DE102005058314A1

DE102005058314A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102005058314A1
Application number: DE102005058314A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dipl.-Ing. Jurai
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-21

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Wärmetauscher (10) mit einem ersten Kanal (20), durch den ein erstes Wärmetauschmedium strömt, und einem zweiten Kanal (18), der zumindest in einem Wärmetauschbereich (12) des Wärmetauschers (10) innerhalb des ersten Kanals (20) angeordnet ist und durch den ein zweites Wärmetauschmedium strömt, wobei der zweite Kanal (18) mehrere Rohre (26) aufweist, die in einer Gruppe (28) schraubenförmig um einen gemeinsamen imaginären geradlinigen Stab gewickelt sind, um eine in Längsrichtung kompakte Konstruktion des Wärmetauschers mit hoher Wärmetauschleistung vorzusehen. Eine bevorzugte Anwendung dieses Wärmetauschers ist ein AGR-Kühler für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und speziell einen solchen Wärmetauscher als AGR-Kühler für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.

Abgasrückführ-(AGR-)Kühler für Verbrennungsmotoren zum Kühlen eines zum Verbrennungsmotor rückgeführten Abgasstroms sind grundsätzlich und in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Problematisch bei solchen AGR-Kühlern ist der begrenzte zur Verfügung stehende Bauraum und die steigenden Kühlanforderungen.

Die DE 103 49 887 A1 offenbart einen AGR-Kühler mit einem stark profilierten Abgasrohr, um die Oberfläche des Abgasrohrs und damit auch die Wärmetauschfläche zwischen dem durch das Abgasrohr strömenden Abgas und dem das Abgasrohr umströmenden Kühlmittel zu vergrößern, wodurch eine kürzere Baulänge bzw. eine höhere Kühlleistung des AGR-Kühlers im Vergleich zu glattwandigen Abgasrohren erzielt werden kann.

Es ist weiter bekannt, innerhalb des Außenrohrs, durch welches das Kühlmittel geleitet wird, eine Vielzahl parallel angeordneter Abgasrohre mit entsprechend kleineren Durchmessern anzuordnen. Durch diese Konstruktion wird ebenfalls die Gesamtoberfläche der Abgasrohre vergrößert, was eine Verkürzung der Baulänge bzw. eine Erhöhung der Kühlleistung des AGR-Kühlers im Vergleich zu einem Abgasrohr großen Durchmessers ermöglicht.

Auf dem allgemeinen Gebiet der Wärmetauschtechnik sind ferner so genannte Wendelwärmetauscher bekannt, wie sie beispielsweise in der EP 0 553 238 B1 beschrieben sind. Bei einem solchen Wendelwärmetauscher ist um ein mittleres geradliniges Rohr, durch das ein erstes Wärmetauschmedium strömt, wenigstens ein zweites Rohr, durch das ein zweites Wärmetauschmedium strömt, schraubenförmig gewickelt, um die Wärmetauschfläche zwischen den ersten und den zweiten Rohren zu vergrößern und einen kompakten Wärmetauscher zu bilden.

Weiter beschreibt die DE 29 12 132 C2 einen Wärmetauscher für Wärmepumpenanlagen mit einem ersten Kanal für Wasser als Wärmeträger, durch den ein zweiter Kanal für ein Kühlmittel geführt ist. Dieser zweite Kanal für das Kühlmittel ist als schraubenförmiges Rohr gebildet, dessen Schraubenachse parallel zur Längsachse des ersten Kanals verläuft.

Die WO 2004/068054 A1 zeigt einen Wärmetauscher mit einem ersten Kanal für ein erstes Wärmetauschmedium, in dem ein zweiter Kanal für ein zweites Wärmetauschmedium angeordnet ist, wobei der zweite Kanal durch ein schraubenförmiges Rohr gebildet ist, das um einen mittigen Stab gewickelt ist, dessen Oberfläche profiliert ist, um Turbulenzen im Strom des ersten Wärmetauschmediums zu erzeugen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher von kompakter Bauweise und mit einer hohen Wärmetauschleistung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der Wärmetauscher enthält einen ersten Kanal, durch den ein erstes Wärmetauschmedium strömt; und einen zweiten Kanal, der zumindest in einem Wärmetauschbereich des Wärmetauschers innerhalb des ersten Kanals angeordnet ist und durch den ein zweites Wärmetauschmedium strömt. Der zweite Kanal weist mehrere Rohre auf, die in einer Gruppe schraubenförmig um einen gemeinsamen imaginären Stab gewickelt sind.

Durch die schraubenförmige Wicklung der Stäbe kann die Baulänge des Wärmetauschers für eine gleich bleibende Wärmetauschleistung verkürzt bzw. die Wärmetauschleistung für eine gleich bleibende Baulänge des Wärmetauschers erhöht werden. Aufgrund der Wicklung mehrere Rohre um einen gemeinsamen imaginären Stab wird dieser Effekt gegenüber der Anordnung nur eines schraubenförmigen Rohrs deutlich verstärkt und die Kompaktheit der Anordnung beträchtlich erhöht. Durch die Wicklung der Rohre um einen imaginären Stab werden die Rohre allseitig direkt von dem ersten Wärmetauschmedium umströmt, was die Wärmetauschleitung gegenüber zum Beispiel einem Wendelwärmetauscher deutlich verbessert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die mehreren Rohre des zweiten Kanals in mehreren Gruppen in Strömungsrichtung des zweiten Wärmetauschmediums nebeneinander angeordnet, wobei in den Gruppen jeweils mehrere Rohre schraubenförmig um einen gemeinsamen imaginären Stab gewickelt sind. Durch diese Konstruktion werden die Vorteile des obigen Aufbaus mit denen einer Anordnung einer Vielzahl parallel verlaufender Rohre kombiniert.

Die wenigstens eine Gruppe von Rohren umfasst vorzugsweise drei Rohre. Im Rahmen der Erfindung können die Gruppen aber auch nur zwei oder mehr als drei schraubenförmig gewickelte Rohre je Gruppe aufweisen.

Um die Wärmetauschleistung weiter zu erhöhen, können die mehreren Rohre zusätzlich eine profilierte Außenwandung aufweisen.

Der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung findet in besonders vorteilhafter Weise als ein AGR-Kühler für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs Anwendung, wobei in diesem Fall das erste Wärmetauschmedium ein Kühlfluid und das zweite Wärmetauschmedium ein Abgas des Verbrennungsmotors ist.

Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus eines Wärmetauscher, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet werden kann;
2 eine Teilperspektivansicht eines zweiten Kanals eines Wärmetauschers gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Teilperspektivansicht eines zweiten Kanals eines Wärmetauschers gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 eine ausschnittweise Querschnittsdarstellung des zweiten Kanals des Wärmetauschers von 3.
1 zeigt als ein Beispiel eines Wärmetauschers, bei dem die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise anwendbar ist, einen AGR-Kühler, der Teil eines dem Fachmann bekannten Abgasrückführ-(AGR-)Systems für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs ist. Da auch der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise eines solchen AGR-Kühlers dem Fachmann bereits hinlänglich bekannt sind, wird der allgemeine Aufbau des Wärmetauschers anhand von 1 nur kurz beschrieben.
Der AGR-Kühler 10 besteht aus einem mittleren Wärmeübertragungsbereich 12, an den sich in der Abgasströmungsrichtung (Pfeile A) stromauf ein Abgaseintrittsbereich 14 und stromab ein Abgasaustrittsbereich 16 anschließen. Diese Komponenten 12–16 sind vorzugsweise von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen.
In dem Wärmeübertragungsbereich 12 ist ein Abgaskanal 18 (der zweite Kanal der vorliegenden Erfindung) zwischen dem Abgaseintrittsbereich 14 und dem Abgasaustrittsbereich 16 angeordnet, sodass Abgase (als das zweite Wärmetauschmedium der vorliegenden Erfindung) von dem Verbrennungsmotor den AGR-Kühler 10 durch den Abgaseintrittsbereich 14 → den Abgaskanal 18 → den Abgasaustrittsbereich 16 durchströmen.
Der Wärmeübertragungsbereich 12 enthält ferner ein zum Beispiel zylindrisches Außenrohr 20 (der erste Kanal der vorliegenden Erfindung), das den Abgaskanal 18 radial vollständig umschließt. Dieses Außenrohr 20 ist gegenüber dem Abgaseintrittsbereich 14, dem Abgasaustrittsbereich 16 und dem Abgaskanal 20 fluiddicht getrennt. Das Außenrohr 20 weist ferner einen Eintrittsstutzen 22 und einen Austrittsstutzen 24 auf, sodass ein Kühlmittel (als das erste Wärmetauschmedium der vorliegenden Erfindung) von dem Eintrittstutzen 22 in das Außenrohr 20 einströmt und von dem Austrittsstutzen 24 aus dem Außenrohr 20 ausströmt (Pfeile B), nachdem es mit dem Abgaskanal 18 bzw. dem durch den Abgaskanal strömenden Abgas einen Wärmeaustausch durchgeführt und das Abgas so gekühlt hat. Wie in 1 dargestellt, ist der Abgaskanal 18 zumindest im Wärmeübertragungsbereich 12 innerhalb des Außenrohrs 20 angeordnet.
Bezug nehmend auf 2 wird nun ein Abgaskanal bzw. zweiter Kanal 18 eines ersten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Der Abgaskanal 18 ist durch drei Rohre 26 gebildet, die in einer Gruppe 28 schraubenförmig und parallel zueinander um einen gemeinsamen imaginären, geradlinigen Stab gewickelt sind. Zur Herstellung werden die drei Rohre 26 zum Beispiel um einen geradlinigen Stab gewickelt und der Stab anschließend entfernt. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann der Stab auch in gebogener Form ausgestaltet sein. Insbesondere ist es auch möglich, den Stab seinerseits schraubenförmig auszugestalten.
Wie in 2 zu erkennen, bilden die drei Rohre 26 eine sehr kompakte Anordnung für den zweiten Kanal 18. Außerdem werden die drei Rohre 26 allseitig von dem ersten Wärmetauschmedium im Außenrohr 20 umströmt, da auch zwischen den einzelnen Rohren 26 ausreichend Zwischenräume vorhanden sind.
Die Konstruktion des zweiten Kanals 18 gemäß der Ausführungsform von 2 ermöglicht die Verkürzung der Baulänge des Wärmetauschers 10 in der Strömungsrichtung des zweiten Wärmetauschmediums bei gleich bleibender Kühlleistung bzw. eine Erhöhung der Kühlleistung des Wärmetauschers 10 bei gleich bleibender Baulänge.
3 und 4 zeigen in Weiterbildung der Konstruktion von 2 einen zweiten Kanal 18 des Wärmetauschers 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die in 2 dargestellt Gruppe 28 aus drei Rohren 26 wird vervielfältigt, sodass der zweite Kanal 18 aus einem Bündel von mehreren Gruppen 28 gebildet ist, die jeweils gemäß der obigen Ausführungsform von 2 aufgebaut sind. Die mehreren Gruppen 28 sind dabei in der Strömungsrichtung des zweiten Wärmetauschmediums im wesentlich parallel zueinander und nebeneinander angeordnet.
Wie insbesondere in der Querschnittsdarstellung von 4 erkennbar, bildet der zweite Kanal 18 ausreichend Zwischenräume zwischen den einzelnen Rohrgruppen 28, zwischen den einzelnen Rohren 26 einer Gruppe 28 und innerhalb einer Rohrgruppe 28, durch die das erste Wärmetauschmedium in dem ersten Kanal 20 strömen kann.
Die oben in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel genannten Vorteile werden hier ebenfalls erzielt und sogar noch weiter verbessert.
Während die Erfindung oben anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass für den Fachmann zahlreiche Ab wandlungen und Modifikationen innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche definierten Schutzumfangs offensichtlich sein werden.
Während zum Beispiel in den obigen Ausführungsbeispielen die Gruppen 28 jeweils aus drei Rohren 26 gebildet sind, kann eine Gruppe 28 selbstverständlich auch aus nur zwei Rohren 26 oder aus mehr als drei Rohren 26 gebildet werden.
Ferner können die Rohre 26 modifiziert werden, um ihre Oberflächen und damit die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern und/oder zusätzliche Turbulenzen in dem Strom des ersten Wärmetauschmediums zu erzeugen, ohne dass dies in den Zeichnungen ausdrücklich veranschaulicht ist. Beispielsweise können die Außenwandungen der Rohre 26 profiliert sein.

Claims

Wärmetauscher (10), mit einem ersten Kanal (20), durch den ein erstes Wärmetauschmedium strömt; und einem zweiten Kanal (18), der zumindest in einem Wärmetauschbereich (12) des Wärmetauschers (10) innerhalb des ersten Kanals (20) angeordnet ist und durch den ein zweites Wärmetauschmedium strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (18) mehrere Rohre (26) aufweist, die in einer Gruppe (28) schraubenförmig um einen gemeinsamen imaginären Stab gewickelt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Rohre (26) des zweiten Kanals (18) in mehreren Gruppen (28) in Strömungsrichtung des zweiten Wärmetauschmediums nebeneinander angeordnet sind, in denen jeweils mehrere Rohre (26) schraubenförmig um einen gemeinsamen imaginären Stab gewickelt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Gruppe (28) von Rohren (26) drei Rohre (26) umfasst.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Rohre (26) eine profilierte Außenwandung aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) ein AGR-Kühler für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs ist, das erste Wärmetauschmedium ein Kühlfluid ist, und das zweite Wärmetauschmedium ein Abgas des Verbrennungsmotors ist.