EP1413842B1

EP1413842B1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: EP1413842B1
Application number: EP03020684A
Authority: EP
Inventors: Uwe Dr. Krüger; Rainer Lutz; Martin Schindler; Michael Schmidt
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: DE50310964D1; US7121325B2; DE10247837A1; US20040188070A1; EP1413842A3; EP1413842A2

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Abgaswärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug, mit Rohren und einem Kopfstück.
Zu einer Verringerung von Emissionen eines Verbrennungsmotors ist bekannt, dem Verbrennungsmotor Abgas rückzuführen. Aufgrund der hohen Abgastemperaturen wird das Abgas zuvor durch einen als Abgaskühler ausgebildeten Wärmeübertrager geleitet, um das Abgas auf ein für eine Verbrennung günstiges Temperaturniveau abzukühlen.
Der dortige Abgaskühler ist von langgestreckter Gestalt, besitzt an seinen Stirnenden jeweils einen Boden, in welchen die Enden einer Vielzahl von Rohren eingesetzt sind, die untereinander in Abstand angeordnet sind. Das dadurch entstandene Rohrbündel ist mit einem Mantel umgeben, der mit Anschlüssen versehen ist, durch die Kühlmittel zu- und abgeführt wird.
An den Boden an einem Stirnende des Abgaskühlers schließt sich eine sich in etwa trichterförmig verjüngende Verteilkammer an, die mit der Vielzahl von Rohren kommuniziert. Auf der dem Boden gegenüberliegenden Seite geht die Verteilkammer in einen Flansch über, der mit einer weiterführenden Abgasleitung verbunden wird.
Wenn bei derartigen Wärmeübertragern während eines Betriebes ein heißes Fluid in die Verteilkammer geleitet wird, von wo es in die Rohre strömt, wird die Verteilkammer beziehungsweise eine die Verteilkammer einfassende Wandung stärker aufgeheizt als beispielsweise der das Rohrbündel umgebende Mantel, der von Kühlmittel durchströmt wird. Die dadurch entstehenden thermischen Spannungen zwischen Verteilkammerwandung und Mantel rufen unter Umständen Undichtigkeiten insbesondere an einer Kontaktstelle zwischen Verteilkammerwandung und Mantel hervor und wirken sich negativ auf die Lebensdauer des Wärmeübertragers aus.
Aus der US 4,685,292 ist ein Kühlsystem für Abgase eines Motors bekannt.
Aus der US 6,311,C78 B1 ist ein Wärmetauscher bekannt, der in den Ansaugkreislauf eines Verbrennungsmotors integriert ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeübertrager bereitzustellen, bei dem eine sichere und gegebenenfalls eine verbesserte Funktion gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 umfaßt ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager einen Rohrblock bildende Rohre, die von einem ersten Fluid durchströmbar und von einem zweiten Fluid umströmbar sind, damit Wärme von dem ersten auf das zweite Fluid oder umgekehrt übertragbar ist. Desweiteren umfaßt der Wärmeübertrager ein Kopfstück, in dem sich eine mit den Rohren kommunizierende Verteilkammer befindet, damit das erste Fluid auf die Rohre verteilbar ist. Die Aufgabe der Erfindung wird vorteilhaft dadurch gelöst, daß das Kopfstück zumindest bereichsweise eine innere und eine äußere Wandung umfaßt.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, einen unmittelbaren Wärmeübertrag von dem in die Verteilkammer strömenden ersten Fluid auf den Kontaktbereich zwischen dem Kopfstück und dem Rohrblock zu verringern. Dadurch wird erreicht, daß im Betrieb des Wärmeübertragers der Temperaturunterschied zwischen dem Kopfstück in dem Kontaktbereich und dem Rohrblock kleiner ist als bei einem nur aus einer Wandung bestehenden Kopfstück, so daß weniger thermische Spannungen zwischen dem Kopfstück und dem Rohrblock auftreten.
Unter einer inneren Wandung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise ein Leitblech zu verstehen, das in ein Kopfstück nach dem Stand der Technik einsteckbar ist. Eine äußere Wandung wird dann durch das vorherige Kopfstück nach dem Stand der Technik gebildet. Ein zwischen innerer und äußerer Wandung auftretender Spalt oder Hohlraum bewirkt eine thermische Isolierung zwischen der inneren und der äußeren Wandung und damit auch zwischen der Verteilkammer und der äußeren Wandung , so daß die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe auf sehr einfache Weise gelöst ist.
Um eine unerwünschte Hin- und Herbewegung der inneren Wandung gegenüber der äußeren Wandung zu vermeiden, sind gemäß der Erfindung die innere und die äußere Wandung mit Stützmitteln gegeneinander abgestützt. Erfindungsgemäß sind die Stützmittel als noppenartige Ausprägungen, als umlaufende oder unterbrochene Rippe oder Rippen oder als umgeformte Aufstellungen in die innere und/oder in die äußere Wandung integriert, wodurch eine einfache und damit kostengünstige Bauweise ermöglicht ist.
Erfindungsgemäß bildet sich zwischen der inneren und der äußeren Wandung ein Kanal aus, der über eine Eintrittsöffnung in der äußeren Wandung mit einem dritten Fluid beaufschlagbar ist. Der Kanal kann dabei eine beliebige Form besitzen, aus Platzgründen ist jedoch ein flacher Kanal entlang einer Innenwand der äußeren Wandung vorteilhaft.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Wärmeleitung von der inneren Wandung auf die äußere Wandung geschieht naturgemäß über Befestigungsstellen zwischen den beiden Wandungen. Deshalb ist die innere Wandung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einem von den Rohren abgewandten Bereich des Kopfstücks an die äußere Wandung befestigt, so daß die Strecke für die Wärmeleitung von der inneren Wandung zur äußeren Wandung in dem Kontaktbereich zwischen dem Kopfstück und dem Rohrblock vergrößert und ein Wärme übertrag von dem in die Verteilkammer strömenden Fluid auf den Kontaktbereich verringert wird. Insbesondere bei sehr heißen Fluiden ist es vorteilhaft, eine hitzebeständige Verbindung, wie beispielsweise eine Schweißverbindung, zwischen innerer und äußerer Wandung vorzusehen.
Mit dem dritten Fluid ist zumindest die äußere Wandung zusätzlich kühlbar, wodurch der Kontaktbereich zwischen dem Kopfstück und dem Rohrblock thermisch noch besser von dem in die Verteilkammer strömenden ersten Fluid entkoppelt ist. Damit werden thermische Spannungen zwischen dem Kopfstück und dem Rohrblock und damit verbundene Undichtigkeiten noch besser vermieden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das dritte Fluid durch den Kanal in die Verteilkammer und/oder in die Rohre leitbar. Durch die damit verbundene Mischung von erstem und drittem Fluid in dem Wärmeübertrager ist ein zusätzlicher Wärmeübertrag und damit eine verbesserte Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers möglich. Voraussetzung für diese Ausgestaltungsform ist allerdings eine funktionelle Verträglichkeit des ersten Fluids mit dem dritten Fluid, beispielsweise eine Gleichheit des dritten mit dem ersten Fluid, und ein Druckniveau des dritten Fluids, das mindestens so groß ist wie das des ersten Fluids in der Verteilkammer, da das erste Fluid ansonsten durch den Kanal aus dem Wärmeübertrager austritt.
Besonders bevorzugt ist das erste Fluid ein Abgas aus einem Verbrennungsmotor und das dritte Fluid Luft. Wegen der im Betrieb üblicherweise hohen Abgastemperaturen ist bei einem solchen sogenannten Abgas-Wärmeübertrager der Effekt des Grundgedankens der Erfindung, nämlich der Verringerung eines Wärmeübertrags beziehungsweise von Temperaturunterschieden besonders groß und vorteilhaft.
Bei einer anderen Ausführungsform ist das dritte Fluid durch eine Austrittsöffnung in der äußeren Wandung aus dem Kanal herausleitbar. Dadurch ist der Kanal in einen geschlossenen Kreislauf, beispielsweise in einen Kühlkreislauf integrierbar, wodurch eine Kühlung der äußeren Wandung auf einfache Weise mit Hilfe vorhandener Vorrichtungen, wie beispielsweise des Motorkühlkreislaufs, möglich ist.
Besonders bevorzugt ist das dritte Fluid gleich dem zweiten Fluid, insbesondere Kühlmittel, wodurch eine Kühlung des Kopfstücks einer Kühlung des Rohrblocks vor- oder nachgeschaltet werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1:: Einen Wärmeübertrager;
Fig.2:: einen ausschnittsweisen Querschnitt eines Wärmeübertragers nach dem Stand der Technik;
Fig. 3:: einen ausschnittsweisen Querschnitt eines Wärmeübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4:: einen ausschnittsweisen Querschnitt eines Wärmeübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5:: einen ausschnittsweisen Querschnitt eines Wärmeübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Wärmeübertrager 100, der als kühlmittelgekühlter Abgaskühler verwendbar ist, in aufgebrochener Darstellung gezeigt. Der Wärmeübertrager 100 besteht aus einem Rohrblock 110, der aus einer Vielzahl von Rohren 120 und einem Mantel 130 zusammengesetzt ist. Die voneinander beabstandeten Rohre 120 sind an den Stirnenden des Rohrblocks 110 in Rohrböden eingesetzt, die bis auf eine umlaufende Kante 140 nicht von außen zu sehen sind. Um die Rohre 120 in sich aufzunehmen, ist der Mantel 130 selbst rohrförmig ausgebildet und weist in seinen Stirnbereichen umlaufende Kammern 150 auf, die mit Anschlüssen 160 für ein Kühlmittel versehen sind.
In die umlaufende Kante 140 eines Rohrbodens ist ein sich in etwa trichterförmiges Kopfstück 170 eingesteckt und eingeschweißt, so daß eine nicht sichtbare Verteilkammer in dem Kopfstück 170 mit den Rohren 120 kommuniziert. Auf der der Rohrbodenkante 140 gegenüberliegenden Seite geht das Kopfstück in einen Flansch 180 über, der an eine nicht dargestellte Abgasleitung anschließbar ist.
Strömt ein von einem Verbrennungsmotor kommendes Abgas durch den Flansch 180 in die Verteilkammer, wird aufgrund der üblicherweise hohen Abgastemperaturen das Kopfstück 170 stark aufgeheizt. Anschließend strömt das Abgas durch die Rohre 120, wo es Wärme an die Rohrwandungen abgeben kann. Anschließend wird das Abgas in einem weiteren Kopfstück gesammelt und aus dem in etwa symmetrisch gebauten Abgaskühler herausgeleitet. Die umlaufende Kammer 150 des Mantels 130 wird über den Anschluß 160 mit einem Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors beaufschlagt, damit das Kühlmittel die Rohre 120 umströmen und Wärme von den Rohrwandungen aufnehmen kann, wonach das Kühlmittel über einen weiteren Anschluß aus dem Abgaskühler herausgeführt wird.
Bei einem Abgaskühler 200 nach dem Stand der Technik, wie in Fig. 2 ausschnittsweise im Querschnitt zu sehen ist, weist das Kopfstück 210 eine Wandung 220 auf, die während eines Betriebes des Abgaskühlers 200 infolge des unmittelbaren Kontaktes mit dem heißen, in die Verteilkammer 230 strömenden Abgasstrom 240 sehr stark aufgeheizt wird. Im Gegensatz dazu wird der aus den Rohren 250, dem Rohrboden 260 und dem Mantel 270 bestehende Rohrblock 280 von dem Kühlmittel 290 unmittelbar gekühlt, so daß der Rohrblock 280 weit weniger aufgeheizt wird als die Wandung 220 des Kopfstücks 210.
Aufgrund der damit verbundenen unterschiedlichen thermischen Ausdehnung des Rohrblocks 280 und des Kopfstücks 210 entstehen thermische Spannungen, die die Schweißnaht 295, die den Mantel 270 und den Rohrboden 260 mit der Wandung 220 des Kopfstücks 210 verbindet, mechanisch belasten. Dies kann zu Undichtigkeiten im Bereich der Schweißnaht 295 und damit zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Abgaskühlers 200 führen.
In Fig. 3 ist ein Ausschnitt eines Wärmeübertragers 300 gemäß der vorliegenden Erfindung im Querschnitt dargestellt. Hier besteht das Kopfstück 310 aus einer äußeren Wandung 320 und einer als Leitblech ausgebildeten inneren Wandung 330, zwischen denen ein spaltförmiger Hohlraum 325 ausgebildet ist. Das Leitblech 330 wird während der Fertigung des Abgaskühlers 300 in die äußere Wandung eingesteckt und verschweißt, wobei auch andere Befestigungsmethoden denkbar sind.
Das Leitblech 330 verhindert eine direkte Beströmung der Kontaktstelle 340 zwischen der äußeren Wandung 320 und dem Rohrblock 350 beziehungsweise dem Rohrboden 360 mit in die Verteilkammer 370 einströmendem Abgas 380. Der spaltförmige Hohlraum 325 dient gewissermaßen als thermische Isolierung zwischen der Verteilkammer 370 und der Kontaktstelle 340, so daß die äußere Wandung 320 und auch die Kontaktstelle 340 weniger stark durch den Abgasstrom 380 aufgeheizt werden. Dadurch werden thermische Spannungen zwischen dem Kopfstück 310 und dem Rohrblock 350 verringert und die Gefahr von Undichtigkeiten reduziert.
Die innere Wandung 330 und die äußere Wandung 320 können an mehreren Stellen aneinander befestigt, insbesondere miteinander verschweißt sein. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 sind die Wandungen 320, 330 vorteilhafterweise nur in einem von dem Rohrblock 350 abgewandten Bereich 390 miteinander verschweißt, um eine Wärmeleitung von dem Leitblech 330 zu der Kontaktstelle 340 innerhalb des Materials des Kopfstücks 310 möglichst zu verzögern.
Um ein Hin- und Herwackeln des Leitblechs 330 innerhalb der Verteilkammer 370 zu verhindern, sind die äußere Wandung 320 und das Leitblech 330 in einem dem Rohrblock 350 zugewandten Bereich mit Stütznoppen 395, die bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 in das Leitblech 330 integriert sind, gegeneinander abgestützt. Genauso gut können die Stütznoppen aber auch in die äußere Wandung 320 oder in beide Wandungen integriert sein.
Fig. 4 zeigt ausschnittsweise ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgaskühlers 400 in einem Querschnitt. Ein Kopfstück 410 besteht wiederum aus einer äußeren Wandung 420 und einer als Leitblech ausgebildeten inneren Wandung 430, zwischen denen ein spaltförmiger Hohlraum 425 ausgebildet ist, wodurch eine Kontaktstelle 435 zwischen der äußeren Wandung 420 und dem Rohrblock 440 beziehungsweise dem Rohrboden 445 thermisch von in die Verteilkammer 450 einströmendem Abgas 455 isoliert wird.
Die innere Wandung 430 und die äußere Wandung 420 sind nur in einem von dem Rohrblock 440 abgewandten Bereich 460 miteinander verschweißt und in einem dem Rohrblock 440 zugewandten Bereich mit in die innere Wandung 430 integrierten Stütznoppen 465 gegeneinander abgestützt. Die äußere Wandung weist eine Eintrittsöffnung 470 auf, so daß der spaltförmige Hohlraum 425 über einen Anschlußflansch 475 mit Luft 480 beaufschlagbar ist.
Der mit der Verteilkammer 450 kommunizierende Hohlraum 425 dient als Strömungskanal, der den Luftstrom 485 zwischen der äußeren Wandung 420 und der inneren Wandung 420 in die Verteilkammer 450 führt. Dort wird der durch den Pfeil 485 angedeutete Luftstrom mit dem Abgasstrom 455 vermischt, so daß ein bereits vorgekühltes Abgas-Luft-Gemisch in den Rohrblock 440 eintritt. Dadurch wird das Abgas insgesamt effektiver gekühlt und die Leistungsfähigkeit des Abgaskühlers 400 gesteigert.
Um ein Einströmen der Luft 480 in den Abgaskühler 400 sicherzustellen, muß Sorge dafür getragen werden, daß der Druck der Luft 480 höher ist als der Druck des Abgases 455 in der Verteilkammer 450. Es kann sich beispielsweise um Preßluft oder um Ladeluft handeln, die jeweils von einer Luftfördereinrichtung verdichtet wird.
Fig. 5 stellt einen Querschnitt einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit für einen Abgaskühler 500 im Auschnitt dar. Hier ist eine innere Wandung 510 eines Kopfstückes 520 mit einem Rohrboden 530 und einem Rohrblock 540 verschweißt. Eine äußere Wandung 550 ist sowohl in einem dem Rohrblock 540 zugewandten Bereich 560 als auch in einem von dem Rohrblock 540 abgewandten Bereich 570 flüssigkeitsdicht an der inneren Wandung 510 befestigt, beispielsweise verschweißt.
Darüberhinaus weist die äußere Wandung 550 einen Anschlußstutzen 580 für einen Kühlmitteleintritt und einen weiteren, nicht gezeigten Anschlußstutzen für einen Kühlmittelaustritt auf. Dadurch wird der durch den Hohlraum zwischen der inneren Wandung 510 und der äußeren Wandung 550 gebildete Kanal 590 von Kühlmittel 600 eines Kühlkreislaufes durchströmt.
Obwohl sich bei diesem Ausführungsbeispiel die Kontaktstelle 610 zwischen dem Kopfstück 520, dem Rohrboden 530 und dem Rohrblock 540 unmittelbar am heißen Abgasstrom 620 in der Verteilkammer 630 befindet, wird der Temperaturunterschied zwischen dem Kopfstück 520 und dem Rohrblock 540 durch die kühlende Wirkung des Kühlmittels 600 verringert. Somit ist die mechanische Belastung der Kontaktstelle 610 und damit auch die Gefahr von Undichtigkeiten reduziert. Außerdem wird durch die zusätzliche Kühlung des Abgases 620 die Leistungsfähigkeit des Abgaskühlers 500 erhöht.
Die vorliegende Erfindung wurde am Beispiel eines Abgaskühlers für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß der erfindungsgemäße Wärmeübertrager auch für andere Anwendungszwecke geeignet ist.

Claims

Wärmeübertrager, insbesondere Abgaswärmeübertrager (100, 300, 400,500) für ein Kraftfahrzeug, mit Rohren (120), die von einem ersten Fluid durchströmbar und von einem zweiten Fluid umströmbar sind, und mit einem Kopfstück (170, 310, 410, 520), in dem sich eine mit den Rohren (120) kommunizierende Verteilkammer (370, 450, 630) befindet, wobei das Kopfstück (170, 310, 410, 520) zumindest bereichsweise eine innere und eine äußere Wandung (320, 330, 420, 430, 510, 550) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und die äußere Wandung (320, 330, 420, 430, 510, 550) mit Stützmitteln (395, 465) gegeneinander abgestützt sind und ein sich zwischen der inneren und der äußeren Wandung (320, 330, 430, 510, 550) ausbildender Kanal (425, 590) über eine Eintrittsöffnung in der äußeren Wandung (320, 420, 550) mit einem dritten Fluid beaufschlagbar ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wandung (330,430, 510) in einem von den Rohren (120) abgewandten Bereich des Kopfstücks (170, 310, 410, 520) an die äußere Wandung (320, 420, 530) befestigt, insbesondere geschweißt ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützmittel (395, 465) als noppenartige Ausprägungen, als umlaufende oder unterbrochene Rippe oder Rippen oder als umgeformte Aufstellungen in die innere und/oder in die äußere Wandung (320, 330, 420, 430, 510, 550) integriert sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Fluid durch den Kanal (425, 590) in die Verteilkammer (370, 450, 630) und/oder in die Rohre (120) leitbar ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fluid ein Abgas aus einem Verbrennungsmotor und das dritte Fluid Luft ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Fluid durch eine Austrittsöffnung in der äußeren Wandung (320, 420, 550) aus dem Kanal (425, 590) herausleitbar ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Fluid gleich dem zweiten Fluid, insbesondere Kühlmittel ist.