DE102012022302A1

DE102012022302A1 - Spiraltauscher und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Tauschers

Info

Publication number: DE102012022302A1
Application number: DE102012022302A
Authority: DE
Inventors: Frédéric Greber
Original assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Current assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-05-16
Also published as: FR2982662B1; US9481055B2; US20150165573A1; US20130118722A1; FR2982662A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spiraltauscher, wobei der Tauscher eine Wicklungsachse (X) hat und ein Außenblech (10; 110; 210) und ein Innenblech (20; 120; 220) aufweist, die vor dem Wickeln in einer Befestigungsebene (S) aneinander befestigt werden und zwischen sich einen Raum (30) für ein Fluid begrenzen, wobei das Außenblech (10; 110, 210) und das Innenblech (20; 120; 220) um sich selbst gewickelt sind und jeweils mehrere flexible Bereiche (12, 22; 112; 212) und mehrere steife Bereiche (14, 24; 114; 214) aufweisen, wobei die flexiblen Bereiche beim Falten flexibler sind als die steifen Bereiche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Bereiche und die steifen Bereiche entlang der Wicklungsachse langgestreckt sind und mindestens ein flexibler Bereich (12; 112; 212) des Außenblechs (10; 110; 210) und mindestens ein flexibler Bereich (22) des Innenblechs (20; 120; 220), die zwischen sich den Raum (30) begrenzen, zwei flexible Bereiche bilden, die in einer gleichen radialen Richtung ausgerichtet sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Spiraltauschers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiraltauscher, wobei der Tauscher eine Wicklungsachse hat und ein Außenblech und ein Innenblech aufweist, die vor dem Wickeln in einer Befestigungsebene aneinander befestigt werden und den Raum zwischen sich für ein Fluid begrenzen, wobei das Außenblech und das Innenblech um sich selbst gewickelt sind und jeweils mehrere flexible Bereiche und mehrere steife Bereiche aufweisen, wobei die flexiblen Bereiche beim Falten flexibler sind als die steifen Bereiche. Die Erfindung betrifft auch einen Abschnitt eines Auspuffs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Spiraltauschers.
Im Stand der Technik gibt es viele Arten Spiraltauscher. Üblicherweise werden derartige Tauscher durch zwei übereinanderliegende Bleche gebildet, die anschließend gewickelt und in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angeordnet werden.
Bei einer Art Spiraltauscher werden die Bleche mit Abstandshaltern voneinander beabstandet angeordnet. Die Anmeldung FR 2 810 726 A1 offenbart beispielsweise einen Spiraltauscher, der durch zwei voneinander beabstandete Bleche gebildet ist, die auf ihren Oberflächen gegenüber den inneren Abstandselementen bzw. auf der gegenüberliegenden Fläche äußere Abstandselemente aufweisen, die so angeordnet sind, dass die inneren und äußeren Abstandselemente eines Blechs auf die entsprechenden inneren und äußeren Abstandselemente des anderen Blechs drücken. Die Abstandselemente haben im Wesentlichen die gleiche Form. In der Anmeldung FR 2 809 483 A1 wird ein Metallband mit Abstandselementen durch Falten der Kanten gebildet, die dann durch Schweißen miteinander verbunden werden. Das gefaltete Metallband wird dann zur Bildung des Spiraltauschers gewickelt.
Die Anmeldung FR 2 874 080 A1 betrifft einen Tauscher mit zwei gewickelten Metallblechen. Die Metallbleche sind mit Abstandselementen in Form von Zacken versehen, die auf deren Oberfläche verteilt sind. Darüber hinaus erfolgen der Eintritt und der Austritt für das Fluid der Vorrichtung, beispielsweise Wasser, in der Mitte der Spirale. Das bedeutet, dass die Eintritts- und Austrittsrohre auf jeder Seite des Tauschers ausmünden und eine komplizierte Bahn haben, was somit kostspielig ist. Das in einem derartigen Tauscher zirkulierende Wasser ist üblicherweise bei einer Temperatur von höchstens 130°C und somit deutlich unter der der Abgase, die das Wasser erwärmen. Die Tatsache, dass zwischen diesen Wasserrohren und Abgasrohren unterschiedliche Ausdehnungen vorliegen, kann nach einer langen Verwendung zu einem Verschleiß der Materialien führen.
Wenn zwei Metallbleche aufeinander gewickelt werden, ist bei einer gleichen Anzahl an Wicklungswindungen das Metallblech auf der Außenseite aufgrund seiner Dicke und/oder des Raums zwischen den beiden Metallblechen gewöhnlich stets länger als das Innenblech. Wenn die beiden Metallbleche vor dem Wickeln verschweißt werden, wie beispielsweise bei der Anmeldung FR 2 809 483 A1 , treten am Innenblech Verformungen auf. Folglich werden im Stand der Technik die Bleche häufig beim Wickeln oder nach dem Wickeln verschweißt, beispielsweise wie bei der Anmeldung FR 2 810 726 A1 . Das Schweißen beim Wickeln wirft dennoch Probleme bei der Herstellung auf, insbesondere bei dünnen Blechen. Dünne Bleche können nämlich nicht unter Verwendung eines Lichtbogens verschweißt werden, und aufgrund der Schwierigkeiten zum Endstück zu gelangen, das den Strom zurückgibt, ist es nicht möglich, Nahtschweißen in Betracht zu ziehen. Darüber hinaus ist das Laserschweißen schwierig. Das Schweißproblem wird zunehmend schwieriger, wenn es erforderlich ist, zwischen den beiden seitlichen Schweißnähten dazwischenliegende Schweißnähte zu bilden.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu bewältigen und insbesondere einen Spiraltauscher zu verwenden, der einfach herzustellen, leicht und kostengünstig ist.
Erfindungsgemäß werden diese Ziele mit einem Spiraltauscher erreicht, wobei der Tauscher eine Wicklungsachse hat und ein Außenblech und ein Innenblech aufweist, die vor dem Wickeln in einer Befestigungsebene aneinander befestigt werden und zwischen sich einen Raum für ein Fluid begrenzen, wobei das Außenblech und das Innenblech um sich selbst gewickelt sind und jeweils mehrere flexible Bereiche und mehrere steife Bereiche aufweisen, wobei die flexiblen Bereiche beim Falten flexibler sind als die steifen Bereiche. Die flexiblen Bereiche und die steifen Bereiche sind entlang der Wicklungsachse langgestreckt, und mindestens ein flexibler Bereich des Außenblechs und mindestens ein flexibler Bereich des Innenblechs, die den Raum zwischen sich begrenzen, bilden zwei flexible Bereiche, die in der gleichen radialen Richtung ausgerichtet sind.
Gemäß vorteilhaften Merkmalen:

– sind die flexiblen Bereiche des Außenblechs und/oder des Innenblechs im Wesentlichen geradlinig,
– bildet die Mehrheit der flexiblen Bereiche, bilden insbesondere alle flexiblen Bereiche des Außenblechs mit einem entsprechenden flexiblen Bereich des Innenblechs zwei flexible Bereiche, die in einer gleichen radialen Richtung ausgerichtet sind,
– sind im Querschnitt in Wicklungsrichtung gesehen die steifen Bereiche durch Abflachungen gebildet und die flexiblen Bereiche durch hohle Profile und Kanten zwischen den hohlen Profilen und den Abflachungen gebildet, wobei die hohlen Profile insbesondere zur Wicklungsachse hin ausgebildet sind,
– weist jeder flexible Bereich, insbesondere jedes hohle Profil des Außenblechs über die gesamte Breite des Außenblechs in Richtung Wicklungsachse einen geradlinigen Teil auf, der an der Befestigungsebene angeordnet ist, und weist jeder flexible Bereich, insbesondere jede Kante des Innenblechs über seine gesamte Länge parallel zur Wicklungsachse mindestens einen geradlinigen Abschnitt auf, der in der Befestigungsebene zur Bildung mehrerer Gelenke in der Befestigungsebene angeordnet ist,
– sind mehrere steife Bereiche, insbesondere mehrere Abflachungen des Außenblechs mit mindestens einem hohlen Abschnitt versehen, wobei jeder hohle Abschnitt gegen einen steifen Bereich des Innenblechs drückt,
– weist der Tauscher mindestens eine Fluideinlassöffnung zum Einleiten von Fluid in den Raum und mindestens eine Fluidauslassöffnung zum Abführen von Fluid aus dem Raum auf, wobei die Einlassöffnung(en) und die Auslassöffnung(en) in Wicklungsrichtung an einem ersten Ende des Außenblechs oder des Innenblechs angeordnet sind und das erste Ende zu einem zweiten Ende entgegengesetzt ist, an dem die Wicklung begann,
– ist der Raum U-förmig, W-förmig oder zickzackförmig und weist im Wesentlichen geradlinige Abzweigungen auf,
– sind das Außenblech und das Innenblech jeweils zwischen zwei Abzweigungen aneinander befestigt,
– weisen das Außenblech und das Innenblech zwischen zwei Abzweigungen jeweils einen Ausschnitt auf,
– nimmt ein durchschnittlicher Durchlassdurchmesser im Raum zwischen der/den Einlassöffnung(en) und der/den Auslassöffnung(en) ab,
– hat jede Abzweigung eine im Wesentlichen konstante Breite, wobei die Breite der Abzweigungen in Richtung Wicklungsachse der mindestens zwei aneinander angrenzenden Abzweigungen zueinander abnimmt, und/oder
– besteht/bestehen das Außenblech und/oder das Innenblech aus einem Metallblech.

Darüber hinaus werden diese Ziele erfindungsgemäß mit einem Abschnitt eines Auspuffs erreicht, der einen erfindungsgemäßen Tauscher aufweist.
Erfindungsgemäß werden diese Ziele mit einem Verfahren zur Herstellung eines Spiraltauschers erreicht, das folgende Schritte umfasst:

– Prägen mehrerer flexibler Bereiche und mehrerer steifer Bereiche in einem Außenblech und in einem Innenblech, wobei die flexiblen Bereich beim Falten flexibler sind als die steifen Bereiche und die flexiblen Bereiche und die steifen Bereich entlang der Wicklungsachse langgestreckt sind,
– Ausrichten des Außenblechs und den Innenblechs, so dass mindestens ein flexibler Bereich des Außenblechs und mindestens ein flexibler Bereich des Innenblechs zwei flexible Bereiche bilden, die aufeinander ausgerichtet sind,
– permanentes Befestigen des Außenblechs am Innenblech an vorbestimmten Stellen zur Bildung eines Raums zwischen ihnen und
– Wickeln des Außenblechs und des Innenblechs zur Bildung des Spiraltauschers.

Gemäß vorteilhaften Merkmalen:

– sind die steifen Bereiche in Wicklungsrichtung gesehen durch Abflachungen gebildet und sind die flexiblen Bereiche durch hohle Profile und Kanten zwischen den hohlen Profilen und den Abflachungen gebildet, wobei während der Wicklungsschritte die Vertiefungen zur Wicklungsachse ausgerichtet werden,
– weisen das Außenblech und/oder das Innenblech eine Fluideinlassöffnung zum Einleiten von Fluid in den Raum und mindestens eine Fluidauslassöffnung zum Abführen von Fluid aus dem Raum auf, wobei die Bleche in Wicklungsrichtung ein erstes Ende aufweisen, in dem die Öffnungen angeordnet sind, wobei der Wicklungsschritt mit einem zum ersten Ende entgegengesetzten zweiten Ende beginnt,
– ist der gebildete Raum U-förmig, W-förmig oder zickzackförmig, wobei der Raum im Wesentlichen geradlinige Abzweigungen aufweist, wobei das Verfahren auch einen Schritt zum Schneiden des Außenblechs und des Innenblechs zwischen mindestens zwei angrenzenden Abzweigungen zur Bildung eines Ausschnitts umfasst, und/oder
– umfasst das Verfahren Schritte zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Tauschers.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus ihrer unten gegebenen Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen, die verschiedene nicht einschränkende Ausführungsformen veranschaulichen und Folgendes zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht der beiden Metallblechplatten für einen erfindungsgemäßen Spiraltauscher,
2 eine schematische Explosionsansicht von zwei Metallblechplatten für einen erfindungsgemäßen Spiraltauscher,
3 eine Seitenansicht von zwei Metallblechplatten für einen erfindungsgemäßen Tauscher vor dem Verbinden der beiden Bleche,
4 eine Seitenansicht der beiden Metallblechplatten für einen erfindungsgemäßen Tauscher nach dem Verbinden der beiden Bleche,
5 eine Längsquerschnittansicht eines Abschnitts der beiden Metallblechplatten eines erfindungsgemäßen Tauschers nach dem Verbinden der beiden Bleche,
6 eine Querschnittansicht in der radialen Ebene eines erfindungsgemäßen Spiraltauschers nach einer Wicklungswindung,
7 eine Querschnittansicht in einer radialen Ebene des Tauschers beim Anbringen in einem Auspuff,
8 eine schematische perspektivische Ansicht einer äußeren Metallblechplatte für einen Spiraltauscher gemäß einer zweiten Ausführungsform und
9 eine Draufsicht einer äußeren Metallblechplatte einer weiteren Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen Spiraltauscher.
Eine erste Ausführungsform wird anhand der 1 bis 5 beschrieben. Die 1 bis 5 zeigen schematisch ein langgestrecktes Tauscherelement 1 vor dem Wickeln zur Bildung eines Spiraltauschers. Das Element 1 weist zwei Metallblechplatten 10, 20, insbesondere ein Außenblech 10 und ein Innenblech 20 auf, die aneinander befestigt sind. Beim Wickeln des Elements 1 um die Wicklungsachse X (siehe 6) liegt das Innenblech 20 in Bezug auf das Außenblech 10 radial innen.
Das Element 1 hat eine Wicklungsrichtung Y, in die das Element 1 gewickelt ist. Die Wicklungsrichtung Y verläuft im Wesentlichen orthogonal zur Wicklungsachse X. Die Länge des Elements 1 ist in Wicklungsrichtung Y und die Breite des Elements 1 in Richtung der Wicklungsachse X definiert.
Das Innenblech 20 hat eine Dicke d_i, die größer ist als eine Dicke de des Außenblechs 10. Die Bleche haben üblicherweise eine Dicke zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, insbesondere zwischen 0,10 mm und 0,4 mm. Das Wickeln dieser Metallblechplatten 10, 20 erfordert weniger Aufwand als das Wickeln von Metallblechplatten, die dicker sind, beispielsweise von Metallblechen mit einer Dicke von 0,6 mm bis 1 mm.
Das Außenblech 10 und das Innenblech 20 wurden einem Verformungsschritt unterzogen, z. B. Prägen, wobei nach dieser Verformung jedes Blech mehrere flexible Bereiche 12, 22 und mehrere steife Bereiche 14, 24 aufweist. Die steifen und flexiblen Bereiche 12, 14, 22, 24 sind parallel zur Wicklungsachse X und orthogonal zur Wicklungsrichtung Y langgestreckt. Die flexiblen und steifen Bereiche 12, 14, 22, 24 sind in Wicklungsrichtung Y abwechselnd angeordnet. Die flexiblen und steifen Bereiche 12, 14, 22, 24 erstrecken sich über die gesamte Breite des Elements 1.
Die Form und Anordnung der steifen und flexiblen Bereiche 12, 14, 22, 24 sind in 5 deutlich gezeigt. Während der Verformung werden im Außenblech 10 und im Innenblech 20 jeweils mehrere Abflachungen 15, 25, mehrere Kanten 16, 26 und mehrere hohle Profile 17, 27 ausgebildet. Die Kanten 16, 26 liegen zwischen den Abflachungen 15, 25 und den hohlen Profilen 17, 27. Die Abflachungen 15, 25 bilden die steifen Bereiche 14, 24, und die Kanten 16, 26 und hohlen Profile 17, 27 bilden die flexiblen Bereiche 12, 22. Die flexiblen Bereiche 12 des Außenblechs 10 haben in Wicklungsrichtung Y eine geringere Breite in Bezug auf die Länge der flexiblen Bereiche 22 des Innenblechs 20.
Im Außenblech 10 hat das hohle Profil 17 in Wicklungsrichtung Y eine geringere Breite in Bezug auf die Breite der Abflachungen 15. Die Abflachungen 15 des Außenblechs 10 haben beispielsweise eine Breite, die im Wesentlichen das Doppelte der Breite der hohlen Profile 17 beträgt.
Im Innenblech 20 haben die hohlen Profile 27 in Wicklungsrichtung Y eine Breite, die größer ist als die Breite der Abflachungen 25. Die hohlen Profile 25 des Innenblechs 20 haben beispielsweise eine Breite, die im Wesentlichen das Doppelte der Breite der Abflachungen 27 beträgt.
Bei der Ausführungsform der 1 bis 5 entspricht die Breite der Abflachungen 25 des Innenblechs 20 im Wesentlichen der Breite des hohlen Profils 17 des Außenblechs 10, und die Breite der Abflachungen 15 des Außenblechs 10 entspricht im Wesentlichen der Breite der hohlen Profile 27 des Innenblechs 20.
Das Außenblech 10 und das Innenblech 20 werden aufeinander gelegt, bevor sie verbunden werden, so dass die flexiblen Bereiche 12, 22, insbesondere die hohlen Profile 17, 27 im Wesentlichen einander gegenüberliegend angeordnet werden.
Das Außenblech 10 wird von dem Wickeln des Elements 1 in einer Befestigungsebene S am Innenblech 20 befestigt. Das Außenblech 10 wird beispielsweise mittels einer Schweißnaht am Innenblech 20 befestigt. Wenn die Bleche 10, 20 aneinander befestigt sind, wird zwischen dem Außenblech und dem Innenblech 20 ein Raum 30 ausgebildet (siehe 5).
Der Raum 30 ist für die Zirkulation eines Fluids, beispielsweise von Wasser vorgesehen. Für ein im Raum 30 zirkulierendes Fluid wird von dem Raum zwischen dem hohlen Profil 17 des Außenblechs 10 und den Kanten 26 des Innenblechs 20 ein Mindestdurchlassquerschnitt 32 definiert.
Wie in 5 gezeigt, weist jeder flexible Bereich 12 und somit jedes hohle Profil 17 des Außenblechs 10 über seine gesamte Länge entlang der Wicklungsachse X einen geradlinigen Abschnitt auf, der an der Befestigungsebene S liegt. Zusätzlich liegen die Kanten 26 und die Abflachungen 25 des Innenblechs 20 in der Befestigungsebene S.
Das Element 1 weist in Wicklungsrichtung Y ein erstes Ende 34 und ein zweites Ende 35 auf. Am ersten Ende 34 des Elements 1 sind in einem Verbindungsbereich 38 des Außenblechs 10 zwei Öffnungen 36, 37 vorgesehen, die eine erste Öffnung 36, die den Eintritt von Fluid in den Raum 30 ermöglicht, und eine zweite Öffnung 37, die das Austreten des Fluids aus dem Raum 30 ermöglicht, umfassen. Der Verbindungsbereich 38 erstreckt sich entlang der Richtung der Wicklungsachse X, und die Öffnungen 36, 37 sind in einer Verbindungsabflachung vorgesehen, die breiter ist als die Abflachungen 15. Bei einer. weiteren Ausführungsform ist der Abstand zwischen den Öffnungen 36, 37 entlang der Wicklungsachse X im Vergleich zu den in 1 gezeigten Ausführungsformen größer oder kleiner.
Das Außenblech 10 wird entlang einer Schweißlinie 39 (gestrichelte Linie in 1) mit dem Innenblech 20 verschweißt, was derart erfolgt, dass der Raum 30 zwischen den beiden langgestreckten Blechen 10, 20 insgesamt die Form eines U hat, dessen Abzweigungen 40, 42 zum ersten Ende 34 ausgerichtet sind, an dem die Einlass- und Auslassöffnungen 36, 37 angeordnet sind. Ein Längsabschnitt 44 der Schweißlinie 39 ist zwischen den Abzweigungen 40, 42 angeordnet. Somit strömt bei der Benutzung des Elements 1 das Fluid nach dem Eintreten in den Raum über die erste Öffnung 36 durch die erste Abzweigung 40 zum zweiten Ende 42 hin, um dann von der ersten Abzweigung 40 zur zweiten Abzweigung 42 zu strömen, in der das Fluid von dem zweiten Ende 35 zur zweiten Öffnung 37 durch das Element 1 strömt.
Die steifen Bereiche 14 des Außenblechs 10 weisen insbesondere in den Abflachungen 15 hohle Abschnitte 46 auf. An den hohlen Abschnitten 46 drückt das Außenblech 10 auf das Innenblech 20, insbesondere auf die Abflachungen 24. Die hohlen Abschnitt 46 sind dazu ausgebildet, den Raum 30 des Elements 1 zu stabilisieren und insbesondere zu verhindern, dass der Raum 30 zusammengedrückt wird. Bei der Ausführungsform von 1 sind die hohlen Abschnitte 46 des Außenblechs 10 in den Abzweigungen 40, 42 jeweils in Wicklungsrichtung Y ausgerichtet. Nichtsdestotrotz können bei anderen Ausführungsformen die hohlen Abschnitte 46 in den steifen Bereichen 14 willkürlich angeordnet sein.
Nachfolgend ist das Zusammensetzen des Spiraltauschers beschrieben.
In einem ersten Schritt werden das Außenblech 10 und das Innenblech 20 zur Ausbildung der flexiblen Bereiche 12, 22 und der steifen Bereiche 14, 24 geprägt. Das Außenblech und das Innenblech werden dann so angeordnet, dass die flexiblen Bereiche 12, 22 und die steifen Bereiche 14, 24 jeweils einander gegenüber liegen (s. 3 und 4). Das Außenblech 10 wird in Bezug auf das Innenblech 20 so angeordnet, dass der Durchlass des Fluids gewährleistet ist, wobei der Durchlassquerschnitt 32 des Fluids auch nach dem Wickeln konstant ist.
Anschließend werden das Außenblech 10 und das Innenblech 20 durch eine entlang der Schweißlinie 39, 44 verlaufende Schweißnaht aneinander befestigt, um den Raum 30 zwischen den beiden Blechen zum Äußeren dieses Raums abzudichten und die U-förmige Bahn für ein durch den Raum 30 strömendes Fluid zu bilden. Das Außenblech 10 und das Innenblech 20 können unter Anwendung einer Nahtschweißung, Laserschweißung oder beispielsweise einer Lötung aneinander befestigt werden.
Bei einem darauffolgenden Schritt wird, wie in 6 gezeigt, das zweite Ende 35 des Elements 1 an einem mittleren Rohr 48 befestigt, um das Element 1 ausgehend von dem zweiten Ende 35 zu wickeln. Das Außenblech 10 liegt beim Wickeln radial außerhalb des Innenblechs 20. Sobald das Element 1 gewickelt ist, sind die Öffnungen 36, 37 nach außen gerichtet. Zwischen dem Außenblech einer Lage und dem Innenblech der darauffolgenden Lage des gewickelten Elements 1 ist ein Durchlass 50 ausgebildet, durch den das Abgas strömt, um seine Wärme zu dem im Raum 30 des Elements 1 zirkulierenden Fluid zu übertragen. Bei einer Ausführungsform ist das mittlere Rohr 48 verschlossen.
Beim Wickeln erfolgt das Falten des Außenblechs 10 in den flexiblen Bereichen 12, insbesondere im geradlinigen Abschnitt der Befestigungsebene S in den hohlen Profilen 17. Das Innenblech 20 wird an den Kanten 26 gefaltet. Die Faltachse liegt dann zwischen den hohlen Profilen 17 des Außenblechs 10 und den angrenzenden Kanten 26 des Innenblechs 20 in der Befestigungsebene S. Im Außenblech 10 sind die flexiblen Bereiche 12 eine Materialreserve, um beim Wickeln des Elements 1 das Langstrecken des Außenblechs 10 zu ermöglichen. In jedem Fall verhalten sich die Kanten 26 des Innenblechs 20 und die hohlen Profile 17 des Außenblechs 10 beim Wickeln des Elements 1 wie ein Gelenk. Die entsprechenden Verformungen des Außenblechs 10 und des Innenblechs 20 unterscheiden sich somit voneinander, so dass das Langstrecken des Außenblechs in Bezug auf das Innenblech beim Wickeln des Elements 1 ermöglicht wird. Die Anzahl der Wicklungsschichten variiert und hängt von der Verwendung des Tauschers ab. Beim Wickeln wird der Durchlassquerschnitt 32 nicht wesentlich verändert.
7 zeigt das Anbringen des Tauschers in Halbschalen 52, 54 eines Auspuffs. Die Rohre 56 werden an der Einlassöffnung 36 und der Auslassöffnung 37 befestigt und mit Rohren 58 einer der Halbschalen 54 des Auspuffs verbunden. Sobald sie zusammengesetzt sind, bilden die Halbschalen 52, 54 einen Teil des Abgassystems eines Verbrennungsmotors. Zu diesem Zweck wird die Baugruppe aus dem Element 1 und dem Rohr 48 in den Halbschalen 52, 54 angeordnet und ein Fluid durch die Rohre 56, 58 in den Raum 30 des Elements 1 eingeleitet.
Bei einer Ausführungsform kann der Abstand zwischen den Öffnungen 36, 37 verringert sein. Die Öffnungen können beispielsweise so angeordnet sein, dass der Tauscher gegenüber Größenänderungen zwischen dem Tauscher und den Halbschalen 52, 54 weniger empfindlich ist. Bei einem Tauscher ohne Fluidverdampfung sind nämlich das Außenblech und das Innenblech 10, 20 bei der Temperatur des Fluids, während die Halbschalen 52, 54 nahe der Temperatur des durch die Halbschalen strömenden Abgases liegen.
Bei weiteren Ausführungsformen, die mit Bezug auf die 8 und 9 beschrieben sind, wird ein im Tauscher zirkulierendes Fluid verdampft und überhitzt.
8 veranschaulicht schematisch ein Element 101 eines Tauschers, das zum Verdampfen von Fluid vorgesehen ist. Die Elemente der Ausführungsform aus 8, die mit denjenigen der Ausführungsform der 1 bis 7 identisch sind oder die gleiche Funktion haben, werden unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen plus 100 bezeichnet.
In gleicher Weise weist es flexible Bereiche 112 und steife Bereiche 114 auf, um das Wickeln mit kontrollierten Verformungen zu ermöglichen. Es wird das gleiche Prinzip wie bei der Ausführungsform der 1 bis 7 angewendet. Wie bei der Ausführungsform der 1 bis 7 ist ein Raum zum Leiten des Fluids zwischen den beiden Blechen 110 insgesamt U-förmig mit einer ersten Abzweigung 140 und einer zweiten Abzweigung 142. Im Gegensatz zu 1 sind die erste Abzweigung 140 und die zweite Abzweigung 144 durch einen länglichen Ausschnitt 160 in Wicklungsrichtung Y voneinander getrennt. Eine Breite L1 der ersten Abzweigung 140, die die Einlassöffnung 136 trägt, ist größer als die Breite L2 der zweiten Abzweigung 142, die die Auslassöffnung 137 trägt. Ein Durchlassquerschnitt für das Fluid im Raum in der zweiten Abzweigung 142 ist dann kleiner als ein Durchlassquerschnitt des Fluids im Raum in der ersten Abzweigung 140. Die Breite L2 der zweiten Abzweigung 142 ist zwischen 10% und 80%, insbesondere zwischen 20% und 60% kleiner als die Breite L1 der ersten Abzweigung 140. Bei einer Ausführungsform ist die Breite L2 der zweiten Abzweigung 142 um 33% kleiner als die Breite L1 der ersten Abzweigung 140 bei einem Massendurchfluss von 30 Litern/Stunde.
Während des Betriebs des Tauschers tritt nämlich das Fluid in flüssiger Form in die Einlassöffnung 136 ein, strömt durch die erste Abzweigung 140, dreht am zweiten Ende 135, strömt durch die zweite Abzweigung 142 und tritt in Gasform durch die Auslassöffnung 137 aus.
9 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Elements 201 für einen Spiraltauscher. 9 zeigt insbesondere einen Tauscher zum Verdampfen eines Fluids. 9 ist eine schematische Draufsicht eines Außenblechs 210 eines Elements 201. Die Elemente der Ausführungsform von 9, die mit denjenigen der Ausführungsform der 1 bis 7 identisch sind oder die gleiche Funktion haben, werden unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen plus 200 bezeichnet.
Das Außenblech 210 weist flexible Bereiche 212 und steife Bereiche 214 auf, die in Wicklungsrichtung Y abwechselnd angeordnet sind.
Der Raum zwischen dem Innenblech und dem Außenblech 210 ist so ausgebildet, dass das Fluid von einer W-förmigen Bahn geleitet wird (in 9 umgedreht gezeigt). Das Element 204 weist somit vier Abzweigungen 240, 241, 242 und 243 auf. Bei anderen Ausführungsformen weist das Element mehr als vier Abzweigungen auf. Die Abzweigungen 240, 241, 242 und 243 erstrecken sich jeweils in Wicklungsrichtung Y und weisen zwischen zwei entsprechenden angrenzenden Abzweigungen Ausschnitte 260, 262, 264 auf, um eine der Abzweigungen von den anderen angrenzenden Abzweigungen zu trennen. Das Innenblech und das Außenblech 210 sind durch die Ausschnitte 260, 262, 264 geschlitzt. Die erste Abzweigung 240 ist am zweiten Ende 235 mit der zweiten Abzweigung 241 verbunden, die zweite Abzweigung 241 ist am ersten Ende 234 mit der dritten Abzweigung 242 verbunden, und die dritte Abzweigung 242 ist am zweiten Ende 235 mit der vierten und letzten Abzweigung 243 verbunden.
Das Element 201 weist eine Einlassöffnung 236 und eine Auslassöffnung 237 auf. Die Einlassöffnung 236 ist am ersten Ende 234 der ersten Abzweigung 240 angeordnet. Die Auslassöffnung 237 ist in einer vierten Abzweigung 243 am ersten Ende 234 angeordnet. Während des Betriebs des Tauschers tritt nämlich das Fluid in flüssiger Form in die Einlassöffnung 236 ein und tritt in Gasform durch die Auslassöffnung 337 aus.
Die Abzweigungen haben in Richtung Wicklungsachse eine Breite L1, L2, L3, L4, wobei die Breite der Abzweigungen 240, 241, 242, 243 in dieser Reihenfolge allmählich abnimmt. Die Breite L2 der zweiten Abzweigung 241 ist in Bezug auf die Breite L1 der ersten Abzweigung 240 beispielsweise um 33% verringert. Die Breiten L3, L4 der dritten Abzweigung 242 bzw. der vierten Abzweigung 243 betragen etwa die Hälfte der Breite L1 der ersten Abzweigung 240. Bei einer Ausführungsform hat die erste Abzweigung 240 eine Breite L1 von etwa 50 mm.
Im Gegensatz zu der im Zusammenhang mit den 1 bis 8 gezeigten Ausführungsform sind die hohlen Abschnitte 246 und die steifen Bereiche 214 der Abzweigungen 240, 241, 242, 243, wo der steife Bereich 214 des Außenblechs 210 gegen den steifen Bereich des Innenblechs drückt, nicht in Wicklungsrichtung Y ausgerichtet, um mehr Störungen des Fluids zu bewirken.
Während des Betriebs der Tauscher zur Verdampfung der 8 und 9 wird das Fluid bei einer Temperatur von 80°C bis 100°C in das Element 101, 201 des Tauscher eingeleitet und verdampft, während es die von den Abgasen abgegebene Wärme aufnimmt. Die Verdampfung nimmt eine große Menge Energie aus den Abgasen, und die Temperaturen des Außenblechs und des Innenblechs in diesem Bereich entspricht somit derjenigen des Fluids. Anschließend verhält sich der Dampf aus dem Fluid wie ein Gas, wenn es überhitzt. Die Endtemperatur des überhitzten Dampfes beträgt in Abhängigkeit von dem Druck etwa 200°C bis 500°C oder mehr. Nahe dem Auslass 237 des Dampfes entspricht die Temperatur der Bleche des Tauschers zwischen derjenigen des Dampfes und derjenigen der Abgase. Der Tauscher hat somit einen hohen Temperaturgradienten zwischen dem Fluideinlass in den Tauscher (90°C bis 100°C) und dem Fluidauslass (400 bis 650°C). Aus diesem Grund sind die Ausschnitte 60, 260, 262, 264 in den Elementen 101, 201 ausgebildet, da die Wärmeausdehnung jeder Abzweigung unterschiedlich ist.
In Gasform hat das Fluid beispielsweise ein Volumen, das 1680 Mal größer ist als in flüssiger Form, was bedeutet, dass bei einem identischen Massendurchfluss der Volumendurchsatz viel höher und somit seine Geschwindigkeit höher ist. Die Endgeschwindigkeit des Dampfes ist ein wichtiger Parameter bei der korrekten Verdampfung und Überhitzung des Dampfes. Je höher die Geschwindigkeit, umso besser wird nämlich die Wärme an der Wand des Raums zwischen den beiden Blechen ausgetauscht. Das ist der Grund, warum der für den Dampf vorgesehene Durchlassquerschnitt verringert ist. Bei den Ausführungsformen der 8 und 9 ist diese Verringerung proportional zur Breite der Abzweigungen. Dadurch ist es möglich, die Geschwindigkeit zu erhöhen und somit den Wärmeaustausch weiter zu steigern.
Bei dem Element von 9 weist die erste Abzweigung 240 beispielsweise einen ersten Bereich auf, der einem Bereich entspricht, in dem das Fluid erhitzt wird, bis die ersten Mikroblasen auftreten (Beginn der Verdampfung). Anschließend findet die Verdampfung effektiv in der zweiten Abzweigung 241 statt. Die Bewegung des Fluids wird in der zweiten Abzweigung 241 durch die Verengung des Durchlassquerschnitts zur Förderung der Verdampfung beschleunigt. In der dritten Abzweigung 242 und in der vierten Abzweigung 243 wird der Dampf von einem nassen oder gesättigten Dampf in einen überhitzten Dampf umgewandelt. Hier ermöglicht wiederum eine Verringerung des Durchlassquerschnitts eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Dampfes, somit der Turbulenz und folglich des Wärmeaustauschs.
Das im erfindungsgemäßen Tauscher zirkulierende Fluid ist Wasser oder eine andere Flüssigkeit. Bei einer Ausführungsform ist die Flüssigkeit ein organisches Fluid, beispielsweise Ethanol.
Der erfindungsgemäße Tauscher ermöglicht im Allgemeinen eine große Flexibilität. Bei einigen Ausführungsformen wird der Durchlassquerschnitt des Fluids über den Verlauf seiner Umwandlung zu überhitzen Dampf gesteuert. Bei anderen Ausführungsformen variieren die Durchlassquerschnitte in Abhängigkeit von den erwarteten Temperaturen des Abgases. Gemäß einer Ausführungsform wird die Länge der Metallblechplatten in Wicklungsrichtung in Abhängigkeit von der gewünschten Dampfqualität und der verfügbaren Energie im Abgas verändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

FR 2810726 A1 [0003, 0005]
FR 2809483 A1 [0003, 0005]
FR 2874080 A1 [0004]

Claims

Spiraltauscher, wobei der Tauscher eine Wicklungsachse (X) hat und ein Außenblech (10; 110; 210) und ein Innenblech (20; 120; 220) aufweist, die vor dem Wickeln in einer Befestigungsebene (S) aneinander befestigt werden und zwischen sich einen Raum (30) für ein Fluid begrenzen, wobei das Außenblech (10; 110, 210) und das Innenblech (20; 120; 220) um sich selbst gewickelt sind und jeweils mehrere flexible Bereiche (12, 22; 112; 212) und mehrere steife Bereiche (14, 24; 114; 214) aufweisen, wobei die flexiblen Bereiche beim Falten flexibler sind als die steifen Bereiche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Bereiche und die steifen Bereiche entlang der Wicklungsachse langgestreckt sind und mindestens ein flexibler Bereich (12; 112; 212) des Außenblechs (10; 110; 210) und mindestens ein flexibler Bereich (22) des Innenblechs (20; 120; 220), die zwischen sich den Raum (30) begrenzen, zwei flexible Bereiche bilden, die in einer gleichen radialen Richtung ausgerichtet sind.
Tauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Bereiche (12, 22; 112; 212) des Außenblechs (10; 110; 210) und/oder des Innenblechs (20; 120; 220) im Wesentlichen geradlinig sind.
Tauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrheit der flexiblen Bereiche (12; 112; 212), insbesondere alle flexiblen Bereiche (12; 112; 212) des Außenblechs (10; 110; 210) mit einem entsprechenden flexiblen Bereich (22) des Innenblechs (20; 120; 220) zwei flexible Bereiche bilden, die in einer gleichen radialen Richtung ausgerichtet sind.
Tauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Wicklungsrichtung (Y) im Querschnitt gesehen die steifen Bereiche (14, 24; 114; 214) durch Abflachungen (15, 25) gebildet sind und die flexiblen Bereich durch hohle Profile (17, 27) und Kanten (16, 16) zwischen den hohlen Profilen und den Abflachungen gebildet sind, wobei die hohlen Profile insbesondere in Richtung Wicklungsachse (X) ausgebildet sind.
Tauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder flexible Bereich (12; 112; 212), insbesondere jedes hohle Profil (17) des Außenblechs über die gesamte Breite des Außenblechs in Richtung Wicklungsachse (X) einen geradlinige Teil aufweist, der an der Befestigungsebene (S) liegt, und jeder flexible Bereich (12; 112; 212), insbesondere jede Kante (26) des Innenblechs (20) über seine gesamte Länge parallel zur Wicklungsachse (X) mindestens einen geradlinigen Abschnitt aufweist, der in der Befestigungsebene (S) liegt, um in der Befestigungsebene (S) mehrere Gelenke zu bilden.
Tauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere steife Bereiche (14; 114; 214), insbesondere mehrere Abflachungen (15; 115; 215) des Außenblechs mit mindestens einem hohlen Abschnitt (46; 146; 246) versehen sind, wobei jeder hohle Abschnitt gegen einen steifen Bereich (24) des Innenblechs (20) drückt.
Tauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Fluideinlassöffnung (36; 136; 236) zum Einleiten von Fluid in den Raum und mindestens eine Fluidauslassöffnung (37; 137; 237) zum Abführen von Fluid aus dem Raum (30), wobei die Einlassöffnungen) und die Auslassöffnung(en) in Wicklungsrichtung an einem ersten Ende des Außenblechs (10; 110; 210) oder des Innenblechs (20) angeordnet sind, wobei das erste Ende zu einem zweiten Ende, an dem die Wicklung begann, entgegengesetzt ist.
Tauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (30) U-förmig, W-förmig oder zickzackförmig ist und im Wesentlichen geradlinige Abzweigungen (40, 42; 140, 142; 240, 241, 242, 243) aufweist.
Tauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenblech (10; 110; 210) und das Innenblech (20) jeweils zwischen zwei Abzweigungen aneinander befestigt sind.
Tauscher nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenblech (110; 210) und das Innenblech (20) einen entsprechenden Ausschnitt (160; 260, 262, 264) zwischen zwei Abzweigungen (140, 142; 240, 241, 242, 243) aufweisen.
Tauscher nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein durchschnittlicher Durchlassdurchmesser im Raum (30) zwischen der/den Einlassöffnung(en) (36; 136; 236) und der/den Auslassöffnung(en) (37; 137; 237) abnimmt.
Tauscher nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abzweigung (40, 42; 140, 142; 240, 241, 242, 243) eine im Wesentlichen konstante Breite (L1, L2, L3, L4) hat und die Breite (L1, L2, L3, L4) der Abzweigungen in Richtung Wicklungsachse (X) der mindestens zwei aneinander angrenzenden Abzweigungen (140, 142; 240, 241, 242, 243) relativ zueinander abnimmt.
Tauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenblech (10; 110; 210) und/oder das Innenblech (20) aus einem Metallblech besteht/bestehen.
Abschnitt eines Auspuffs, mit einem Tauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Spiraltauscher, das die folgenden Schritte umfasst: – Prägen mehrerer flexibler Bereiche (12, 22; 112; 212) und mehrerer steifer Bereiche (14, 24; 114; 214) in einem Außenblech (10; 110; 210) und einem Innenblech (20), wobei die flexiblen Bereiche, beim Falten flexibler sind als die steifen Bereiche und die flexiblen Bereiche und die steifen Bereiche entlang der Wicklungsachse (X) langgestreckt sind, – Ausrichten des Außenblechs (10; 110; 210) und den Innenblechs (20), so dass mindestens ein flexibler Bereich (12; 112; 212) des Außenblechs (10; 110; 210) und mindestens ein flexibler Bereich (22) des Innenblechs (20, 120, 220) zwei flexible Bereiche bilden, die aufeinander ausgerichtet sind, – permanentes Befestigen des Außenblechs (10; 110; 210) am Innenblech (20) an vorbestimmten Stellen zur Bildung eines Raums (30) zwischen ihnen und – Wickeln des Außenblechs (10; 110; 210) und des Innenblechs (20) zur Bildung des Spiraltauschers.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die steifen Bereiche (14, 24; 114; 214) in Wicklungsrichtung (Y) gesehen durch Abflachungen (15, 25) gebildet sind und die flexiblen Bereiche durch hohle Profile (17, 27) und Kanten (16, 16) zwischen den hohlen Profilen und den Abflachungen gebildet sind, wobei bei den Wicklungsschritten die Vertiefungen zur Wicklungsachse hin ausgerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenblech (10; 110; 210) und/oder das Innenblech (20) eine Fluideinlassöffnung (36; 136; 236) zum Einleiten von Fluid in den Raum und mindestens eine Fluidauslassöffnung (37; 137; 237) zum Abführen von Fluid aus dem Raum aufweist, wobei die Bleche ein erstes Ende (34; 134; 234) in Wicklungsrichtung (Y) aufweisen, in der die Öffnungen angeordnet sind, wobei der Wicklungsschritt mit einem zum ersten Ende entgegengesetzten zweiten Ende (35; 135; 235) beginnt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Raum (30) U-förmig, W-förmig oder zickzackförmig ist, wobei der Raum (30) im Wesentlichen geradlinige Abzweigungen (140, 142; 240, 241, 242, 243) aufweist, wobei das Verfahren auch einen Schritt zum Schneiden des Außenblechs (110; 210) und des Innenblechs (20) zwischen mindestens zwei angrenzenden Abzweigungen zur Bildung eines Ausschnitts (160; 260, 262, 264) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es Schritte zur Ausbildung eines Tauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.