DE102008027316A1

DE102008027316A1 - Wärmetauscher, beispielweise Abgaswärmetauscher

Info

Publication number: DE102008027316A1
Application number: DE102008027316A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Schatz; Ingo Dipl.-Ing. Heitel
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2008-06-07
Filing date: 2008-06-07
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, beispielsweise Abgaswärmetauscher, der aus einem Bündel aus Rohren (2) besteht, das in ein rohrförmiges Gehäuse (11) einsetzbar ist, wobei das beispielsweise Abgas vom Eintritt (4) über die Länge des Wärmetauschers bis zum Austritt (6) strömt, wobei zwischen den Rohren (2) jeweils wenigstens ein Kühlmittelkanal (5) angeordnet ist und wobei die Kühlmittelkanäle (5) in Gruppen getrennt und von Kühlmittel durchströmt sind. Um insbesondere die betriebsbedingten Belastungen des Wärmetauschers zu reduzieren wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kühlmittel in mindestens einer Gruppe (F) eine Flüssigkeit und in einer anderen Gruppe (G) ein Gas ist, wobei die Länge (L) der Flüssigkeitsgruppe (F) nicht größer als etwa 25% der Länge (L) der Gasgruppe (G) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, beispielsweise einen Abgaswärmetauscher, der die weiteren Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist.
Der im Oberbegriff charakterisierte Wärmetauscher ist aus einer älteren deutschen Anmeldung bekannt, die das Aktenzeichen DE 10 2007 049 184.2 erhalten hat. Er wird zur Kühlung von zum Motor zurück zu führendem Abgas eingesetzt. Dieser gegenwärtig noch nicht veröffentlichte Wärmetauscher weist zwei Gruppen von Kühlmittelkanälen auf, die von flüssigem Kühlmittel unterschiedlicher Temperatur (LT, HT) durchströmt werden, wie in der 1 gezeigt wird. Somit handelt es sich um eine zweistufige Abgaskühlung. Das Gruppengrößenverhältnis ist dort mit etwa 30% zu 70% bzw. auch mit 50/50 angegeben worden.
Die zweistufige Abgaskühlung ist ferner aus zahlreichen älteren Veröffentlichungen bekannt, die jedoch weiter entfernt liegen, da sie sich mehr mit den Kühlkreisläufen als mit der Ausgestaltung eines Wärmetauschers beschäftigen. Erwähnt sei beispielsweise die DE 44 14 429 C1 , vielleicht auch noch die WO 2006/136372A1 , die allerdings jüngeren Datums ist.
Im Rahmen der mehrstufigen Abgaskühlung ist es auch bekannt, zur Kühlung der einzelnen Stufen unterschiedliche Kühlmittel einzusetzen. Dabei werden in der ersten Stufe meistens Flüssigkeiten eingesetzt und in der zweiten Stufe kommt Kühlluft zur Anwendung. Bei solchen bekannten Lösungen ist es oft typisch, dass mehrere Wärmetauscher vorgesehen und an verschiedenen Plätzen angeordnet werden. Ein luftgekühlter Abgaskühler oder ein luftgekühlter Abgas/Ladeluftkühler befindet sich dann meistens vorne in einem Kraftfahrzeug, um dort von Kühlluft frei durchströmt werden zu können. Ein anderer, flüssigkeitsgekühlter Abgaswärmetauscher befindet sich oft in der Nähe des Verbrennungsmotors und ist an dessen Flüssigkeits-Kühlkreislauf direkt oder indirekt angeschlossen. Von diesem führt dann eine Abgasleitung zum luftgekühlten Abgaskühler bzw. zum Abgas/Ladeluftkühler.
Die Anmelderin hat beim US-PTO eine weitere Patentanmeldung eingereicht, der die US – Serial number 61/023 229 zugeteilt wurde. Die beigefügte 2 wurde dieser älteren Anmeldung entnommen. Sie zeigt einen Wärmetauscher 100 in einem Gehäuse 400 mit dem beispielsweise Abgas mittels Luft gekühlt wird, die mit Hilfe eines im Gehäuse integrierten Ventilators 500 durch das Gehäuse 400 und durch die Luftkanäle des Wärmetauschers befördert wird. Diese Konstruktion bietet unter anderem den Vorteil, dass hinsichtlich der Anordnung des Wärmetauschers im Motorraum eines Kraftfahrzeuges größere konstruktive Freiheiten vorhanden sind. Obwohl als Kühlmittel Luft vorgesehen wird, muss die Anordnung also nicht unbedingt vorne im Kühlluftstrom sein. Als Nachteil kann angenommen werden, dass wegen der höheren Temperaturunterschiede hohe materialseitige Belastungen auftreten können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen die Merkmale des Oberbegriffs aufweisenden Wärmetauscher derart weiterzubilden, dass seine wirtschaftliche Herstellung in der Massenproduktion erhalten bleibt und seine betriebsbedingten Belastungen wegen hoher Temperaturunterschiede reduziert werden.
Die erfindungsgemäße Lösung wird durch den Einsatz der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Es ist vorgesehen, dass das Kühlmittel in der einen Gruppe eine Flüssigkeit ist und dass das Kühlmittel in der anderen Gruppe ein Gas ist, wobei die Länge der Flüssigkeitsgruppe nicht größer als etwa 25% der Länge der Gasgruppe ist. Die Flüssigkeitsgruppe ist stets an der Seite des Eintritts der zum Beispiel Abgase in den Wärmetauscher angeordnet.
Mit Hilfe der Flüssigkeitsgruppe, deren Länge im Vergleich zum Stand der Technik drastisch reduziert wurde, ist es möglich geworden, bei weiterhin moderaten Baukosten, die Belastungen durch hohe Temperaturunterschiede zu reduzieren. Die verwendete Flüssigkeit ist vorzugsweise die Kühlflüssigkeit des Antriebsmotors. Damit ist es möglich die Abgastemperatur von ca. 700°C auf ca. 400°C abzusenken. Die erwähnten Belastungen im Eintrittsbereich der Abgase in die Gasgruppe werden wesentlich herabgesetzt, weil der Anschlussbereich zwischen der Flüssigkeitsgruppe und der Gasgruppe intensiv gekühlt wird. Das zur Kühlung vorgesehene Gas in der Gasgruppe ist Umgebungsluft, die mittels eines im Gehäuse sitzenden Ventilators befördert wird. Der vorschlagsgemäße Wärmetauscher kann in Motornähe angeordnet werden. Die Kühlluft kann über eine Gasleitung auch von außerhalb des Motorraumes an das Gehäuse herangeführt werden.
Darüber hinaus ist es durch die Erfindung möglich geworden, für die Gasgruppe Kunststoff oder Aluminium als Material für das Gehäuse zu verwenden, wodurch der Wärmetauscher ein wesentlich geringeres Gewicht erhalten hat.
Die Erfinder haben festgestellt, dass bezüglich der Länge der Flüssigkeitsgruppe bereits 1–10% der Gesamtlänge des Wärmetauschers bzw. der Länge der Gasgruppe ausreichend sind, um die erwähnten Belastungen angemessen zu reduzieren und dabei die Herstellungskosten gering zu halten. Dazu dient auch die Option, dass in der Flüssigkeitsgruppe das Vorsehen von flüssigkeitsseitigen Kühlrippen entfallen kann. Ferner müssen die Flachrohre innerhalb der Flüssigkeitsgruppe keine Inneneinsätze aufweisen. Innerhalb der Gasgruppe weisen dieselben dagegen Inneneinsätze auf.
Die Rohre des Wärmetauschers sind solche aus Edelstahl, denn durch sie strömt beispielsweise Abgas. Die Rohre erstrecken sich durchgehend über beide Gruppen, wobei mittels eines Rohrbodens oder dergleichen die Gruppenaufteilung vorgenommen wird.
Weitere Merkmale des Wärmetauschers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2–12, die lediglich zur Vermeidung von zu vielen Wiederholungen an dieser Stelle nicht aufgeführt worden sind.
Ferner ergeben sich die Merkmale und deren Wirkungen aus der nachfolgenden Beschreibung von erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen, die in den beiliegenden Figuren illustriert sind.
Die Figuren zeigen Folgendes:
3 – Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher;
4 – Seitenansicht eines Abgaswärmetauschers;
5 – Schnitt durch den Abgaswärmetauscher gemäß 4;
6 – Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher mit veränderter Strömungsführung des Gases;
7 – zeigt eine Seitenansicht und die 8 zeigt einen horizontalen Längsschnitt durch den Wärmetauscher gemäß 7; 8a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 8;
9 zeigt eine Einzelheit am Austritt der Abgase;
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 strömen das Gas, welches Kühlluft ist und die Abgase, welche zum Beispiel auch eine Mischung aus Abgas und komprimierter Ladeluft sein können, im Gleichstrom. Wenn im Folgenden von Abgas gesprochen wird, kann damit immer auch die erwähnte Mischung gemeint sein. Es könnte sich allerdings auch um irgendein anderes Medium handeln.
Das Abgas wurde mittels Blockpfeile kenntlich gemacht, das Gas mittels punktierter Linienführung und die Flüssigkeit mittels gestrichelter Linienführung der Pfeile. Am Eintritt 4 der Abgase befindet sich die Flüssigkeitsgruppe F. Daran schließt sich die Gasgruppe G an. Die Rohre des Wärmetauschers sind Flachrohre 2 aus Edelstahl. Sie erstrecken sich durchgehend über beide Gruppen F und G bzw. über den gesamten Wärmetauscher. Zwischen den Gruppen F, G befindet sich ein erster Rohrboden 10. Die Flüssigkeitsgruppe F ist relativ einfach gestaltet, um die Herstellung möglichst einfach, das heißt Kosten sparend zu belassen. Sie besteht aus einem kappenartig gestalteten Kasten 50, der an einer Seite komplett offen ist und einen abgebogenen Lötrand 51 aufweist, mit dem dieser Kasten 50, das Rohrbündel umfassend, am Rohrboden 10 angelötet werden kann. Im Mantel des Kastens 50 befinden sich Eintritts – und Austrittsöffnungen für die Flüssigkeit. Gegenüber der komplett offenen Seite des Kastens 50 befindet sich ein weiterer Rohrboden 12, in dem die Flachrohre 2 münden. (siehe auch 5 oder 8a) Der weitere Rohrboden 12 kann separat sein, wie in 8a gezeigt, er kann allerdings auch Teil des Kastens 50 sein. Demnach gehen also die Flachrohre 2 durch den Kasten 50 hindurch, denn sie münden, wie erwähnt, im weiteren Rohrboden 12. In der Flüssigkeitsgruppe F werden die Flachrohre 2 von der Flüssigkeit umströmt. Die Flüssigkeit strömt auch intensiv an die Rohrböden 10, 12 heran, um dieselben zu kühlen und die dortigen Verbindungen zu entlasten.
In der bereits erwähnten Gasgruppe G strömt hingegen Gas um die Flachrohre 2 herum, um die Kühlung der darin strömenden Abgase zu bewirken. Das Gas ist Kühlluft, die über eine Gasleitung 41 von außerhalb eines nicht gezeigten Motorraumes mittels des Ventilators 40 angesaugt werden kann. Bei der Gasleitung 41 kann es sich auch um einen nach außen führenden Schlauch handeln. Der Ventilator 40 sitzt in solchen Fällen näher am Gehäuse 11, jedenfalls nicht komplett außerhalb des Motorraumes. Der Ventilator 40 drückt die angesaugte Kühlluft durch den Gaseintritt 42 und durch die Gaskanäle 20, die zwischen den Flachrohren 2 vorhanden sind, hindurch, zum auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten Gasaustritt 43. Die Gaskanäle 20 sind mit Wellrippen 21 (8a) oder dergleichen ausgestattet, um einen effektiven Wärmeaustausch zu gewährleisten. Sie können deshalb aus Kupfer bestehen aber auch aus Edelstahl, wie die Rohre 2. Innerhalb der Flachrohre 2 befinden sich Inneneinsätze, zumindest im Bereich der Gasgruppe G, was nicht gezeigt wird, weil an den Inneneinsätzen keine Besonderheiten vorhanden sind. In der Flüssigkeitsgruppe G müssen solche Inneneinsätze nicht unbedingt vorhanden sein, weil deren Hauptwirkung auf die Kühlung der Rohrböden 10, 12 und der Verbindung Kasten 50/Rohrboden 10 gerichtet ist, um dort Brüche durch Temperaturwechselbelastungen zu vermeiden. Die Länge L der Flüssigkeitsgruppe F beträgt in den gezeigten Ausführungsbeispielen etwa 10% der Länge der Gasgruppe G. Ein Mindestanteil wird bei etwa 1–5% gesehen. Maximal sollten 25% ausreichend sein, denn eine noch längere Flüssigkeitsgruppe F würde die Herstellungskosten erhöhen und den Bauraum unnötig vergrößern.
Die gesamte Länge L des Wärmetauschers kann sich je nach Anwendungsfall über etwa 0,5–1,0 m erstrecken. Es wird deshalb erwartet, dass die Abkühlung beispielsweise der Abgase soweit möglich wird, dass das Gehäuse 11 des Wärmetauschers wenigstens im Bereich der Gasgruppe G ein Aluminiumgehäuse 11 sein kann – vielleicht sogar ein solches aus Kunststoff. Darüber hinaus kann der Sammelkasten 60 am Austritt 6 aus dem Wärmetauscher jedenfalls aus Kunststoff bestehen, der dann mit dem dortigen Rohrboden 30 mechanisch verbunden ist. Damit können die Kosten ebenfalls positiv beeinflusst werden.
Die 4 und 5 unterscheiden sich von der 3 hauptsächlich durch die Strömungsrichtungen der Kühlluft und des Abgases. Dort wird eine Gegenstromführung vorgesehen, während die 3 eine Gleichstromführung zeigt. Darüber hinaus ist das Bündel aus Flachrohren 2 in zwei getrennte Stränge S1, S2 aufgeteilt. Jeder Strang ist bestimmten nicht gezeigten Zylindergruppen beispielsweise einer Brennkraftmaschine zugeordnet. Am Austritt 6 des Wärmetauschers werden die gekühlten Abgase aus den Strängen S1, S2 vereinigt.
In der 6 wird die Strömungsführung als Kreuzgegenstrom oder auch als Kreuzgleichstrom ausgebildet. Dazu dienen Umlenkbleche 70, die im Gehäuse 11 um das Bündel herum angeordnet sind.
In der 9 wird eine Möglichkeit vorgestellt, die durch Temperaturwechsel verursachte thermische Ausdehnungen zulässt. Sie zeigt das stirnseitige Ende des Abgaswärmetauschers am Austritt 6, der einen Diffusor 31 aufweist, der in einer Schiebesitzanordnung 80 abgestützt ist, die Längenänderungen gestattet, die bei einem ca. 700 mm langen Abgaswärmetauscher etwa 2 mm betragen können. Die Flachrohre 2 sitzen in dem Rohrboden 30. Das Bezugszeichen 62 bezeichnet einen elastischen Gummiring.
Außerdem kann auch vorgesehen werden, innerhalb der einzelnen Gruppen, hauptsächlich innerhalb der Gruppe G, zusätzliche elastische Abstützungen einzusetzen, wie es in der vorne genannten älteren Anmeldung gezeigt wird. Der Wärmetauscher aus den Ausführungsbeispielen kann in nicht gezeigter, bekannter Weise in das Abgasrückführungssystem eines Verbrennungsmotors, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, eingebunden sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007049184 [0002]
- DE 4414429 C1 [0003]
- WO 2006/136372 A1 [0003]
- US 61/023229 [0005]

Claims

Wärmetauscher, beispielsweise Abgaswärmetauscher, der aus einem Bündel aus Rohren (2) besteht, das in ein rohrförmiges Gehäuse (11) einsetzbar ist, wobei das beispielsweise Abgas vom Eintritt (4) über die Länge des Wärmetauschers bis zum Austritt (6) strömt, wobei zwischen den Rohren (2) jeweils wenigstens ein Kühlmittelkanal (5) angeordnet ist und wobei die Kühlmittelkanäle (5) in Gruppen getrennt und von Kühlmittel durchströmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel in mindestens einer Gruppe (F) eine Flüssigkeit und in einer anderen Gruppe (G) ein Gas ist, wobei die Länge (L) der Flüssigkeitsgruppe (F) nicht größer als etwa 25% der Länge (L) der Gasgruppe (G) ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Flüssigkeitsgruppe (G) bevorzugt etwa 1–10% der Länge der Gasgruppe (G) beträgt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasgruppe (G) am Gehäuse (11) wenigstens einen Gaseintritt (42) und einen Gasaustritt (43) aufweist.
Wärmetauscher nach den Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseintritt (42) und/oder Gasaustritt (43) mit einer Gasleitung (41) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilator (40) mit dem Gaseintritt oder im Gasaustritt kooperiert.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsgruppe (F) an der Seite des Wärmetauschers angeordnet ist, an der beispielsweise das Abgas in denselben eintritt.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (2) Flachrohre aus Edelstahl sind, die sich durchgehend über die mindestens zwei Gruppen (F, G) erstrecken.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre wenigstens innerhalb der Gasgruppe (G) Inneneinsätze aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Flachrohren (2) wenigstens innerhalb der Gasgruppe (G) Kühlrippen (21) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrboden (10) zur Trennung der Gruppen (F, G) angeordnet ist, durch den hindurch sich die Flachrohre (2) erstrecken.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (42) und der Austritt (43) des Gases an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses (11) angeordnet sind, sodass das Gas im Allgemeinen schräg durch die Gaskanäle (20) strömen muss.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise an der Seite des Wärmetauschers, an der das beispielsweise Abgas ausströmt, thermisch bedingte Längenänderung zugelassen wird.