DE29622411U1 - Heat exchangers, in particular exhaust gas heat exchangers - Google Patents

Heat exchangers, in particular exhaust gas heat exchangers

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Description

WILHELM & .DA.y&TERWILHELM & .DA.Y&TER

PATENTANWÄI^f&xgr;-ÄUROf &Egr;&Agr;&Igr;&iacgr;&Tgr;&Dgr;&Tgr;&Egr;&idigr;&iacgr;&idiagr; 'ATTORNEYSPATENT ATTORNEY'S OF &Egr;&Agr;&Igr;&iacgr;&Tgr;&Dgr;&Tgr;&Egr;&idigr;&iacgr;&idiag; 'ATTORNEYS

D-70174 STUTTGART HOSPITaLbTRASSE 8 '"TEtSfT)N (0&Pgr;1) 228f 10 TELEFAX (0711)2281122D-70174 STUTTGART HOSPITalbTRASSE 8 '"TEtSfT)N (0&Pgr;1) 228f 10 TELEFAX (0711)2281122

Anmelder:Applicant:

Behr GmbH & Co. 23.12.1996Behr GmbH & Co. 23.12.1996

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70469 Stuttgart70469 Stuttgart

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Wärmeübertrager/ insbesondere AbgaswärmeübertragerHeat exchangers/ especially exhaust gas heat exchangers

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Abgaswärmeübertrager, mit einem zur Führung von Gas bestimmten Bündel aus Rechteckrohren, die untereinander in im wesentlichen gleichen Abständen angeordnet sind und deren Enden in Rohrboden gehalten sind, die zusammen mit einem Außenmantel ein das Bündel aus Rechteckrohren umgebendes, zur Führung eines flüssigen Kühlmittels dienendes Gehäuse bilden, das im Bereich zwischen den Rohrboden mit einem Eintritt und mit einem Austritt für das Kühlmittel versehen ist.The invention relates to a heat exchanger, in particular an exhaust gas heat exchanger, with a bundle of rectangular tubes intended for guiding gas, which are arranged at substantially equal distances from one another and whose ends are held in tube sheets, which together with an outer jacket form a housing surrounding the bundle of rectangular tubes and serving to guide a liquid coolant, which is provided with an inlet and an outlet for the coolant in the area between the tube sheets.

Ein derartiger Wärmeübertrager ist Gegenstand der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 195 40 683.4. Um bei einem derartigen Wärmeübertrager eine kompakte Bauweise zu ermöglichen, sind die Rechteckrohre derart angeordnet, daß das Rohrbündel eine annähernd zylindrische Kontur hat. Um im wesentlichen gleich große Strömungskanäle für das Kühlmittel auch im Außenbereich zu schaffen, ist der Außenmantel derart abgestuft, daß er der Außenkontur des Rohrbündels folgt.Such a heat exchanger is the subject of the unpublished German patent application 195 40 683.4. In order to enable a compact design for such a heat exchanger, the rectangular tubes are arranged in such a way that the tube bundle has an almost cylindrical contour. In order to create essentially equally large flow channels for the coolant in the outer area as well, the outer casing is stepped in such a way that it follows the outer contour of the tube bundle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Wärmeübertragers der eingangs genannten Art insbesondere bezüglich des Außenmantels zu vereinfachen.The invention is based on the object of simplifying the manufacture of a heat exchanger of the type mentioned above, in particular with regard to the outer casing.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen dem Außenmantel und den äußeren Rechteckrohren Füllkörper angeordnetThis task is solved by arranging filler bodies between the outer shell and the outer rectangular tubes.

sind, die zu den äußeren Rechteckrohren einen Abstand haben, der im wesentlichen dem Abstand der Rechteckrohre untereinander entspricht.which are spaced apart from the outer rectangular tubes by a distance that essentially corresponds to the distance between the rectangular tubes.

Für den Außenmantel und auch für die Formkörper sind nur einfache geometrische Formen erforderlich. Der Außenmantel und die Füllkörper sind daher einfach herzustellen. Bei dem Zusammenbau ergeben sich keine Füge- oder Positionierungsprobleme, so daß der Vorrichtungsaufwand für den Zusammenbau einfach ist. Die Füllkörper führen dazu, daß der Außenmantel ein höheres Widerstandsmoment erhält, so daß das Gehäuse insgesamt druckstabil und biegesteif ist. Da der Außenmantel nicht mit dem Abgas, sondern nur mit dem Kühlmittel und der Atmosphäre in Berührung kommt, kann ein relativ einfacher Stahl für den Außenmantel Verwendung finden, beispielsweise der Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4301, der gut schweißbar, gut verformbar und korrosionsbeständig ist. Aufgrund der einfachen Geometrie des Außenmantels ist es außerdem möglich, eine oder mehrere Dehnungsfugen zur Aufnahme von thermischen Spannungen einzubringen und/oder auch Versteifungssicken anzubringen .Only simple geometric shapes are required for the outer casing and also for the molded bodies. The outer casing and the fillers are therefore easy to manufacture. There are no joining or positioning problems during assembly, so that the equipment required for assembly is simple. The fillers give the outer casing a higher section modulus, so that the housing as a whole is pressure-stable and rigid. Since the outer casing does not come into contact with the exhaust gas, but only with the coolant and the atmosphere, a relatively simple steel can be used for the outer casing, for example steel with the material number 1.4301, which is easy to weld, easy to form and corrosion-resistant. Due to the simple geometry of the outer casing, it is also possible to introduce one or more expansion joints to absorb thermal stresses and/or to attach stiffening beads.

In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Füllkörper mit Vorsprüngen versehen sind, die sich an die äußeren Rechteckrohre anlegen. Dadurch ist es möglich, das Rohrbündel insgesamt etwas zu stabilisieren, so daß es unempfindlicher gegen Schwingungen wird.In an embodiment of the invention, it is provided that the fillers are provided with projections that rest against the outer rectangular tubes. This makes it possible to somewhat stabilize the tube bundle as a whole, so that it becomes less sensitive to vibrations.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Füllkörper miteinander verbindbar sind. Dadurch läßt sich das Rohrbündel mit den Rohrboden und den Füllkörpern zu einer handhabbaren Baugruppe vormontieren.In a further embodiment of the invention, it is provided that the packing elements can be connected to one another. This allows the tube bundle with the tube sheet and the packing elements to be pre-assembled to form a manageable assembly.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß der Außenmantel ein vorzugsweise zylindrisches Rohr ist. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache geometrische Form.In a further embodiment of the invention, it is provided that the outer casing is preferably a cylindrical tube. This results in a particularly simple geometric shape.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Füllkörper insgesamt eine Außenkontur bilden, die gegenüber der Innenabmessung des Außenmantels ein Übermaß aufweist . Bei dem Anbringen des Außenmantels werden dann die Füllkörper etwas zusammengedrückt, so daß sie die Rechteckrohre des Rohrbündels in sich verspannen und insbesondere aufgrund der an den äußeren Rohren anliegenden Vorsprünge noch schwingungsunempfindlicher machen.In a further embodiment of the invention, it is provided that the fillers as a whole form an outer contour that is larger than the inner dimensions of the outer casing. When the outer casing is attached, the fillers are then slightly compressed so that they brace the rectangular tubes of the tube bundle and, in particular, make them even less sensitive to vibrations due to the projections on the outer tubes.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform.Further features and advantages of the invention emerge from the following description of the embodiment shown in the drawing.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager undFig. 1 shows a longitudinal section through an exhaust gas heat exchanger according to the invention and

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1.Fig. 2 is a section along the line II-II of Fig. 1.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Abgaswärmetauscher besitzt ein Rohrbündel 10 aus einer Vielzahl von Rechteckrohren, die untereinander gleichmäßige Abstände aufweisen und die so angeordnet sind, daß die Außenkontur an einen Zylinder angenähert ist. Die Rechteckrohre des Rohrbündels 10 sind an beiden Enden jeweils in Aussparungen von Rohrböden 11, 12 eingesteckt und mit diesen gasdicht verbunden, beispielsweise verschweißt oder hart verlötet.The exhaust gas heat exchanger shown in Fig. 1 and 2 has a tube bundle 10 made up of a large number of rectangular tubes which are evenly spaced apart from one another and which are arranged in such a way that the outer contour approximates a cylinder. The rectangular tubes of the tube bundle 10 are inserted at both ends into recesses in tube plates 11, 12 and are connected to them in a gas-tight manner, for example by welding or brazing.

Das Rohrbündel 10 ist mit einem als Rundrohr ausgeführten Außenmantel 13 umgeben. Der Außenmantel 13 bildet mit den Rohrböden 11, 12 ein Gehäuse, in welchem zwischen einem Eintritt 14 und einem Austritt 15 flüssiges Kühlmittel geführt ist.The tube bundle 10 is surrounded by an outer casing 13 designed as a round tube. The outer casing 13 forms a housing with the tube sheets 11, 12 in which liquid coolant is guided between an inlet 14 and an outlet 15.

Um für die Kühlmittelströmung im wesentlichen querschnittsgleiche Strömungskanäle auch im Bereich der äußeren Rechteckrohre des Rohrbündels 10 zu schaffen, sind zwischen dem Außenmantel 13 und dem Rohrbündel 10 Füllkörper 16, 17 angeordnet. Bei dem Ausführunbgsbeispiel sind zwei halbschalenförmige Füllkörper 16, 17 vorgesehen, die eine vollständige Umman-In order to create flow channels with essentially the same cross-section for the coolant flow in the area of the outer rectangular tubes of the tube bundle 10, fillers 16, 17 are arranged between the outer casing 13 and the tube bundle 10. In the exemplary embodiment, two half-shell-shaped fillers 16, 17 are provided, which completely enclose

telung für das Rohrbündel 10 bilden. Die Innenkontur der beiden Füllkörper 16, 17, die bei dem Ausführungsbeispiel als Kunststoffspritzteile hergestellt sind, ist so gestaltet, daß die Innenkontur der beiden Füllkörper 16, 17 der Außenkontur des Rohrbündels 10 folgt und dabei zu den äußeren Rechteckrohren des Rohrbündels 10 einen Abstand einhält, der im wesentlichen dem Abstand entspricht, der zwischen den Rechteckrohren des Rohrbündels 10 untereinander besteht.ing for the tube bundle 10. The inner contour of the two filler bodies 16, 17, which in the embodiment are manufactured as plastic injection molded parts, is designed in such a way that the inner contour of the two filler bodies 16, 17 follows the outer contour of the tube bundle 10 and maintains a distance from the outer rectangular tubes of the tube bundle 10 that essentially corresponds to the distance that exists between the rectangular tubes of the tube bundle 10.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, sind die Füllkörper 16, 17 mit Aussparungen 18 versehen, die im Bereich der Rohrboden 11, 12 jeweils einen Ringkanal bilden. In den dem Rohrboden 11 zugeordneten Ringkanal ragt der Eintritt 14 für das flüssige Kühlmittel. In den dem Rohrboden 12 zugeordneten Ringkanal ragt der Austritt 15 für das flüssige Kühlmittel.As can be seen from Fig. 1, the fillers 16, 17 are provided with recesses 18, which each form an annular channel in the area of the tube sheets 11, 12. The inlet 14 for the liquid coolant protrudes into the annular channel assigned to the tube sheet 11. The outlet 15 for the liquid coolant protrudes into the annular channel assigned to the tube sheet 12.

Die Füllkörper 16, 17 sind mit noppenartigen Vorsprüngen 19 versehen, von denen in Fig. 1 und 2 nur einige dargestellt sind. Diese noppenförmigen Vorsprünge 19 liegen jeweils an einem der Rechteckrohre des Rohrbündels 10 an. Die als Halbschalen ausgebildeten Füllkörper 16, 17 sind bei der Montage miteinander verbindbar, bei dem Ausführungsbeispiel mittels Rastverbindungen 20.The fillers 16, 17 are provided with knob-like projections 19, of which only a few are shown in Fig. 1 and 2. These knob-like projections 19 each rest against one of the rectangular tubes of the tube bundle 10. The fillers 16, 17, which are designed as half shells, can be connected to one another during assembly, in the exemplary embodiment by means of snap-in connections 20.

Ein derartiger Abgaswärmetauscher ist hohen Temperaturunterschieden ausgesetzt, so daß Ausgleichsmöglichkeiten vorgesehen werden sollten, um thermische Spannungen zu vermeiden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Außenmantel 13 aus diesem Grund mit einer Dehnungsfuge 21 versehen.Such an exhaust gas heat exchanger is exposed to high temperature differences, so that compensation options should be provided in order to avoid thermal stresses. In the embodiment shown, the outer casing 13 is provided with an expansion joint 21 for this reason.

Bei der Herstellung des dargestellten Abgaswärmetauschers werden zunächst die Rechteckrohre des Rohrbündels 10 mit den Rohrboden 11, 12 versehen. Danach werden sie mit den halbschalenförmigen Füllkörpern 16, 17 ummantelt. Da diese halbschaligen Füllkörper 16, 17 miteinander verrasten, bilden sie mit dem Rohrbündel 10 und den Rohrboden 11, 12 eine vormontierte Baueinheit. Über diese vormontierte Baueinheit wird dann der Außenmantel 13 übergeschoben. Die beiden FüllkörperWhen manufacturing the exhaust gas heat exchanger shown, the rectangular tubes of the tube bundle 10 are first provided with the tube plates 11, 12. They are then covered with the half-shell-shaped fillers 16, 17. Since these half-shell-shaped fillers 16, 17 lock together, they form a pre-assembled unit with the tube bundle 10 and the tube plates 11, 12. The outer jacket 13 is then pushed over this pre-assembled unit. The two fillers

16, 17 bilden eine Außenkontur, die ein leichtes Übermaß gegenüber der Innenabmessung des Außenmantels 13 aufweist. Bei dem Aufschieben des als Rundrohr ausgebildeten Außenmantels werden die Füllkörper 16, 17 gegeneinander verspannt, so daß sie ihrerseits mittels der noppenförmigen Vorsprünge das Rohrbündel 10 belasten und verspannen. Nachdem der Außenmantel 13 angebracht worden ist, wird dieser mit den Rohrböden 11, 12 gasdicht verschweißt. In dem Außenmantel 13 werden außerdem noch Anschlußrohre für den Eintritt 14 und den Austritt 15 eingeschweißt, die jeweils in den Ringkanal ragen, der mittels der Aussparungen 18 der Füllkörper 16, 17 gebildet ist. Außerdem werden auf der Gaseintrittsseite eine Gasverteilkammer 22 und auf der Gasaustrittsseite eine Gassammelkammer 23 angebracht. Diese haben jeweils eine konische Gestalt, wobei ihr größter Abmesser sich im Bereich der Rohrböden 11, 12 befindet. Sie gehen vorzugsweise in einen Flansch über, mit dem sie an Rohren einer Auspuffanlage eines Fahrzeugmotors angebracht werden können.16, 17 form an outer contour that is slightly oversized compared to the inner dimensions of the outer casing 13. When the outer casing, which is designed as a round tube, is pushed on, the fillers 16, 17 are braced against one another so that they in turn load and brace the tube bundle 10 using the knob-shaped projections. After the outer casing 13 has been attached, it is welded to the tube sheets 11, 12 in a gas-tight manner. In addition, connecting pipes for the inlet 14 and the outlet 15 are welded into the outer casing 13, each of which protrudes into the ring channel that is formed by the recesses 18 of the fillers 16, 17. In addition, a gas distribution chamber 22 is attached on the gas inlet side and a gas collection chamber 23 is attached on the gas outlet side. These each have a conical shape, with their largest diameter being in the area of the tube sheets 11, 12. They preferably merge into a flange with which they can be attached to the pipes of an exhaust system of a vehicle engine.

Bei dem Ausführungsbeispiel sind die beiden Füllkörper 16, 17 aus Kunststoff als Spritzteile hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, die Füllkörper 16, 17 aus Metall, beispielsweise einem Leichtmetallguß, oder auch aus Keramik herzustellen.In the embodiment, the two filler bodies 16, 17 are made of plastic as injection-molded parts. However, it is also possible to make the filler bodies 16, 17 from metal, for example a light metal cast, or from ceramic.

Die Rechteckrohre des Rohrbündels 10 können so hergestellt werden, wie dies in der deutschen Patentannmeldung 195 40 683.4 offenbart ist. Insbesondere kann vorgesehen werden, daß sie wenigstens an einer Innenwandung, d.h. in dem gasführenden Bereich, mit V-förmig angeordneten Laschen versehen werden, die eine Ablagerung von Ruß &ogr;.dgl. innerhalb der Rechteckrohre weitgehend verhindern.The rectangular tubes of the tube bundle 10 can be manufactured as disclosed in German patent application 195 40 683.4. In particular, it can be provided that they are provided with V-shaped tabs at least on one inner wall, i.e. in the gas-carrying area, which largely prevent the deposition of soot etc. inside the rectangular tubes.

Claims (12)

SchutzansprücheProtection claims 1. Wärmeübertrager, insbesondere Abgaswärmeübertrager mit einem zur Führung von Gas bestimmten Rohrbündel aus Rechteckrohren, die zueinander in im wesentlichen gleichen Abständen angeordnet sind und deren Enden in Rohrboden gehalten sind, die zusammen mit einem Außenmantel ein das Bündel aus Rechteckrohren umgebendes, zur Führung eines flüssigen Kühlmittels dienendes Gehäuse bilden, das im Bereich zwischen den Rohrböden mit einem Eintritt und mit einem Austritt für das Kühlmittel versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Außenmantel (13) und den äußeren Rechteckrohren des Rohrbündels (10) Füllkörper (16, 17) angeordnet sind, die zu den äußeren Rechteckrohren einen Abstand haben, der im wesentlichen dem Abstand der Rechteckrohre untereinander entspricht.1. Heat exchanger, in particular exhaust gas heat exchanger with a tube bundle intended for conducting gas, made of rectangular tubes, which are arranged at essentially equal distances from one another and whose ends are held in tube sheets, which together with an outer jacket form a housing surrounding the bundle of rectangular tubes, which serves to conduct a liquid coolant and which is provided with an inlet and an outlet for the coolant in the area between the tube sheets, characterized in that between the outer jacket (13) and the outer rectangular tubes of the tube bundle (10) there are arranged filler bodies (16, 17) which are at a distance from the outer rectangular tubes which essentially corresponds to the distance between the rectangular tubes. 2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (16, 17) mit Vorsprüngen (19) versehen sind, die sich an die äußeren Rechteckrohre des Rohrbündels (10) anlegen.2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the filling bodies (16, 17) are provided with projections (19) which rest against the outer rectangular tubes of the tube bundle (10). 3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (16, 17) miteinander verbindbar sind.3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the filling bodies (16, 17) can be connected to one another. 4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei halbschalenförmige, miteinander verbindbare Füllkörper vorgesehen sind.4. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that two half-shell-shaped, interconnectable filling bodies are provided. 5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (16, 17) im Bereich ihrer den Rohrboden (11, 12) zugewandten Enden mit Aussparungen (18) versehen sind, die sich jeweils zu einem Ringkanal ergänzen, wobei in einen Ringkanal der an dem Außenmantel (13) angebrachte Eintritt (14)5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the filling bodies (16, 17) are provided with recesses (18) in the area of their ends facing the tube plate (11, 12), which each complement one another to form an annular channel, wherein the inlet (14) attached to the outer casing (13) is inserted into an annular channel. und in den anderen Ringkanal der an dem Außenmantel (13) angebrachte Austritt (15) hineinragen.and the outlet (15) attached to the outer casing (13) protrudes into the other annular channel. 6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Außenmantel (13) ein vorzugsweise zylindrisches Rohr vorgesehen ist.6. Heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized in that a preferably cylindrical tube is provided as the outer casing (13). 7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (13) mit einer Dehnfuge (21) versehen ist.7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that the outer casing (13) is provided with an expansion joint (21). 8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (16, 17) zusammen eine Außenkontur bilden, die gegenüber den Innenabmessungen des Außenmantels (13) ein Übermaß aufweist .8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterized in that the filling bodies (16, 17) together form an outer contour which has an oversize compared to the inner dimensions of the outer casing (13). 9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an das Gehäuse im Bereich der Rohrboden (11, 12) sich konisch verjüngende Sammel- oder Verteilkästen anschließen.9. Heat exchanger according to one of claims 1 to 8, characterized in that conically tapering collecting or distribution boxes are connected to the housing in the region of the tube plate (11, 12). 10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (16, 17) aus Kunststoff hergestellt sind.10. Heat exchanger according to one of claims 1 to 9, characterized in that the filling bodies (16, 17) are made of plastic. 11. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (16, 17) aus Keramik hergestellt sind.11. Heat exchanger according to one of claims 1 to 9, characterized in that the filling bodies (16, 17) are made of ceramic. 12. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (16, 17) aus Metall hergestellt sind.12. Heat exchanger according to one of claims 1 to 9, characterized in that the filling bodies (16, 17) are made of metal.
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