EP2148074A2 - Abgaskühler - Google Patents

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EP2148074A2
EP2148074A2 EP09009083A EP09009083A EP2148074A2 EP 2148074 A2 EP2148074 A2 EP 2148074A2 EP 09009083 A EP09009083 A EP 09009083A EP 09009083 A EP09009083 A EP 09009083A EP 2148074 A2 EP2148074 A2 EP 2148074A2
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EP
European Patent Office
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cooling
housing
exhaust gas
gas cooler
shells
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EP09009083A
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Thomas Bächner
Frank Wortmann
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SMK Systeme Metall Kunststoff GmbH and Co KG
Original Assignee
SMK Systeme Metall Kunststoff GmbH and Co KG
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/1684—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation the conduits having a non-circular cross-section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/29—Constructional details of the coolers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation or materials
    • F02M26/32—Liquid-cooled heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/006—Tubular elements; Assemblies of tubular elements with variable shape, e.g. with modified tube ends, with different geometrical features
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
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    • F28F9/001—Casings in the form of plate-like arrangements; Frames enclosing a heat exchange core
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    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements

Definitions

  • the invention is based on an exhaust gas cooler with the features specified in the preamble of claim 1.
  • Such an exhaust gas cooler is from the DE 10 2007 005 370 A1 known.
  • a stack of cooling tubes is arranged in a housing composed of two half-shells.
  • the cooling tubes are formed from half-shells with a substantially U-shaped cross-section, wherein the half-shells of the housing respectively clasp the upper and lower sides of the cooling tube stack.
  • the object of the invention is to show a way how the capacity of a heat exchanger can be improved with the features specified in the preamble of claim 1 without increasing the manufacturing cost.
  • an exhaust gas cooler according to the invention a portion of the cooling tubes is formed as a corrugated tube.
  • This section compensates for stresses that may occur as a result of manufacturing tolerances or differential thermal expansions between the housing and cooling tubes or adjacent cooling tubes.
  • an exhaust gas cooler according to the invention is therefore more robust and has a longer service life.
  • a wave contour can be generated in the cooling tubes forming half-shells without additional effort, for example by the half-shells are made by deep drawing using a trained thermoforming mold.
  • an advantageous development of the invention provides that the half shells forming the housing and the half shells of the cooling tubes are oriented the same.
  • the shells forming the housing thus lie in the same direction towards each other, in which the half-shells of the cooling tubes are stacked on top of one another.
  • the production can be substantially simplified, since the half-shells of the cooling tubes are successively placed in a half-shell of the housing and connected there to the housing or a half-shell of a cooling tube. This is preferably done by welding, in particular laser welding, which allows an advantageous fast and cost-effective production.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that in the housing a plurality of stacks of cooling tubes are arranged side by side. In this way, a more efficient cooling can be achieved, in particular by allowing the cooling water to flow both through the stacks and between the stacks, which is preferred.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the openings of the cooling tubes are rectangular.
  • the ends of adjacent cooling tubes can be liquid-tight with each other or with an adjacent housing wall be connected, preferably by laser welding. In this way, the production cost can be further reduced.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an exhaust gas cooler 1 in an oblique view, FIG. 2 a related cross-section and FIG. 3 a longitudinal section.
  • the exhaust gas cooler 1 has a housing composed of two half-shells 2 a, 2 b, which has a cooling water inlet 3 and a cooling water outlet 4.
  • a plurality of cooling tubes 5 are arranged, which are each assembled from two half-shells connected by laser welding. Welds 8 between half-shells of theharirohe 5 are in FIG. 3 and FIG. 4 that a detail view too FIG. 3 shows shown.
  • FIG. 2 shows the exhaust gas cooler 1 three juxtaposed stack of cooling tubes 5, each having a rectangular opening.
  • each cooling tube 5 has parallel side walls 5a, 5b, each having at their ends an increased distance from each other.
  • the cooling tubes 5 are welded at their ends via these side walls 5a, 5b cohesively with an adjacent cooling tube 5 of the same stack or with the housing 2a, 2b.
  • the narrow sides of the cooling tubes 5 are each welded to side walls of an adjacent cooling tube stack 5 or to the housing 2a, 2b. In this way, can be advantageously dispensed with a separate housing bottom, since the welded together ends of the cooling tubes 5, the spaces 6 between the cooling tubes 5 and thus ensure that cooling water can flow only from the cooling water inlet to the cooling water outlet.
  • the cooling tubes 5 Between their widened ends 5a, 5b, the cooling tubes 5 have on their outsides serving as spacers elevations 7, with which they lie on each other.
  • the elevations 7 also cause an advantageous turbulence of the flowing through the interstices 6 cooling water.
  • FIG. 4 shows, the cooling tubes 5 in the vicinity of both ends thereof each formed as a corrugated tube 5c section.
  • This section 5 c effects a compensation of stresses that may occur as a result of manufacturing tolerances or different thermal expansions between the housing 2 a, 2 b and cooling tubes 5 or between adjacent cooling tubes 5.
  • the formed as a corrugated tube 5c portions of the cooling tubes 5 extend substantially between the cooling water inlet 3 and its nearest housing end and the cooling water outlet 4 and in the nearest housing end.
  • FIG. 2 shows, the housing forming half-shells 2a, 2b and the half-shells of the cooling tubes 5 are the same orientation.
  • the direction in which the half-shells of the cooling tubes 5 are stacked on top of each other thus coincides with the direction in which the half shells 2a, 2b forming the housing are joined. Consequently, the housing half-shells 2 a, 2 b engage around the top and bottom sides of a cooling tube stack.
  • the half-shells of the cooling tubes 5 for the production of the exhaust gas cooler 1 can be successively placed in a housing half shell 2a, 2b and welded there, so that a very efficient production is possible.
  • FIG. 2 shows also that the cooling water inlet 3 and the cooling water outlet 4 are arranged in opposite sides of the housing, each extending perpendicular to the stacking direction of the stacked to form the cooling tubes 5 shells.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Abgaskühler für ein Kraftfahrzeug, mit einem aus zwei Halbschalen (2a, 2b) zusammengefügten Gehäuse, das einen Kühlwassereinlass (3) und einen Kühlwasserauslass (4) aufweist, mehreren Kühlrohren (5), die in dem Gehäuse (2a, 2b) angeordnet und jeweils aus zwei Halbschalen zusammengefügt sind, wobei jedes Kühlrohr (5) zwei parallel verlaufende Seitenwände (5a, 5b) aufweist, die an seinen Enden jeweils einen vergrößerten Abstand voneinander haben, und wobei die Kühlrohre (5) an ihren Enden über diese Seitenwände (5a, 5b) stoffschlüssig mit einem benachbarten Kühlrohr (5) oder dem Gehäuse (2a, 2b) verbunden sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Abschnitt (5c) der Kühlrohre (5) als Wellrohr ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Abgaskühler mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein derartiger Abgaskühler ist aus der DE 10 2007 005 370 A1 bekannt.
  • Bei dem bekannten Abgaskühler ist in einem aus zwei Halbschalen zusammen gefügten Gehäuse ein Stapel aus Kühlrohren angeordnet. Die Kühlrohre sind aus Halbschalen mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt gebildet, wobei die Halbschalen des Gehäuses jeweils Ober- und Unterseite des Kühlrohrstapels umklammern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie die Belastbarkeit eines Wärmetauschers mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ohne Erhöhung des Fertigungsaufwandes verbessert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Abgaskühler mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Abgaskühler ist ein Abschnitt der Kühlrohre als Wellrohr ausgebildet. Dieser Abschnitt bewirkt eine Kompensation von Spannungen, die als Folge von Fertigungstoleranzen oder unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Gehäuse und Kühlrohren oder benachbarten Kühlrohren auftreten können. Vorteilhaft ist ein erfindungsgemäßer Abgaskühler deshalb robuster und hat eine längere Lebensdauer. Eine Wellenkontur lässt sich in den die Kühlrohre bildenden Halbschalen ohne zusätzlichen Aufwand erzeugen, beispielsweise indem die Halbschalen durch Tiefziehen unter Verwendung einer entsprechend ausgebildeten Tiefziehform hergestellt werden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die das Gehäuse bildenden Halbschalen und die Halbschalen der Kühlrohre gleich orientiert sind. Die das Gehäuse bildenden Halbschalen liegen also in derselben Richtung aufeinander, in der auch die Halbschalen der Kühlrohre aufeinander gestapelt sind. Auf diese Weise lässt sich die Fertigung wesentlich vereinfachen, da die Halbschalen der Kühlrohre nacheinander in eine Halbschale des Gehäuses gelegt und dort mit dem Gehäuse bzw. einer Halbschale eines Kühlrohrs verbunden werden. Bevorzugt geschieht dies durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, was eine vorteilhaft schnelle und kostengünstige Fertigung ermöglicht.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Gehäuse mehrere Stapel von Kühlrohren nebeneinander angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich eine effizientere Kühlung erzielen, insbesondere indem man das Kühlwasser sowohl durch die Stapel hindurch als auch zwischen den Stapeln strömen lässt, was bevorzugt ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Öffnungen der Kühlrohre rechteckig sind. Auf diese Weise können die Enden nebeneinander liegender Kühlrohre miteinander bzw. mit einer anliegenden Gehäusewand flüssigkeitsdicht verbunden werden, bevorzugt durch Laserschweißen. Auf diese Weise lässt sich der Fertigungsaufwand weiter reduzieren.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    ein Abgaskühler in einer Schrägansicht;
    Figur 2:
    ein Querschnitt des Abgaskühlers;
    Figur 3:
    ein Längsschnitt des Abgaskühlers;
    Figur 4:
    eine Detailansicht zu Figur 3.
  • Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Abgaskühlers 1 in einer Schrägansicht, Figur 2 einen dazugehörenden Querschnitt und Figur 3 einen Längsschnitt. Der Abgaskühler 1 hat ein aus zwei Halbschalen 2a, 2b zusammengefügtes Gehäuse, das einen Kühlwassereinlass 3 und ein Kühlwasserauslass 4 ausweist. In dem Gehäuse sind mehrere Kühlrohre 5 angeordnet, die jeweils aus zwei durch Laserschweißen verbundenen Halbschalen zusammengefügt sind. Schweißnähte 8 zwischen Halbschalen der Kühlrohe 5 sind in Figur 3 und Figur 4, die eine Detailansicht zu Figur 3 zeigt, dargestellt.
  • Wie insbesondere Figur 2 zeigt, enthält der Abgaskühler 1 drei nebeneinander angeordnete Stapel von Kühlrohren 5, die jeweils eine rechteckige Öffnung haben. Wie Figur 3 und insbesondere der in Figur 4 dargestellte Detailausschnitt A der Figur 3 zeigen, hat jedes Kühlrohr 5 parallel verlaufende Seitenwände 5a, 5b, die an ihren Enden jeweils einen vergrößerten Abstand von einander haben. Die Kühlrohre 5 sind an ihren Enden über diese Seitenwände 5a, 5b stoffschlüssig mit einem benachbarten Kühlrohr 5 desselben Stapels oder mit dem Gehäuse 2a, 2b verschweißt. In entsprechender Weise sind auch die Schmalseiten der Kühlrohre 5 jeweils mit Seitenwänden eines benachbarten Kühlrohrstapels 5 oder mit dem Gehäuse 2a, 2b verschweißt. Auf diese Weise kann vorteilhaft auf einen separaten Gehäuseboden verzichtet werden, da die miteinander verschweißten Enden der Kühlrohre 5 die Zwischenräume 6 zwischen den Kühlrohren 5 verschließen und so gewährleisten, dass Kühlwasser nur von dem Kühlwassereinlass zum Kühlwasserauslass strömen kann.
  • Zwischen ihren verbreiterten Enden 5a, 5b haben die Kühlrohe 5 auf ihren Außenseiten als Abstandhalter dienende Erhebungen 7, mit denen sie aufeinander liegen. Die Erhebungen 7 bewirken zudem eine vorteilhafte Verwirbelung des durch die Zwischenräume 6 strömenden Kühlwassers.
  • Wie insbesondere Figur 4 zeigt, haben die Kühlrohre 5 in der Nähe ihrer beiden Enden jeweils einen als Wellrohr 5c ausgebildeten Abschnitt. Dieser Abschnitt 5c bewirkt eine Kompensation von Spannungen, die als Folge von Fertigungstoleranzen oder unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Gehäuse 2a, 2b und Kühlrohren 5 oder zwischen benachbarten Kühlrohren 5 auftreten können. Die als Wellrohr 5c ausgebildeten Abschnitte der Kühlrohre 5 erstrecken sich im Wesentlichen zwischen dem Kühlwassereinlass 3 und dem ihm nächstgelegenen Gehäuseende sowie dem Kühlwasserauslass 4 und dem im nächstgelegenen Gehäuseende.
  • Wie insbesondere Figur 2 zeigt, sind die das Gehäuse bildenden Halbschalen 2a, 2b und die Halbschalen der Kühlrohre 5 gleich orientiert. Die Richtung, in welcher die Halbschalen der Kühlrohre 5 aufeinander gestapelt sind, stimmt also mit der Richtung, in welcher die das Gehäuse bildenden Halbschalen 2a, 2b zusammengefügt sind, überein. Folglich umgreifen die Gehäusehalbschalen 2a, 2b jeweils Ober- und Unterseite eines Kühlrohrstapels. Auf diese Weise können die Halbschalen der Kühlrohre 5 zur Fertigung des Abgaskühlers 1 nacheinander in eine Gehäusehalbschale 2a, 2b gelegt und dort verschweißt werden, so dass eine sehr effiziente Fertigung möglich ist.
  • Figur 2 zeigt auch, dass der Kühlwassereinlass 3 und der Kühlwasserauslass 4 in gegenüberliegenden Gehäuseseiten angeordnet sind, die sich jeweils senkrecht zur Stapelrichtung der zur Ausbildung der Kühlrohre 5 aufeinander gestapelten Halbschalen erstrecken.
    • Bezugszahlen
    • 1
    Abgaskühler
    2a, 2b
    Gehäusehalbschale
    3
    Kühlwassereinlass
    4
    Kühlwasserauslass
    5
    Kühlrohr
    5a, 5b
    Seitenwände
    5c
    Wellrohrabschnitt
    6
    Zwischenraum
    7
    Erhebung
    8
    Schweißnaht

Claims (9)

  1. Abgaskühler für ein Kraftfahrzeug, mit einem aus zwei Halbschalen (2a, 2b) zusammengefügten Gehäuse, das einen Kühlwassereinlass (3) und einen Kühlwasserauslass (4) aufweist, mehreren Kühlrohren (5), die in dem Gehäuse (2a, 2b) angeordnet und jeweils aus zwei Halbschalen zusammengefügt sind, wobei jedes Kühlrohr (5) zwei parallel verlaufende Seitenwände (5a, 5b) aufweist, die an seinen Enden jeweils einen vergrößerten Abstand voneinander haben, und wobei die Kühlrohre (5) an ihren Enden über diese Seitenwände (5a, 5b) stoffschlüssig mit einem benachbarten Kühlrohr (5) oder dem Gehäuse (2a, 2b) verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (5c) der Kühlrohre (5) als Wellrohr ausgebildet ist.
  2. Abgaskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (5) jeweils zwei als Wellrohre ausgebildete Abschnitte (5c) aufweisen.
  3. Abgaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der als Wellrohr ausgebildete Abschnitt (5c) eines Kühlrohres (5) zumindest teilweise zwischen dem Kühlwassereinlass (3) und dem ihm nächstgelegenen Gehäuseende oder dem Kühlwasserauslass (4) und dem ihm nachstgelegenen Gehäuseende erstreckt.
  4. Abgaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das Gehäuse (2a, 2b) bildenden Halbschalen (2a, 2b) und die Halbschalen der Kühlrohre (5) gleich orientiert sind.
  5. Abgaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2a, 2b) mehrere Stapel von Kühlrohren (5) nebeneinander angeordnet sind.
  6. Abgaskühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlwasser sowohl durch die Stapel hindurch als auch zwischen den Stapeln strömen kann.
  7. Abgaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Kühlrohre(5) rechteckig sind.
  8. Abgaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (5) miteinander und dem Gehäuse (2a, 2b) verschweißt sind.
  9. Abgaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühwassereinlass (3) und der Kühlwasserauslass (4) in gegenüberliegenden Gehäuseseiten angeordnet sind, die senkrecht zur Stapelrichtung der zur Ausbildung der Kühlrohre (5) aufeinander gestapelten Halbschalen (2a, 2b) verlaufen.
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