EP1541935B2 - Wärmetauscheranordnung für ein Heizgerät - Google Patents

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EP1541935B2
EP1541935B2 EP04029395.3A EP04029395A EP1541935B2 EP 1541935 B2 EP1541935 B2 EP 1541935B2 EP 04029395 A EP04029395 A EP 04029395A EP 1541935 B2 EP1541935 B2 EP 1541935B2
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heat exchanger
heat
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housing
magnesium
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Andreas Alber
Andreas Collmer
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Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
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Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers
    • F24H1/26—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body
    • F24H1/263—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body with a dry-wall combustion chamber

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger assembly for a heater, in particular vehicle heater, comprising an inner heat exchanger housing, which together with an outer heat exchanger housing, called jacket, a flow space for medium to be heated, as it is known from DE-A-10207953 is known.
  • the heat exchanger housing receives heat from the combustion exhaust gases flowing therein and transports it toward the medium to be heated, for example, a liquid medium, such as e.g. Water.
  • the heat transfer from the hot combustion exhaust gases to the medium to be heated should take place as far as possible without heat transfer losses, i. through the inner heat exchanger housing as low as possible heat transfer resistance to be provided. Since the two heat exchanger housings are generally made of the same material, there is the problem that the medium to be heated, which receives heat via the inner heat exchanger housing, then transfers this heat to the outer heat exchanger housing and from there the heat to the environment is emitted as radiant heat.
  • this object is achieved by a heat exchanger arrangement for a heater, in particular vehicle heater, according to claim 1.
  • magnesium or a magnesium-containing material such as a magnesium alloy
  • the inner heat exchanger housing made of aluminum or aluminum-containing material is for efficient heat transfer from the combustion exhaust gases to the medium to be heated.
  • a heat exchanger assembly according to the invention is generally designated 10.
  • This heat exchanger assembly 10 is shown here in combination with a heater 12, of which the essential system areas are recognizable.
  • the heater comprises a pot-like combustion chamber housing 14, which encloses a combustion chamber 16.
  • the fuel to be combusted and the combustion air required for this purpose are fed, and the combustion exhaust gases generated in the combustion chamber 16 combustion flow from the open towards the longitudinal axis L combustion chamber housing 14 through a flame cover 18 in a subsequent to the combustion chamber housing 14 Flame tube 20 a.
  • the hot combustion exhaust gases exit in the direction of the arrows, are deflected by the heat exchanger arrangement 10 and flow back on the outside of the flame tube 20. During this backflow and when impinging on the heat exchanger assembly 10, the combustion exhaust gases transfer heat to the heat exchanger assembly 10 and thus a medium to be heated flowing therein.
  • the heat exchanger assembly 10 comprises a cup-shaped inner heat exchanger housing 24 and an outer heat exchanger housing 26 surrounding it and substantially also pot-shaped. These two pot-shaped heat exchanger housings 24, 26 are fixedly connected to each other in an edge region 28 to produce a substantially tight seal, for example by gluing. In this way, a flow space 30 is formed between the two heat exchanger housings 24, 26, which can flow through the medium to be heated, that is, for example, a liquid such as water or the like. For this purpose, not shown inlet and outlet openings are present, which is a flow through the heat exchanger assembly 10 allow.
  • combustion exhaust gases impinge on a bottom portion 32 of the inner heat exchanger housing 24 and are deflected by this radially outward.
  • the combustion exhaust gases then flow back in the direction of the combustion chamber housing 14 and then leave the arrangement in the region of an outlet opening.
  • the combustion exhaust gases transfer heat to the inner heat exchanger housing 24, which in turn emits the heat to the medium flowing in the flow space 30.
  • the inner heat exchanger housing 24 may be provided on its outer side with a helical projection configuration 38 which on the one hand increases the interaction surface and on the other hand ensures that the medium flowing in the flow space 30 takes a helical path and thus a comparatively has long interaction path for heat absorption. Also in the bottom region 32, projections 40 may be formed for improved heat transfer.
  • the inner heat exchanger housing 24 should be constructed of a material which on the one hand can be exposed to the high temperatures of the combustion exhaust gases, but on the other hand has a comparatively low thermal resistance.
  • a material for constituting the same which ensures that the heat received in the medium to be heated remains substantially contained therein.
  • this outer heat exchanger housing 26 made of magnesium or a magnesium-containing material, such as. B. a Magesiumlegtechnik constructed. This material has a significantly lower coefficient of thermal conductivity compared to aluminum with approx.
  • magnesium also has a significant weight reduction compared to, for example, constructed of aluminum housings result. Also, using this material this outer heat exchanger housing can be made with thinner material thickness, which on the one hand a compact design is made possible and on the other hand, due to the lower material volume and the higher price of magnesium can be compensated compared to aluminum. Furthermore, magnesium or a magnesium alloy material is characterized by a very high corrosion resistance and a better castability compared to aluminum, which in turn results in longer tool life. In the production of such housing components made of magnesium or a magnesium alloy very low manufacturing tolerances can be achieved. In addition, this material is characterized by a good workability. Finally, magnesium can also be prepared by bonding methods, such. B. bonding, very stable with other materials, such. As aluminum, connect, so that a fluid-tight termination of the flow space 30 can be ensured.
  • the configuration of the heat exchanger assembly 10 shown in the figure with respect to the structural design of the outer heat exchanger housing 26 and the inner heat exchanger housing 24 is only exemplary.
  • other projection formations may be provided, as well as the shape of the outer heat exchanger housing may be selected differently at its outer peripheral region, for example, adapted to specific space requirements of this heat exchanger assembly receiving vehicle.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung für ein Heizgerät, insbesondere Fahrzeugheizgerät, umfassend ein inneres Wärmetauschergehäuse, das zusammen mit einem äußeren Wärmetauschergehäuse, Mantel genannt, einen Strömungsraum für zu erwärmendes Medium begrenzt, wie sie aus der DE-A-10207953 bekannt ist.
  • Bei derartigen beispielsweise in Fahrzeugheizgeräten, die als Zuheizer oder Standheizung betrieben werden können, eingesetzten Wärmetauscheranordnungen nimmt im Allgemeinen das innere Wärmetauschergehäuse von den darin strömenden Verbrennungsabgasen Wärme auf und transportiert diese in Richtung zu dem zu erwärmenden Medium, also beispielsweise einem flüssigen Medium, wie z.B. Wasser. Dabei soll der Wärmeübertrag von den heißen Verbrennungsabgasen zu dem zu erwärmenden Medium möglichst ohne Wärmeübertragungsverluste erfolgen, d.h. durch das innere Wärmetauschergehäuse soll ein möglichst geringer Wärmeübertragungswiderstand bereitgestellt werden. Da im Allgemeinen die beiden Wärmetauschergehäuse aus dem gleichen Material gebildet sind, besteht das Problem, dass das zu erwärmende Medium, das über das innere Wärmetauschergehäuse Wärme zugeführt bekommt, diese Wärme dann auch auf das äußere Wärmetauschergehäuse überträgt und von diesem die Wärme dann zur Umgebung hin als Strahlungswärme abgegeben wird.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauscheranordnung bereitzustellen, welche eine effizientere Übertragung der Wärme auf das zu erwärmende Medium ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Wärmetauscheranordnung für ein Heizgerät, insbesondere Fahrzeugheizgerät, gemäß Anspruch 1.
  • Der Einsatz von Magnesium oder einem Magnesium haltigen Material, also beispielsweise einer Magnesiumlegierung, führt zu dem elementaren Vorteil, dass aufgrund der Tatsache, dass Magnesium einen deutlich geringeren Wärmeleitkoeffizienten aufweist, als beispielsweise Aluminium, der Wärmeübertrag von dem zu erwärmenden Medium auf das äußere Wärmetauschergehäuse und von diesem dann zur Umgebung hin deutlich gemindert werden kann. Das heißt, die einmal über das innere Wärmetauschergehäuse auf das zu erwärmende Medium übertragene Wärme wird zu einem deutlich geringeren Anteil auf das äußere Wärmetauschergehäuse übertragen und kann somit effizienter in dem zu erwärmenden Medium abtransportiert werden. Bei Aufbau des äußeren Wärmetauschergehäuses aus Magnesium oder einem Magnesium enthaltenden Material ist zur effizienten Wärmeübertragung von den Verbrennungsabgasen auf das zu erwärmende Medium das innere Wärmetauschergehäuse aus Aluminium oder einem Aluminium enthaltenden Material gebildet.
  • Bei einer aus baulichen Gründen besonders bevorzugten Ausgestaltungsform kann vorgesehen sein, dass das innere Wärmetauschergehäuse und das äußere Wärmetauschergehäuse im Wesentlichen topfartig ausgebildet sind.
  • Um insbesondere auch dann, wenn für die beiden Wärmetauschergehäuse unterschiedliche Materialien verwendet werden, eine stabile Verbindung und somit auch einen dichten Abschluss des das zu erwärmende Medium führenden Strömungsraums zu erlangen, wird vorgeschlagen, dass das innere Wärmetauschergehäuse und das äußere Wärmetauschergehäuse in einem Randbereich durch Verkleben miteinander verbunden sind.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung detailliert beschrieben, welche eine Längsschnittansicht eines mit einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung ausgestatteten Heizgeräts zeigt.
  • In der Figur ist eine erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung allgemein mit 10 bezeichnet. Diese Wärmetauscheranordnung 10 ist hier in Kombination mit einem Heizgerät 12 gezeigt, von welchem die wesentlichen Systembereiche erkennbar sind. So umfasst das Heizgerät ein topfartiges Brennkammergehäuse 14, das eine Brennkammer 16 umschließt. In diese Brennkammer 16 werden der zu verbrennende Brennstoff und die dazu erforderliche Verbrennungsluft eingespeist, und die bei der in der Brennkammer 16 ablaufenden Verbrennung erzeugten Verbrennungsabgase strömen aus dem in Richtung der Längsache L offenen Brennkammergehäuse 14 durch eine Flammblende 18 in ein an das Brennkammergehäuse 14 anschließendes Flammrohr 20 ein. Am axial offenen Endbereich 22 des Flammrohrs 20 treten die heißen Verbrennungsabgase in Richtung der Pfeile aus diesem aus, werden durch die Wärmetauscheranordnung 10 umgelenkt und strömen an der Außenseite des Flammrohrs 20 zurück. Bei dieser Zurückströmung und beim Auftreffen auf die Wärmetauscheranordnung 10 übertragen die Verbrennungsabgase Wärme auf die Wärmetauscheranordnung 10 und somit ein darin strömendes zu erwärmendes Medium.
  • Man erkennt in der Figur, dass die Wärmetauscheranordnung 10 ein topfartiges inneres Wärmetauschergehäuse 24 und ein dieses umgebendes und im Wesentlichen ebenfalls topfartig ausgestaltetes äußeres Wärmetauschergehäuse 26 umfasst. Diese beiden topfartigen Wärmetauschergehäuse 24, 26 sind in einem Randbereich 28 unter Erzeugung eines im Wesentlichen dichten Abschlusses beispielsweise durch Verklebung miteinander fest verbunden. Auf diese Art und Weise wird zwischen den beiden Wärmetauschergehäusen 24, 26 ein Strömungsraum 30 gebildet, welchen das zu erwärmende Medium, also beispielsweise eine Flüssigkeit wie Wasser oder dergleichen, durchströmen kann. Hierzu sind nicht weiter dargestellte Eintritts- und Austrittsöffnungen vorhanden, die eine Durchströmung der Wärmetauscheranordnung 10 ermöglichen.
  • Die aus dem Flammrohr 20 austretenden Verbrennungsabgase treffen auf einen Bodenbereich 32 des inneren Wärmetauschergehäuses 24 auf und werden durch diesen nach radial außen umgelenkt. Durch einen zwischen dem Flammrohr 20 und dem Umfangswandungsbereich 34 des inneren Wärmetauschergehäuses 24 gebildeten Zwischenraum 36 strömen die Verbrennungsabgase dann in Richtung Brennkammergehäuse 14 zurück und verlassen die Anordnung dann im Bereich einer Austrittsöffnung. Beim Strömen entlang des Bodenbereichs 32 und Umfangswandungsbereichs 34 übertragen die Verbrennungsabgase Wärme auf das innere Wärmetauschergehäuse 24, welches wiederum die Wärme an das im Strömungsraum 30 strömende Medium abgeben. Um hier eine effiziente Wechselwirkung zu erlangen, kann das innere Wärmetauschergehäuse 24 an seiner Außenseite mit einer schraubenartigen Vorsprungskonfiguration 38 versehen sein, die einerseits die Wechselwirkungsoberfläche vergrößert und die andererseits dafür sorgt, dass das im Strömungsraum 30 strömende Medium einen wendelartigen Weg nimmt und somit eine vergleichsweise lange Wechselwirkungsstrecke zur Wärmeaufnahme hat. Auch im Bodenbereich 32 können Vorsprünge 40 zur verbesserten Wärmeübertragung ausgebildet sein.
  • Um die Wärmetauscheranordnung 10 zur Erwärmung des darin strömenden Mediums möglichst effizient betreiben zu können, sollte das innere Wärmetauschergehäuse 24 aus einem Material aufgebaut sein, das einerseits den hohen Temperaturen der Verbrennungsabgase ausgesetzt werden kann, das andererseits jedoch einen vergleichsweise geringen Wärmeleitwiderstand aufweist. Hier kommen beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als geeignete Materialien in Betracht. Bei dem äußeren Wärmetauschergehäuse oder Mantelgehäuse 26 ist gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ein Material zum Aufbau desselben vorgesehen, das dafür sorgt, dass die im zu erwärmenden Medium aufgenommene Wärme im Wesentlichen auch darin enthalten bleibt. Erfindungsgemäß wird dieses äußere Wärmetauschergehäuse 26 aus Magnesium oder einem Magnesium enthaltenden Material, wie z. B. einer Magesiumlegierung, aufgebaut. Dieses Material weist im Vergleich zu Aluminium mit ca. 50 W/mK einen deutlich geringeren Wärmeleitungskoeffizienten auf. Aufgrund dessen wird also im äußeren Wärmetauschergehäuse 26 dem Wärmestrom ein deutlich größerer Widerstand entgegengesetzt, was zur Folge hat, dass die im zu erwärmenden Medium aufgenommene Wärme im Wesentlichen auch darin enthalten bleibt und aus dem Bereich der Wärmetauscheranordnung abgeführt wird.
  • Neben dem Vorteil der geringeren Strahlungsverluste am äußeren Wärmetauschergehäuse 26 durch die angesprochene geringere Wärmeleitfähigkeit hat der Einsatz des Materials Magnesium auch eine deutliche Gewichtsreduzierung im Vergleich zu beispielsweise aus Aluminium aufgebauten Gehäusen zur Folge. Auch kann unter Einsatz dieses Materials dieses äußere Wärmetauschergehäuse mit dünnerer Materialstärke hergestellt werden, wodurch einerseits eine kompakte Bauweise ermöglicht wird und andererseits aufgrund des geringeren Materialvolumens auch der im Vergleich zu Aluminium höhere Preis von Magnesium kompensiert werden kann. Weiterhin zeichnet sich Magnesium oder ein Magnesiumlegierungsmaterial durch eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit und eine im Vergleich zu Aluminium bessere Gießbarkeit aus, was wiederum längere Werkzeugstandzeiten zur Folge hat. Bei der Fertigung von derartigen Gehäusebauteilen aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung können sehr geringe Fertigungstoleranzen erzielt werden. Außerdem zeichnet sich dieses Material durch eine gute Bearbeitbarkeit aus. Schließlich lässt sich auch Magnesium durch Verbindungsverfahren, wie z. B. Verkleben, sehr stabil mit anderen Materialien, wie z. B. Aluminium, verbinden, so dass ein fluiddichter Abschluss des Strömungsraums 30 sichergestellt werden kann.
  • Es sei abschließend darauf hingewiesen, dass selbstverständlich die in der Figur dargestellte Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung 10 hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus des äußeren Wärmetauschergehäuses 26 und des inneren Wärmetauschergehäuses 24 nur beispielhaft ist. So können selbstverständlich andere Vorsprungsformationen vorgesehen sein, ebenso kann die Formgebung des äußeren Wärmetauschergehäuses an seinem Außenumfangsbereich anders gewählt sein, beispielsweise angepasst an spezielle Bauraumvorgaben eines diese Wärmetauscheranordnung aufnehmenden Fahrzeugs.

Claims (3)

  1. Wärmetauscheranordnung für ein Heizgerät, insbesondere Fahrzeugheizgerät, umfassend ein inneres Wärmetauschergehäuse (24), das zusammen mit einem äußeren Wärmetauschergehäuse (26) einen Strömungsraum (30) für zu erwärmendes Medium begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Wärmetauschergehäuse (24) aus Aluminium oder Aluminium enthaltendem Material gebildet ist, und dass das äußere Wärmetauschergehäuse (26) aus Magnesium oder Magnesium enthaltendem Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als das Material des inneren Wärmetauschergehäuses (24) gebildet ist.
  2. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das innere Wärmetauschergehäuse (24) und das äußere Wärmetauschergehäuse (26) im Wesentlichen topfartig ausgebildet sind.
  3. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das innere Wärmetauschergehäuse (24) und das äußere Wärmetauschergehäuse (26) in einem Randbereich (28) durch Verkleben miteinander verbunden sind.
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