Richtung seiner Längsachse auf. Bei entsprechender Dimensionierung der Federelemente72 können diese zusätzlich mit ihren außenliegenden Köpfen zur Anlage an die Innenfläche des Mantelteils50 des Abgaswärmetauschers1 gelangen und auf diese Weise eine weitere mechanische Abstützung des gesamten Tauscherrohrbündels am Mantelteil50 bereitstellen. -
17 zeigt schließlich nochmals eine Aufsicht auf das Tauscherrohrbündel aus16 , wobei aus dieser Darstellung die regelmäßige Anordnung des im Federelement72 vorgesehenen Schlitzes74 deutlich sichtbar wird.18 zeigt schließlich das Tauscherrohrbündel eines letzten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers1 , wiederum in einer Explosionsdarstellung. Auch hier entspricht der Aufbau des Tauscherrohrbündels im Wesentlichen demjenigen, der aus3 ersichtlich ist, so dass wiederum nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Auch hier ist – wie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen – zwischen die Schenkel der innersten Tauscherrohrlage ein Leitblech36 eingebracht, welches stoffschlüssig mit dem Gehäusedeckel60 verbunden ist (in20 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Weiterhin ist zwischen die einzelnen Lagen der Tauscherrohre20 eine Vielzahl von Versteifungselementen34 eingebracht, die jeweils aus einem vielfach abgewinkelten Blechstreifen bestehen und im Wesentlichen der Anordnung der Tauscherrohre20 im Innenraum42 des Wärmetauschers1 folgen. Über die Versteifungselemente34 stützen sich sowohl jeweils in horizontaler als auch in vertikaler Richtung benachbart angeordnete Tauscherrohre20 aneinander ab. Dabei können die Versteifungselemente34 durch einen Formschluss mit den Tauscherrohren20 in ihrer Position fixiert sein. Sie können darüber hinaus aber auch noch stoffschlüssig mit den Tauscherrohren20 verbunden sein, beispielsweise mittels Verlöten. Weiterhin bilden die Versteifungselemente34 an ihren beiden Enden federnde Zungen aus, über die sich die Versteifungselemente34 und die mit ihnen verbundenen Tauscherrohre20 mechanisch an der Innenwand des Mantelteils50 des Wärmetauschers1 abstützen. Aus19 wird ersichtlich, auf welche Weise die Versteifungselemente34 im Rahmen der Montage des erfindungsgemäßen Wärmetauschers1 zwischen die einzelnen Lagen der Tauscherrohre20 eingebracht werden können. Aufgrund der Formgebung der Versteifungselemente34 ergibt sich ein Halt der Versteifungselemente34 auf den Tauscherrohren20 aufgrund von Formschluss. - Wie bereits erwähnt kann die mechanische Verbindung noch verbessert werden, wenn die Versteifungselemente
34 mit den Tauscherrohren20 verlötet werden. Hierzu können die Versteifungselemente34 ein- oder beidseitig mit Lötmaterial beschichtet sein. Nachdem die gesamte aus19 ersichtliche Anordnung mechanisch zusammengefügt wurde, kann sie dann durch einen Lötofen geschickt werden, wodurch sich eine Verlötung der Versteifungselemente34 mit den Tauscherrohren20 ergibt. Diese Art der Verlötung ist insbesondere auch dazu geeignet, an anderer Stelle verwendet zu werden, wo vorstehend von einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einzelnen Komponenten des Abgaswärmetauschers die Rede war. -
20 zeigt nochmals das Tauscherrohrbündel aus19 im betriebsfertigen Zustand, wobei hier die Anordnung der Versteifungselemente34 zwischen den Lagen der Tauscherrohre20 deutlich sichtbar wird. - Aus
21 schließlich ist ein Schnitt durch die außenliegende Tauscherrohrlage in19 entlang der Ebene C-C dargestellt. Hier kann beispielsweise zusätzlich zu den aus19 ersichtlichen, vielfach abgewinkelten Versteifungselementen34 ein weiteres Versteifungselement34 auf die außenliegende Tauscherrohrlage50 aufgebracht sein, beispielsweise aufgelötet. Wie aus21 ersichtlich ist, folgt die Formgebung des Versteifungselements34 im Wesentlichen der Anordnung der übereinander liegenden Tauscherrohre20 . In dem aus21 ersichtlichen weiterentwickelten Ausführungsbeispiel bildet das Versteifungselement34 zusätzlich zwischen den einzelnen Tauscherrohren20 angeordnete Abstandselemente37 aus. Diese können in einer weiter verbesserten Ausgestaltung an ihren Enden zusätzliche Federelemente35 ausbilden, die insbesondere während der Montage des Tauscherrohrbündels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers1 für einen vorteilhaften Klemmsitz der Versteifungselemente34 auf den Tauscherrohren20 sorgen. - Aus den
22a , b und c sind schließlich Blechstreifen (Stanzteile) ersichtlich, aus denen die in21 dargestellten Versteifungselemente34 gefertigt werden können.22a zeigt einen einfachen Blechstreifen, der so verformt wird, dass er in seiner Formgebung im Wesentlichen der übereinander liegenden Anordnung der Tauscherrohre20 entspricht. Zusätzliche Abstandselemente37 , wie sie aus21 ersichtlich sind, sind hier nicht vorgesehen. Die aus den22b und c ersichtlichen Versteifungselemente34 hingegen weisen solche Abstandselemente37 auf, wobei die Abstandselemente37 bei der Herstellung des Versteifungselements34 um 90° abgewinkelt werden. Das Versteifungselement34 gemäß22c schließlich weist zusätzlich zu den Abstandselementen37 an dessen Enden angeordnete zusätzliche Federelemente35 auf, die bei der Herstellung der Versteifungselemente34 nochmals um 90° gegen die Ebene der Abstandselemente37 abgewinkelt werden. Auch hier können die zur Herstellung der Versteifungselemente34 verwendeten Blechstreifen aufgrund ihrer Anordnung im Kühlwasser beispielsweise aus Aluminium ausgebildet sein, bevorzugt aber aus einem federnden nichtrostenden Stahl. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wärmetauscher
- 20
- Tauschrohr
- 22
- Einlass
- 23
- Gitterstruktur
- 24
- Auslass
- 26
- Spiralstruktur
- 27
- Auflagestruktur
- 30
- Bandage
- 32
- Abstützung
- 34
- Versteifungselement
- 35
- Federelement
- 36
- Leitblech
- 37
- Abstandselement
- 40
- Gehäuse
- 42
- Innenraum
- 50
- Mantelteil
- 51
- Befestigungspunkt
- 52
- Dichtung
- 53
- Gewindebohrung
- 54
- Schraube
- 55
- Gewindebohrung
- 56
- Einlasskanal
- 57
- Steg
- 58
- Auslasskanal
- 59
- Flansch
- 60
- Gehäusedeckel
- 63
- Durchgangsbohrung
- 65
- Durchgangsbohrung
- 66
- Durchführungspunkt Einlass
- 68
- Durchführungspunkt Auslass
- S
- Montageschnittstelle
- 70
- Gitterblech
- 72
- Federelement
- 74
- Schlitz
Claims (13)
- Wärmetauscher (
1 ) für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Bündel separat ausgebildeter, strömungstechnisch parallel geschalteter abgasführender Tauscherrohre (20 ), die in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse (40 ) angeordnet sind, welches von einem Kühlmittel durchströmt wird, das die Tauscherrohre (20 ) außenseitig umströmt, wobei ein mechanisches Mittel (30 ;34 ;70 ;72 ) vorgesehen ist, über das sich Tauscherrohre (20 ) aneinander abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel (30 ;34 ;70 ;72 ) das Bündel von Tauscherrohren (20 ) mechanisch miteinander verbindet und eine federnde Abstützung ausbildet, so dass sich eine federnde Abstützung der Tauscherrohre (20 ) gegenüber dem Gehäuse (40 ) ergibt. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel separat vom Gehäuse (40 ) des Wärmetauschers ausgebildet ist. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel in einem Bereich des Gehäuses (40 ) angeordnet ist, in dem bei Fehlen des mechanischen Mittels im Betrieb des Kraftfahrzeugs hohe Schwingungsamplituden der abgasführenden Tauscherrohre (20 ) auftreten würden. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Mittel als Bandage (30 ) für das Bündel von Wärmetauscherrohren (20 ) ausgebildet ist, die a. außenseitig am Bündel angeordnet ist und b. eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren (20 ) mechanisch fest miteinander verbindet. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandage (30 ) eine mechanische Abstützung (32 ) für die mechanisch fest miteinander verbundenen Wärmetauscherrohre (20 ) gegenüber dem Gehäuse (40 ) ausbildet. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandage (30 ) das Bündel zumindest teilweise umgreift. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versteifungselement (34 ) vorgesehen ist, das a. innerhalb des Bündels angeordnet ist und b. eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren (20 ) mechanisch fest miteinander verbindet. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe (22 ) und die Auslässe (24 ) der Tauscherrohre wie folgt angeordnet sind: a. außerhalb des Gehäuses (40 ), und b. so relativ zueinander, dass sich zwischen Einlass (22 ) und Auslass (24 ) jedes Tauscherrohrs (20 ) jeweils ein gewundener Strömungspfad erstreckt, der einen Drehwinkel α von zumindest 135° einschließt, bevorzugt von 180°. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungspfade der verschiedenen Tauscherrohre (20 ) zwischen dem Einlass (22 ) und Auslass (24 ) des jeweiligen Tauscherrohrs (20 ) keine Berührung miteinander haben. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20 ) zwischen den Punkten (66 ,68 ), an denen sie durch die Wandung des Gehäuses (40 ) hindurchgeführt sind, einstückig ausgebildet sind. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20 ) zwischen den Punkten (66 ,68 ), an denen sie durch die Wandung des Gehäuses (40 ) hindurchgeführt sind, im Wesentlichen U-förmig oder halbkreisförmig gebogen sind. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20 ) an den Punkten (66 ,68 ), an denen sie durch die Wandung des Gehäuses (40 ) hindurchgeführt sind, mechanisch fest mit diesem verbunden sind. - Wärmetauscher (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20 ) aus einem korrosionsbeständigen und hitzefesten Werkstoff wie Edelstahl oder Aluminium bestehen.
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