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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, insbesondere einen
Wärmetauscher
mit einem als erste Fluidführung
dienenden, insbesondere kreiszylindrischen Gehäuse, einer als zweite Fluidführung dienenden
Mehrzahl von Röhren,
die wenigstens abschnittsweise durch das Gehäuse geführt sind und die in etwa parallel
zueinander und parallel zu einer Hauptachse des Gehäuses angeordnet
sind, sowie einem ersten Abstützelement,
welches in etwa quer zur Hauptachse des Gehäuses ausgerichtet ist und eine
erste Röhre
gegen das Gehäuse
abstützt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, mit möglichst einfachen
Mitteln einen gegenüber
thermischen Dehnungen und Vibrationen besonders widerstandsfähigen Wärmetauscher
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Wärmetauscher
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei umfasst der Wärmetauscher
erfindungsgemäß ein zweites,
vom ersten Abstützelement
verschiedenes Abstützelement,
welches in etwa quer zur Hauptachse des Gehäuses ausgerichtet ist und eine
zweite Röhre
gegen die erste Röhre abstützt. Die
erste und die zweite Röhre
sind vorzugsweise parallel geschaltet nebeneinander angeordnet und
führen
insbesondere dasselbe Fluid in gleicher oder entgegengesetzter Richtung.
Insbesondere sind sie von einem anderen Fluid umgeben, welches innerhalb
des Gehäuses
derart strömen
kann, dass zwischen den Fluiden ein Wärmeaustausch stattfindet. Durch
die erfindungsgemäße Anordnung des
zweiten Abstützelementes
ergibt sich in dessen Bereich eine Kraft- und Spannungsübertragung
zwischen der ersten und der zweiten Röhre; die zweite Röhre stützt sich
an der ersten Röhre
ab, wobei die beiden Röhren
vorzugsweise ein gleichgerichtetes Dehnungs- und Schwingungsverhalten
aufweisen. Dadurch kann an dieser Stelle auf eine Abstützung der
zweiten Röhre
am Gehäuse
verzichtet werden, so dass die zweite Röhre weniger starr gegenüber dem
Gehäuse
festgelegt ist und eine erhöhte
Toleranz gegen Wärmedehnungen
und Relativbewegungen der Bauteile untereinander aufweist. Vorzugsweise
sind dabei die Abstützelemente
in Richtung der Hauptachse des Gehäuses mit Abstand zueinander angeordnet.
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In
Ausgestaltung der Erfindung stützen
das erste Abstützelement
eine erste Gruppe von Röhren gegen
das Gehäuse
und das zweite Abstützelement eine
zweite Gruppe von Röhren
gegen die erste Gruppe von Röhren
ab. Dabei fixiert das erste Abstützelement
die erste Gruppe von Röhren
in sich in Querrichtung relativ starr, während das zweite Abstützelement
die zweite Gruppe von Röhren
in sich verbindet. Es ist eine Kraftübertragungskette quer zur Hauptachse
des Gehäuses
im Wesentlichen vom Gehäuse über die
erste Gruppe von Röhren
auf die zweite Gruppe von Röhren
vorgesehen. Vorzugsweise sind dabei die Abstützelemente in Richtung der Hauptachse
des Gehäuses
mit Abstand zueinander angeordnet. Eine derartige Anordnung weist
innerhalb des so in sich verbundenen Röhrenverbandes eine hohe Stabilität auf, wobei
ein Maximum an Elastizität
gegenüber
Wärmedehnungen
und Vibrationen zu erzielen ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die erste Gruppe und
die zweite Gruppe eine oder mehrere gemeinsame Röhren auf. Dies bedeutet, dass
derartige gemeinsame Röhren
quer zur Hauptachse des Gehäuses
sowohl an dem ersten als auch an dem zweiten Abstützelement
festgelegt sind. Dadurch ist eine Versteifung eines erfindungsgemäßen Röhrenverbandes
erzielbar.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Gruppe von Röhren ringförmig um
die zweite Gruppe von Röhren
herum angeordnet. Dabei ist die erste Gruppe insbesondere innerhalb
des Gehäuses
näher an
der Gehäusestruktur
positioniert und in Richtung der Hauptachse des Gehäuses relativ
starr mit dem Gehäuse
verbunden. Gleichzeitig wird für die
erste Gruppe von Röhren
eine erhöhte
Elastizität in
Querrichtung ermöglicht.
Der zweiten Gruppe von Röhren,
die in Querrichtung weiter entfernt von der Gehäusestruktur angeordnet ist,
wird eine höhere Elastizität in Längsrichtung
ermöglicht.
Vorzugsweise ist hierbei die zweite Gruppe von Röhren innerhalb des Gehäuses ausschließlich gegen
die erste Gruppe von Röhren
abgestützt.
Es kann ferner einem axialsymmetrischen Wärmegradienten Rechnung getragen
werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Abstützelement
als in etwa ringförmige Platte
mit einer mittigen Ausnehmung und das zweite Abstützelement
als eine mit der Ausnehmung korrespondierende Platte gestaltet.
Die Querschnitte von Ausnehmung und zweitem Abstützelement sind vorzugsweise
in Form und Größe ähnlich gestaltet.
Vorzugsweise sind in den Abstützelementen Öffnungen bzw.
Bohrungen zum Durchführen
der Röhren
vorgesehen, wobei die Röhren
axial fixiert oder auch unfixiert durch die Abstützelemente gehalten sein können.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Abstützelement
am Gehäuse
festgelegt, während
das zweite Abstützelement
an einer Röhre festgelegt
ist. Durch eine Festlegung des ersten Abstützelementes am Gehäuse lässt sich
die erste Gruppe von Röhren
axial verschieblich an dem ersten Abstützelement haltern, so dass
ein optimaler Spannungsausgleich in Längsrichtung ermöglicht ist. Die
Festlegung des zweiten Abstützelementes
erfolgt dann vorzugsweise an einer zur ersten Gruppe gehörenden Röhre, wobei
das zweite Abstützelement
mit der ersten Gruppe von Röhren
längsbeweglich
angeordnet ist. Alternativ ist das zweite Abstützelement an einer zur zweiten
Gruppe gehörenden
Röhre festlegbar,
wobei dann das zweite Abstützelement
mit der zweiten Gruppe von Röhren
längsbeweglich
angeordnet ist. Hierbei ergibt sich eine besonders große Elastizität des Röhrenverbandes
innerhalb des Gehäuses.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens ein erstes
Abstützelement
und wenigstens ein zweites Abstützelement
in Richtung der Hauptachse des Gehäuses abwechselnd hintereinander
angeordnet. Hierbei ergibt sich zum einen mit besonders einfachen
Mitteln eine große
Elastizität des
Röhrenverbandes
im Gehäuse;
und zum anderen sind die Abstützelemente
als Strömungsleitmittel zur
Umlenkung eines das Gehäuse
durchströmenden
Fluids vorsehbar.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind in Richtung der Hauptachse
des Gehäuses
aussenliegend zwei zweite Abstützelemente
angeordnet. Damit sind die zweiten Abstützelemente benachbart zu den
quer zur Hauptachse des Gehäuses
orientierten Stirnwänden
des Gehäuses
angeordnet, wobei sich ein relativ geringer Abstand zwischen den
Abstützelementen
und den Stirnwänden
realisieren lässt,
falls die zweiten Abstützelemente
an einer mittig im Gehäuse
angeordneten Röhre
bzw. einer solchen Gruppe von Röhren
fixiert sind.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
sowie aus den Zeichnungen. Hierzu zeigen
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1 eine schematische Darstellung
eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers
in Form eines Abgaskühlers
(Ansicht quer zur Hauptachse des Wärmetauschers) mit mehreren
Abstützelementen,
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2a, 2b, vereinfachte Draufsichten in Richtung
der Hauptachse des Wärmetauschers
auf die Abstützelemente
in 1 sowie
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3 eine Detaildarstellung
des Abstützelementes
nach 2a.
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Ein
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor umfasst einen Abgasstrang,
durch den Verbrennungsprodukte (Abgas) des Verbrennungsmotors an
die Umgebung abführbar
sind. Zugleich ist eine Abgasrückführung vorgesehen, über die
Abgas aus dem Abgasstrang zum Verbrennungsmotor zurückgeführt werden
kann. In der Abgasrückführung ist
vorzugsweise ein Wärmetauscher 1 in
Form eines Abgaskühlers
vorgesehen, in dem das Abgas als erstes Fluid mittels einer Kühlflüssigkeit,
insbesondere Kühlwasser
(zweites Fluid) auf eine vorgebbare Temperatur bringbar ist.
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Entsprechend 1 umfasst der Wärmetauscher 1 ein
kreiszylindrisches Gehäuse 2 mit
einem Einlass-Stutzen 2a sowie einem Auslass-Stutzen 2b für das Abgas,
wobei das Gehäuse 2 selbst
als Führung
für das
Abgas dient und entsprechend gasdicht ausgeführt ist (erste Fluidführung).
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Innerhalb
des Gehäuses 2 ist
in sich parallel und parallel zur Hauptachse des Gehäuses, die
zugleich auch als Hauptachse des Wärmetauschers 1 anzusehen
ist, eine Vielzahl von Röhren 3 angeordnet,
die das Gehäuse
näherungsweise
auf seiner gesamten Länge
durchziehen. Die Röhren 3 führen Kühlwasser
nach dem Gegenstrom- oder dem Gleichstromprinzip durch das Gehäuse 2 und
dienen somit als zweite Fluidführung
im Rahmen des Wärmetauschers 1.
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In
dem Gehäuse 2 sind
mehrere erste Abstützelemente 4 quer
zur Hauptachse des Gehäuses angeordnet,
die innenseitig an dem Gehäuse 2 festgelegt
sind. Die Abstützelemente 4 sind
als ringförmige
Platten aus einem entsprechenden Stahlblech, vorzugsweise jedoch
aus demselben Material wie das Gehäuse 2 hergestellt.
Sie weisen eine mittige, vorzugsweise kreisrunde Ausnehmung 4a sowie
eine der Anzahl der sie durchstoßenden Röhren 3 entsprechende
Zahl von Perforationen bzw. Bohrungen 4b auf (vgl. 2a sowie 3).
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In
dem Gehäuse 2 sind
ferner mehrere zweite Abstützelemente 5 quer
zur Hauptachse des Gehäuses 2 angeordnet,
wobei diese als kreisförmige Platten
aus einem entsprechenden Stahlblech, vorzugsweise jedoch aus demselben
Material wie die Röhren 3 hergestellt
sind. Auch sie weisen eine der Anzahl der sie durchstoßenden Röhren 3 entsprechende
Zahl von Perforationen bzw. Bohrungen auf (nicht näher dargestellt).
Die Form der zweiten Abstützelemente 5 entspricht
in etwa der Form der Ausnehmung 4a, während die Abmessungen der zweiten Abstützelemente 5 größer sind
als diejenigen der Ausnehmung 4a, so dass sich eine gewisse Überlappung
ergibt.
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Die
ersten Abstützelemente 4 stützen eine erste
Gruppe 3a von Röhren
gegen das Gehäuse 2 ab,
wobei die erste Gruppe 3a von Röhren die ersten Abstützelemente
wenigstens teilweise durchstößt und wobei
die erste Gruppe 3a von Röhren radial aussenliegend in
dem Gehäuse 2 angeordnet
ist und eine radial innenliegende zweite Gruppe 3b von
Röhren
mantelartig umgibt. Dabei ist allerdings vorgesehen, dass einzelne
Röhren
sowohl zur ersten als auch zur zweiten Gruppe von Röhren zuzuordnen sind.
Die Röhren
der ersten Gruppe 3a sind vorzugsweise fest mit den ersten
Abstützelementen 4 verbunden,
können
jedoch auch gegenüber
einem oder mehreren ersten Abstützelementen 4 in
Richtung der Hauptachse des Gehäuses 3 verschieblich
gelagert sein.
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Die
zweiten Abstützelemente 5 stützen die zweite
Gruppe 3b von Röhren
gegen die erste Gruppe 3a von Röhren ab. Dies wird insbesondere
dadurch realisiert, dass die zweiten Abstützelemente 5 an einigen
zur ersten Gruppe 3a gehörenden Röhren befestigt sind. Die Röhren der
zweiten Gruppe 3b sind vorzugsweise fest mit den zweiten
Abstützelementen 5 verbunden,
können
jedoch auch gegenüber
einem oder mehreren zweiten Abstützelementen 5 in
Richtung der Hauptachse des Gehäuses 3 verschieblich
gelagert sein. Entsprechend 1 sind zwei
zweite Abstützelemente 5 benachbart
zu den Stirnseiten 2c, 2d des Gehäuses 2 positioniert.
Dabei ergibt sich für
die zweite Gruppe 3b von Röhren eine günstige axiale Lage des Abstützpunktes,
der mit einer Längsdehnung
der Röhren
der ersten Gruppe 3a variabel ist. Zugleich ergibt sich
ein nahe am Einlass- bzw. Auslass-Stutzen liegender Umlenkpunkt
für die Abgasströmung, so
dass eine möglichst
hohe Wärmeübertragungsrate
möglich
ist.
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Die
ersten und zweiten Abstützelemente 4, 5 sind
derart in Richtung der Hauptachse des Gehäuses abwechselnd und versetzt
angeordnet, dass sich eine mehrfache Umlenkung der Abgasströmung gegeben
ist. Zugleich sind die ersten Abstützelemente 4 mit einem
möglichst
großen
Abstand zu den Stirnseiten 2c, 2d im Gehäuse positionierbar,
so dass eine spannungsreduzierende Verformung der Röhren der
ersten Gruppe 3a in Querrichtung ermöglicht ist. Vorzugsweise sind
die Abstützelemente
in Richtung der Hauptachse des Gehäuses mit näherungsweise gleichem Abstand
zueinander angeordnet.
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Durch
die vorgeschlagene Gestaltung der unterschiedlichen Abstützelemente 4 bzw. 5 wird eine
optimale Positionierung der Abstützpunkte
innerhalb des Gehäuses
des Wärmetauschers
ermöglicht.
Insbesondere lässt
sich eine vibrationsgünstige Abstützung der
innenliegenden Röhren
nahe an den Stirnwänden
des Gehäuses
vornehmen, während eine
spannungsgünstige
Abstützung
der aussenliegenden Röhren
entfernt von den Stirnwänden
des Gehäuses
zugleich realisierbar ist. Je nach thermischer und schwingungstechnischer
Belastung des Wärmetauschers
im Kraftfahrzeug lassen sich die Positionen der Abstützelemente
flexibel auswählen, wodurch
eine besonders hohe innere Elastizität und Dehnungstoleranz bei
gleichzeitig ausreichender Steifigkeit erreichbar ist.