DE102016200634A1

DE102016200634A1 - Heat exchanger

Info

Publication number: DE102016200634A1
Application number: DE102016200634.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Geskes; Daniel Schwaderer; Dirk Stadelhofer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-07-20
Also published as: EP3196579A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) mit einem Gehäuse (2) und einem darin angeordneten Rohrbündel (3) mit mehreren sich in Axialrichtung (4) erstreckenden Flachrohren (5), die längsendseitig in komplementär dazu ausgebildeten Durchzügen (6) in Rohrböden (7) gehalten sind, wobei zumindest ein Rohrboden (7) über ein Dehnelement (8) am Gehäuse (2) angebunden ist. Erfindungswesentlich ist dabei, – dass das Dehnelement (8) den Rohrboden (7) ringförmig umgibt, – dass das Dehnelement (8) einen Innenschenkel (9), einen Außenschenkel (10) und einen mäanderförmigen Zwischenbereich (11) mit zumindest eineinhalb Dehnschleifen (12) aufweist, – dass das Dehnelement (8) im Einbauzustand mit dem Innenschenkel (9) in Radialrichtung (13) gegen den Rohrboden (7) und mit dem Außenschenkel (10) in Radialrichtung (13) gegen das Gehäuse (2) verspannt ist, – dass der Innenschenkel (9) und der Außenschenkel (10) auf der gleichen Seite des Zwischenbereichs (11) angeordnet sind.The invention relates to a heat exchanger (1) with a housing (2) and a tube bundle (3) arranged therein with a plurality of flat tubes (5) extending in the axial direction (4), the passages (6) formed longitudinally in complementary passages (6) in tube sheets (7 ), wherein at least one tube plate (7) via an expansion element (8) on the housing (2) is connected. It is essential to the invention that the expansion element (8) surrounds the tube plate (7) in an annular manner, that the expansion element (8) has an inner leg (9), an outer leg (10) and a meandering intermediate region (11) with at least one and a half stretch loops (12 ), - that the expansion element (8) in the installed state with the inner leg (9) in the radial direction (13) against the tube bottom (7) and with the outer leg (10) in the radial direction (13) is clamped against the housing (2), - That the inner leg (9) and the outer leg (10) on the same side of the intermediate portion (11) are arranged.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Rohrbündel mit mehreren sich in Axialrichtung erstreckenden Flachrohren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmeübertragers.The present invention relates to a heat exchanger with a housing and a tube bundle disposed therein with a plurality of axially extending flat tubes according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for producing such a heat exchanger.

Gattungsgemäße Wärmeübertrager werden in modernen Kraftfahrzeugen hauptsächlich als sogenannte Abgaskühler eingesetzt, um die Stickoxid- und Partikelemissionen reduzieren zu können. Dabei wird ein Teil des Verbrennungsabgases im Abgaskrümmer abgezweigt und durch den Wärmeübertrager gekühlt. Anschließend wird das abgekühlte Abgas der angesaugten Frischluft zugemischt und der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeführt. Aufgrund der vergleichsweise hohen Abgastemperaturen von bis zu 700 °C sind derartige Wärmeübertrager hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt, die jedoch auch langfristig nicht zu einer Schädigung des Wärmeübertragers führen dürfen. Die üblicherweise im Betrieb der Brennkraftmaschine und des Wärmeübertragers auftretenden Temperaturbelastungen können in Extremfällen sogar noch ansteigen, beispielsweise bei hoher Leistung der Brennkraftmaschine und gleichzeitig unzureichender Kühlmittelversorgung des Wärmeübertragers. Hierbei können sich die abgasführenden Flachrohre in dem Wärmeübertrager stark ausdehnen und verformen, insbesondere sogar verbiegen, sofern sie sich in Längsrichtung nicht dehnen können. Derartige Verformungen führen langfristig zu Undichtigkeiten, wodurch es im schlimmsten Fall zu einem Kühlmitteleintrag in den Verbrennungsmotor und damit zu einem Motorschaden kommen kann.Generic heat exchangers are used in modern motor vehicles mainly as so-called exhaust gas cooler to reduce the nitrogen oxide and particulate emissions can. In this case, a part of the combustion exhaust gas is branched off in the exhaust manifold and cooled by the heat exchanger. Subsequently, the cooled exhaust gas is admixed with the intake fresh air and supplied to the internal combustion engine for combustion. Due to the comparatively high exhaust gas temperatures of up to 700 ° C, such heat exchangers are exposed to high temperature loads, which, however, must not lead to damage to the heat exchanger even in the long term. The temperature stresses that usually occur during operation of the internal combustion engine and the heat exchanger can even increase in extreme cases, for example, at high power of the internal combustion engine and at the same time insufficient coolant supply of the heat exchanger. Here, the exhaust-carrying flat tubes in the heat exchanger can greatly expand and deform, in particular even bend, provided that they can not stretch in the longitudinal direction. Such deformations lead in the long term to leaks, which can lead to a coolant entry into the internal combustion engine and thus to engine damage in the worst case.

Um den bekannten Temperaturbelastungen begegnen zu können, sind aus dem Stand der Technik bereits vielfältige Lösungen bekannt, wie beispielsweise ein Schiebesitz für einen Rohrboden, welcher in der Lage ist, die temperaturbedingten Längendehnungen der Flachrohre auszugleichen. Nachteil dieser Lösung ist jedoch die Anfälligkeit gegenüber Vibrationen, das heißt hier können Schäden durch hohe Schwingungsbelastungen der Brennkraftmaschine auftreten. Erfolgt die Abdichtung des Schiebesitzes zudem über separate Dichtungen, besteht die Gefahr, dass bei einem Versagen dieser Dichtung ein Eintrag von Kühlmittel in die Brennkraftmaschine und daraus wiederum ein Motorschaden resultieren kann. Eine weitere Lösung ist beispielsweise ein sogenannter Membranboden mit einer umlaufenden Dehnsicke, wobei hier jedoch die Flexibilität im Hinblick auf die temperaturbedingten Längendehnungen beschränkt ist. In order to be able to counteract the known temperature loads, various solutions are already known from the prior art, such as, for example, a sliding seat for a tube plate, which is able to compensate for the temperature-induced elongations of the flat tubes. Disadvantage of this solution, however, is the susceptibility to vibration, that is, damage can occur here by high vibration loads of the internal combustion engine. If the sealing of the sliding seat also takes place via separate seals, there is a risk that in the event of failure of this seal, an entry of coolant into the internal combustion engine and, in turn, engine damage may result. Another solution is, for example, a so-called membrane bottom with a circumferential expansion bead, but here the flexibility is limited in terms of the temperature-related elongations.

Aus der US 2,468,903 A ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Rohrbündel mit mehreren sich in Axialrichtung erstreckenden Flachrohren bekannt, die längsendseitig in komplementär dazu ausgebildeten Durchzügen in Rohrböden gehalten sind. Einer der beiden Rohrböden ist dabei fest mit dem Gehäuse verbunden, während der andere Rohrboden über ein Dehnelement am Gehäuse angebunden ist und dadurch Längendehnungen der Rohre kompensieren kann. From the US 2,468,903 A is a generic heat exchanger with a housing and a tube bundle arranged therein with a plurality of axially extending flat tubes known which are longitudinally held in complementary trained passages in tube sheets. One of the two tube plates is firmly connected to the housing, while the other tube plate is connected via an expansion element on the housing and thereby compensate for elongations of the tubes can.

Aus der EP 2 851 548 A1 ist ein Abgaskühler bekannt, dessen einer Rohrboden über einen Faltenbalg längsverschieblich gelagert ist.From the EP 2 851 548 A1 an exhaust gas cooler is known, a tube plate is mounted longitudinally displaceable via a bellows.

Aus der DE 102 18 521 A1 ist ebenfalls ein Abgaswärmeübertrager bekannt, welcher zur Kompensation von temperaturbedingten Längendehnungen einzelner Flachrohre einen über einen Schiebesitz verschieblich gelagerten Rohrboden aufweist. In ähnlicher Art ist auch ein Abgaswärmeübertrager aus der DE 101 57 285 A1 bekannt. From the DE 102 18 521 A1 an exhaust gas heat exchanger is also known, which has a displaceably mounted via a sliding seat tube sheet to compensate for temperature-induced elongation of individual flat tubes. In a similar manner, an exhaust gas heat exchanger from the DE 101 57 285 A1 known.

Alle genannten Konzepte haben jedoch dabei den Nachteil, dass diese entweder ein nicht zu unterschätzendes Risiko einer Leckage zwischen Kühlmittel und Abgas, ein Vibrationsrisiko oder eine Beschränkung der Elastizität aufweisen. However, all of these concepts have the disadvantage that they either have a not to be underestimated risk of leakage between the coolant and the exhaust gas, a risk of vibration or a restriction of elasticity.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet und zudem einfach zu fertigen ist.The present invention therefore deals with the problem of providing for a heat exchanger of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which in particular overcomes the disadvantages known from the prior art and is also easy to manufacture.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest einen Rohrboden eines Wärmeübertragers, insbesondere eines Abgaskühlers, über ein speziell ausgebildetes Dehnelement gegenüber einem Gehäuse zu lagern, wobei dieses Dehnelement als Radialfederelement ausgebildet ist und den Rohrboden ringförmig umgibt und zugleich einen Innenschenkel, einen Außenschenkel und einen mäanderförmigen Zwischenbereich mit zumindest eineinhalb Dehnschleifen aufweist, so dass über das Dehnelement der zugehörige Rohrboden einerseits schwingungsdämpfend und andererseits Dehnungen aufnehmend im Gehäuse gelagert werden kann und zugleich durch eine spezielle Ausbildung des Dehnelements dieses vergleichsweise einfach montiert und stoffschlüssig mit dem Rohrboden und einer Gehäuseinnenseite des Gehäuses verbunden werden kann. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager besitzt dabei ein Gehäuse sowie ein daran angeordnetes Rohrbündel mit mehreren sich in Axialrichtung erstreckenden Flachrohren, die längsendseitig in komplementär dazu ausgebildeten Durchzügen in den Rohrböden gehalten sind. Einer dieser Rohrböden ist dabei über das erfindungsgemäße Dehnelement am Gehäuse angebunden. Wie bereits erwähnt, umgibt dabei das Dehnelement den Rohrboden ringförmig und weist zudem einen Innenschenkel, einen Außenschenkel und den mäanderförmigen Zwischenbereich mit zumindest eineinhalb Dehnschleifen auf. Das Dehnelement ist dabei im Einbauzustand mit dem Innenschenkel in Radialrichtung gegen den Rohrboden und mit dem Außenschenkel in Radialrichtung gegen die Gehäuseinnenseite des Gehäuses verspannt, wobei der Innenschenkel und der Außenschenkel zugleich auf der gleichen Seite des Zwischenbereichs angeordnet sind. Der Innenschenkel und der Außenschenkel weisen somit in die gleiche Richtung und sind an einem dem Zwischenbereich gegenüberliegenden Längsende des Dehnelements angeordnet. Vorzugsweise liegen diese auch auf gleicher axialer Höhe und sind zumindest im Einbauzustand im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Dies ermöglicht bei der Montage des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ein einfaches Einschieben des ringförmigen Dehnelements in den zwischen dem Rohrboden und der Gehäuseinnenseite vorhandenen Ringraum, wobei zum Einschieben der Innenschenkel und der Außenschenkel elastisch aufeinander zu bewegt werden und dadurch ein selbstfixierendes Verspannen des Rohrbodens im Gehäuse bewirken. Durch den Umstand, dass der Innenschenkel und der Außenschenkel auf der gleichen Seite des Zwischenbereichs angeordnet sind, sind auch die jeweiligen Verbindungsstellen, nämlich eine erste Verbindungsstelle zwischen dem Innenschenkel und dem Rohrboden sowie eine zweite Verbindungsstelle zwischen dem Außenschenkel und der Gehäuseinnenseite des Gehäuses leicht von außen zugänglich, so dass hier eine stoffschlüssige Anbindung, beispielsweise durch ein Verschweißen, leicht von außen möglich ist. Selbstverständlich kann anstelle des Schweißens auch ein Verlöten erfolgen, wobei in diesem Fall der vorgefertigte Wärmeübertrager mit Gehäuse und den darin über das Dehnelement verspanntem Rohrboden bzw. Rohrbündel komplett in einen Lötofen eingebracht und dort verlötet wird. Separate Lagerrahmen bzw. Haltegestelle sind aufgrund der selbstfixierenden Wirkung des vorgespannten Dehnelements nicht erforderlich. Unabhängig von der Art der stoffschlüssigen Verbindungsmethode ermöglicht somit das erfindungsgemäße Dehnelement eine deutlich vereinfachte Montage. Zugleich kann auf die aus dem Stand der Technik oftmals verwendeten separaten Dichtungen verzichtet werden, wodurch auch die Leckagesicherheit erhöht werden kann. Durch die federvorgespannte Einbaulage des Dehnelements kann zudem eine Schwingungsentkopplung des damit verbundenen Rohrbodens in Bezug auf das Gehäuse erreicht werden, wodurch die Schwingungsanfälligkeit reduziert werden kann.The present invention is based on the general idea to store at least one tube plate of a heat exchanger, in particular an exhaust gas cooler, via a specially designed expansion element relative to a housing, said expansion element is designed as a radial spring element and annularly surrounds the tube sheet and at the same time an inner leg, an outer leg and has a meandering intermediate region with at least one and a half Dehnschleifen, so that via the expansion element of the corresponding tube plate on the one hand vibration damping and on the other hand expansions receiving can be stored in the housing and at the same time by a special design of the expansion element this comparatively easily mounted and cohesively with the tube sheet and a housing interior side of the housing can be connected. The heat exchanger according to the invention has a housing and a tube bundle arranged thereon with a plurality of flat tubes extending in the axial direction, which are held in the tubesheets on the longitudinal end in passages designed to be complementary thereto. One of these tube sheets is connected to the housing via the expansion element according to the invention. As already mentioned, the expansion element surrounds the tubesheet annularly and also has an inner leg, an outer leg and the meandering intermediate region with at least one and a half stretch loops. The expansion element is clamped in the installed state with the inner leg in the radial direction against the tube sheet and with the outer leg in the radial direction against the housing inner side of the housing, wherein the inner leg and the outer leg are also arranged on the same side of the intermediate region. The inner leg and the outer leg thus point in the same direction and are arranged at a longitudinal end opposite the intermediate region of the expansion element. Preferably, these are also at the same axial height and are arranged at least in the installed state substantially parallel to each other. This allows for the installation of the heat exchanger according to the invention, a simple insertion of the annular expansion element in existing between the tube sheet and the housing inner side annular space, to move the inner leg and the outer leg elastically moved towards each other and thereby cause a self-fixing bracing of the tube sheet in the housing. Due to the fact that the inner leg and the outer leg are arranged on the same side of the intermediate region, the respective connection points, namely a first connection point between the inner leg and the tube bottom and a second connection point between the outer leg and the housing inner side of the housing are slightly from the outside accessible, so that here a material connection, for example by welding, is easily possible from the outside. Of course, instead of welding, a soldering done, in which case the prefabricated heat exchanger with housing and clamped therein over the expansion element tube plate or tube bundle is completely placed in a soldering oven and soldered there. Separate bearing frames or holding racks are not required due to the self-fixing effect of the prestressed expansion element. Regardless of the type of cohesive connection method thus enables the expansion element according to the invention a significantly simplified installation. At the same time can be dispensed with the often used from the prior art separate seals, whereby the leakage safety can be increased. Due to the spring-biased mounting position of the expansion element also a vibration decoupling of the associated tube sheet can be achieved with respect to the housing, whereby the vibration susceptibility can be reduced.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Gehäuse im Bereich des Dehnelements aufgeweitet. Durch die Aufweitung kann zugleich auch ein Anschlag für das Dehnelement geschaffen werden, wodurch die Montage desselben vereinfacht wird. Je nach gewünschter Dehnfähigkeit kann dabei der aufgeweitete Bereich größer oder kleiner dimensioniert werden. Soll beispielsweise eine größere Dehnfähigkeit des Dehnelements realisiert werden, so weist dieses in seinem mäanderförmigen Zwischenbereich beispielsweise 2,5, 3,5 oder n+0,5 Dehnschleifen (mit n ∊ N und n ≥ 1) auf, wobei in diesem Fall üblicherweise auch der aufgeweitete Bereich eine größere Axialerstreckung besitzt. Selbstverständlich ist auch eine engere Biegung der einzelnen Dehnschleifen denkbar, so dass auch mehr Dehnschleifen auf vergleichsweise geringer axialer Bauhöhe angeordnet werden können. In an advantageous development of the solution according to the invention, the housing is widened in the region of the expansion element. By widening a stop for the expansion element can be created at the same time, whereby the installation of the same is simplified. Depending on the desired extensibility while the expanded area can be sized larger or smaller. If, for example, a greater extensibility of the expansion element is to be realized, it has, for example, 2.5, 3.5 or n + 0.5 stretch loops (with n ε N and n ≥ 1) in its meander-shaped intermediate region, wherein in this case as well the flared area has a larger axial extent. Of course, a closer bending of the individual stretch loops is conceivable, so that more stretch loops can be arranged at a comparatively low axial height.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Bauteil, insbesondere eine Düse oder ein Diffusor, vorgesehen, das in den aufgeweiteten Bereich des Gehäuses eingreift und dort über eine dritte Verbindungsstelle stoffschlüssig mit dem Außenschenkel des Dehnelements und damit indirekt mit dem Gehäuse verbunden ist. Auch in diesem Fall ist eine komplette Vorfertigung des Wärmeübertragers durch ein einfaches Einstecken des Rohrbündels in das Gehäuse und ein Einschieben des zugehörigen Dehnelements in den aufgeweiteten Bereich des Gehäuses möglich, wobei zusätzlich noch das Bauteil in den aufgeweiteten Bereich eingeschoben und die derart vorgefertigte Baugruppe anschließend stoffschlüssig miteinander verbunden wird, beispielsweise in einem Lötofen verlötet wird. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch denkbar, dass das Bauteil, insbesondere die Düse oder der Diffusor, den aufgeweiteten Bereich des Gehäuses umgreift und in diesem Fall direkt stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden, beispielsweise verlötet wird.In an advantageous development of the solution according to the invention, a component, in particular a nozzle or a diffuser, is provided, which engages in the widened region of the housing and there via a third connection point cohesively with the outer leg of the expansion element and thus indirectly connected to the housing. Also in this case, a complete prefabrication of the heat exchanger by a simple insertion of the tube bundle into the housing and insertion of the associated expansion element in the widened region of the housing is possible, in addition also pushed the component in the expanded area and then prefabricated assembly materially is joined together, for example, is soldered in a brazing furnace. Purely theoretically, of course, it is also conceivable that the component, in particular the nozzle or the diffuser, surrounds the widened region of the housing and, in this case, is directly materially connected to the housing, for example soldered.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung liegen/liegt der Innenschenkel flächig am Rohrboden und/oder der Außenschenkel flächig der Gehäuseinnenseite des Gehäuses an. Durch die flächige Anlage kann eine besonders gute Verlötung und damit eine besonders hohe Dichtwirkung erzielt werden. In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the inner leg lies flat against the tube bottom and / or the outer leg flat against the inside of the housing. Due to the flat contact a particularly good soldering and thus a particularly high sealing effect can be achieved.

Zweckmäßig sind die Dehnschleife und der Außenschenkel des Dehnelements im Einbauzustand voneinander beabstandet. Ein derartiger Abstand kann beispielsweise kleiner als 2 mm, insbesondere kleiner als 1 mm, betragen, wodurch einerseits eine sehr kompakte Bauform und andererseits die Federwirkung des Dehnelements in Radialrichtung erreicht werden können.The expansion loop and the outer limb of the expansion element are expediently spaced apart in the installed state. Such a distance may for example be less than 2 mm, in particular less than 1 mm, amount, which on the one hand a very compact design and on the other hand, the spring action of the expansion element can be achieved in the radial direction.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem erfindungsgemäßen Gedanken, ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung des Wärmeübertragers anzugeben. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst die Flachrohre jeweils mit ihren Längsenden in die zugehörigen Durchzüge eines Rohrbodens eingesteckt, beispielsweise auch in die Durchzüge beider Rohrböden. Anschließend werden die Flachrohre mit den Rohrböden in das Gehäuse eingeschoben, wobei zwischen zumindest einem der Rohrböden und dem Gehäuse das Dehnelement derart eingeschoben wird, dass sich dieses in Radialrichtung mit dem Innenschenkel gegenüber dem Rohrboden und mit dem Außenschenkel gegenüber einer Gehäuseinnenwand des Gehäuses verspannt und dadurch den zugehörigen Rohrboden fixiert. Vorzugsweise ist dabei das Dehnelement zumindest im Bereich der Kaltseite angeordnet, wobei selbstverständlich auch beide Rohrböden über derartige Dehnelemente mit dem Gehäuse gekoppelt sein können. Anschließend werden nacheinander die Flachrohre in den Durchzügen, das Dehnelement an seinem Innenschenkel über eine erste Verbindungsstelle mit dem Rohrboden und seinem Außenschenkel über eine zweite Verbindungsstelle mit der Gehäuseinnenwand des Gehäuses verlötet oder verschweißt. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass sowohl die stoffschlüssigen Verbindungsstellen an der ersten und zweiten Verbindungsstelle als auch die stoffschlüssigen Verbindungsstellen an den Durchzügen mit den Flachrohren leicht und einfach von außen zugänglich sind, wodurch eine besonders einfache Fertigung erreicht werden kann. Abschließend kann auch das Bauteil, insbesondere die Düse oder der Diffusor, in den aufgeweiteten Bereich des Gehäuses eingeschoben und dort über die dritte Verbindungsstelle mit dem Außenschenkel des Dehnelements stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verlötet oder verschweißt, werden. Der Außenschenkel des Dehnelements ist somit zwischen dem Gehäuse und dem Bauteil, insbesondere der Düse oder dem Diffusor, eingeklemmt und dort eingebunden. Selbstverständlich können sämtliche Verbindungsstellen auch gemeinsam in einem Lötofen hergestellt werden, da das erfindungsgemäße Dehnelement aufgrund seiner speziellen Ausführung eine Fixierung des Rohrbodens und damit eine Fixierung des Rohrbündels im Gehäuse ermöglicht. The present invention is further based on the idea according to the invention of specifying a particularly simple method for producing the heat exchanger. In this method, the flat tubes are first inserted with their longitudinal ends in the corresponding passages of a tube plate, for example, in the passages of both tubesheets. Subsequently, the flat tubes are inserted with the tubesheets in the housing, wherein between at least one of the tube plates and the housing, the expansion element is inserted such that this braced in the radial direction with the inner leg relative to the tube sheet and the outer leg against a housing inner wall of the housing and thereby Fixed the associated tube sheet. Preferably, the expansion element is arranged at least in the region of the cold side, wherein of course both tube sheets can be coupled via such expansion elements with the housing. Subsequently, the flat tubes in the passages, the expansion element are soldered or welded at its inner leg via a first connection point with the tube sheet and its outer leg via a second connection point with the housing inner wall of the housing successively or welded. It is particularly advantageous that both the cohesive connection points at the first and second connection point and the cohesive connection points on the passages with the flat tubes are easily and easily accessible from the outside, whereby a particularly simple production can be achieved. Finally, the component, in particular the nozzle or the diffuser, inserted into the flared portion of the housing and connected there via the third connection point with the outer limb of the expansion element cohesively, for example, soldered or welded, are. The outer leg of the expansion element is thus clamped between the housing and the component, in particular the nozzle or the diffuser, and integrated there. Of course, all joints can also be produced together in a brazing furnace, since the expansion element according to the invention allows due to its special design, a fixation of the tube sheet and thus a fixation of the tube bundle in the housing.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,Show, in each case schematically,

1 eine Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager, 1 a side view of a heat exchanger according to the invention,

2 eine Frontalansicht auf den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager bei abgenommenem Bauteil, 2 a front view of the heat exchanger according to the invention with removed component,

3 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager im Bereich eines Dehnelements, 3 a longitudinal section through the heat exchanger according to the invention in the region of an expansion element,

4 eine Detaildarstellung aus 3 im Bereich des Dehnelements, 4 a detailed view 3 in the region of the expansion element,

5 eine weitere Detaildarstellung bei einer anderen Ausführungsform des Dehnelements. 5 a further detail in another embodiment of the expansion element.

Entsprechend den 1 bis 5, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1, der beispielsweise als Abgaskühler ausgebildet sein kann, ein Gehäuse 2 sowie ein darin angeordnetes Rohrbündel 3 mit mehreren sich in Axialrichtung 4 erstreckenden Flachrohren 5 auf. Die Flachrohre 5 sind dabei längsendseitig in komplementär dazu ausgebildeten Durchzügen 6 in Rohrböden 7 gehalten, wobei gemäß den 2 bis 5 lediglich einer der beiden Rohrböden 7 dargestellt ist. Der gezeichnete Rohrboden 7 ist dabei über ein Dehnelement 8 am Gehäuse 2 angebunden. Erfindungsgemäß umgibt nun dieses Dehnelement 8 den Rohrboden 7 ringförmig, wobei gemäß der 2 eine achteckige Gestalt des Dehnelements 8 gezeichnet ist, wobei es selbstverständlich klar ist, dass dieses auch rund oder viereckig bzw. mehreckig sein kann. Das erfindungsgemäße Dehnelement 8 besitzt des Weiteren einen Innenschenkel 9 (vergleiche insbesondere die 4 und 5) einen Außenschenkel 10 und einen mäanderförmigen Zwischenbereich 11 mit zumindest eineinhalb Dehnschleifen 12. Im Einbauzustand ist dabei das Dehnelement 8 mit dem Innenschenkel 9 in Radialrichtung 13 nach innen gegen den Rohrboden 7 und mit dem Außenschenkel 10 in Radialrichtung 13 nach außen gegen eine Gehäuseinnenseite des Gehäuses 2 vorgespannt. Der Innenschenkel 9 und der Außenschenkel sind dabei auf der gleichen Seite des Zwischenbereichs 11 und insbesondere auf gleicher axialer Höhe und zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Dehnelements 8 ist dieses einerseits in der Lage, temperaturbedingte Längendehnungen des Rohrbündels 3 und damit eine Axialverschiebung des Rohrbodens 7 auszugleichen, wie dies beispielsweise gemäß den 4 und 5 mit punktierter Linie für den kalten Zustand und mit durchgezogener Linie für den Betriebszustand dargestellt ist. Darüber hinaus bewirkt das erfindungsgemäße Dehnelement 8 durch eine radial federnde Wirkung eine mechanische Vorfixierung des Rohrbodens 7 und darüber auch des Rohrbündels 3 im Gehäuse 2, wodurch die Herstellung deutlich vereinfacht werden kann. According to the 1 to 5 , Has a heat exchanger according to the invention 1 , which may be formed, for example, as an exhaust gas cooler, a housing 2 and a tube bundle disposed therein 3 with several in the axial direction 4 extending flat tubes 5 on. The flat tubes 5 are longitudinally in complementary to trained passages 6 in tube sheets 7 held according to the 2 to 5 only one of the two tubesheets 7 is shown. The drawn tubesheet 7 is over an expansion element 8th on the housing 2 tethered. According to the invention now surrounds this expansion element 8th the tubesheet 7 annular, wherein according to the 2 an octagonal shape of the expansion element 8th is drawn, of course, it is clear that this can also be round or square or polygonal. The expansion element according to the invention 8th also has an inner leg 9 (compare in particular the 4 and 5 ) an outer leg 10 and a meandering intermediate area 11 with at least one and a half stretch loops 12 , In the installed state is the expansion element 8th with the inner thigh 9 in the radial direction 13 inwards against the tubesheet 7 and with the outer thigh 10 in the radial direction 13 outwards against a housing inside the housing 2 biased. The inner thigh 9 and the outer thighs are on the same side of the intermediate area 11 and in particular arranged at the same axial height and at least substantially parallel to each other. Due to the inventive design of the expansion element 8th this is on the one hand in a position, temperature-related elongations of the tube bundle 3 and thus an axial displacement of the tube bottom 7 compensate, as for example, according to the 4 and 5 shown with dotted line for the cold state and solid line for the operating state. In addition, the expansion element according to the invention causes 8th by a radially resilient effect, a mechanical prefixing of the tube sheet 7 and also about the tube bundle 3 in the case 2 , whereby the production can be significantly simplified.

Das Dehnelement 8 ist dabei vorzugsweise als Blechdehnelement ausgebildet und kann aus mehreren, vorzugsweise auch zwei Bauteilen 22, 23, insbesondere Ringen bestehen, der per Laserschweißen oder Lötverfahren an einer vierten Verbindungsstelle 24 miteinander verbunden sind. In diesem Fall ist das Dehnelement demzufolge aus mehreren Einzelteilen zusammengefügt. The expansion element 8th is preferably designed as a sheet metal expansion element and may consist of several, preferably also two components 22 . 23 , In particular rings exist, the laser welding or soldering at a fourth connection point 24 connected to each other. In this case, the expansion element is therefore assembled from several individual parts.

Es kann selbstverständlich aber auch einstückig ausgebildet sein. Das Blechdehnelement bzw. generell das Dehnelement 8 kann auch aus einem umgeformten Blechring mit einer Wandstärke von bis zu 1,5 mm, vorzugsweise mit einer Blechstärke unter 1 mm und idealerweise sogar mit einer Blechstärke in einem Bereich zwischen 0,5 und 0,8 mm bestehen. Die zumindest eineinhalb Dehnschleifen 12 ermöglichen dabei einerseits, dass der Innenschenkel 9 am Rohrboden 7 und der Außenschenkel 10 am Gehäuse 2 anliegen und andererseits, dass eine temperaturbedingte Längenänderung über den mäanderförmigen Zwischenbereich 11 problemlos kompensierbar ist. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Dehnelement 8 auch mehr als die zumindest geforderten anderthalb Dehnschleifen 12 aufweisen, insbesondere sofern beispielsweise größere Temperaturdehnungen in Axialrichtung 4 aufgenommen werden müssen. Of course, it can also be formed in one piece. The sheet metal expansion element or generally the expansion element 8th can also consist of a formed sheet metal ring with a wall thickness of up to 1.5 mm, preferably with a plate thickness less than 1 mm and ideally even with a plate thickness in a range between 0.5 and 0.8 mm. The at least one and a half stretch loops 12 allow on the one hand, that the inner leg 9 at the tube bottom 7 and the outer thigh 10 on the housing 2 abutment and on the other hand, that a temperature-induced change in length over the meandering intermediate area 11 is easily compensated. Of course, the expansion element according to the invention 8th also more than the at least required one and a half stretch loops 12 have, in particular if, for example, greater thermal expansion in the axial direction 4 must be included.

Betrachtet man den Wärmeübertrager 1 gemäß den 1 und 3, so kann erkennen, dass das Gehäuse 2 im Bereich 14 des Dehnelements 8 aufgeweitet ist, wodurch eine problemlose Aufnahme des Dehnelements 8 gewährleistet werden kann. Looking at the heat exchanger 1 according to the 1 and 3 so it can recognize that the case 2 in the area 14 of the expansion element 8th is widened, creating a trouble-free recording of the expansion element 8th can be guaranteed.

Der Innenschenkel 9 ist dabei über eine erste Verbindungsstelle 16 stoffschlüssig mit dem Rohrboden 7, insbesondere einem aufgestellten Rand 17 desselben verbunden, während der Außenschenkel 10 über eine zweite Verbindungsstelle 18 stoffschlüssig mit einer Gehäuseinnenseite des Gehäuses 2 verbunden ist. Das Dehnelement 8 ist dabei erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass sowohl die erste als auch die zweite Verbindungsstelle 16, 18 von außen herstellbar, insbesondere von außen schweißbar sind. Dies wird insbesondere dadurch bewirkt, dass der mäanderförmige Zwischenbereich 11 stets n + 0,5 Dehnschleifen 12 (mit n ∊ N und n ≥ 1) besitzt.The inner thigh 9 is via a first connection point 16 cohesively with the tubesheet 7 , in particular a raised edge 17 the same connected during the outer thigh 10 via a second connection point 18 cohesively with a housing inner side of the housing 2 connected is. The expansion element 8th is inventively designed such that both the first and the second connection point 16 . 18 can be produced from the outside, in particular welded from the outside. This is particularly effected by the meandering intermediate region 11 always n + 0.5 stretch grinding 12 (with n ε N and n ≥ 1).

Das Bauteil 15 greift dabei gemäß den 1 sowie 3 und 4 in den aufgeweiteten Bereich 14 des Gehäuses 2 ein und ist dort über eine dritte Verbindungsstelle 19 mit dem Außenschenkel 10 des Dehnelements 8 verbunden. Der Außenschenkel 10 des Dehnelements 8 ist somit zwischen dem Bauteil 15, insbesondere der Düse oder dem Diffusor, und dem Gehäuse 2 angeordnet, insbesondere eingeklemmt. The component 15 accesses it according to the 1 such as 3 and 4 in the expanded area 14 of the housing 2 and there is a third connection point 19 with the outer thigh 10 of the expansion element 8th connected. The outer thigh 10 of the expansion element 8th is thus between the component 15 , in particular the nozzle or the diffuser, and the housing 2 arranged, in particular clamped.

Um eine möglichst gute und damit auch langfristige dichte stoffschlüssige Verbindung an der ersten, zweiten und dritten Verbindungsstelle 16, 18 und 19 herstellen zu können, liegen/liegt der Innenschenkel 9 flächig am Rohrboden 7, das heißt insbesondere an dessen aufgestelltem Rand 17, und der Außenschenkel 10 flächig am Gehäuse 2, das heißt an einer Innenwand desselben, an. To ensure the best possible and therefore long-term tight cohesive connection at the first, second and third connection point 16 . 18 and 19 to be able to produce, lie / is the inner leg 9 flat on the tube sheet 7 , that is, in particular at its edge erected 17 , and the outer thigh 10 flat on the housing 2 , that is, on an inner wall thereof.

Die Dehnschleife 12 bzw. die Dehnschleifen 12 und der Außenschenkel 10 des Dehnelements 8 sind dabei voneinander beabstandet, wobei ein solcher Abstand a beispielsweise kleiner als 2 mm, vorzugsweise sogar kleiner als 1 mm beträgt, da dann das Dehnelement 8 gegebenenfalls am Gehäuse 2 abgestützt werden kann. The stretch loop 12 or the stretch loops 12 and the outer thigh 10 of the expansion element 8th are spaced from each other, wherein such a distance a, for example, less than 2 mm, preferably even less than 1 mm, since then the expansion element 8th optionally on the housing 2 can be supported.

Sowohl die Flachrohre 5 in den Durchzügen 6 als auch die erste, zweite und dritte Verbindungsstelle 16, 18 und 19 können dabei gelötet oder geschweißt sein, wobei das erfindungsgemäße Dehnelement 8 zumindest eine Zugänglichkeit von außen zur ersten und zweiten Verbindungsstelle 16, 18 bietet.Both the flat tubes 5 in the passages 6 as well as the first, second and third connection points 16 . 18 and 19 can be soldered or welded, wherein the expansion element according to the invention 8th at least one accessibility from the outside to the first and second connection point 16 . 18 offers.

Mit dem erfindungsgemäßen Dehnelement 8 und dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 kann insbesondere das Risiko einer Leckage zwischen einem Kühlmittel 20 und Abgas 21 zuverlässig ausgeschlossen werden, wobei das Dehnelement 8 zugleich eine hohe Elastizität und Flexibilität bietet. Darüber hinaus ermöglicht das Dehnelement 8 eine hohe Vibrationsfestigkeit, da sich dieses direkt am Gehäuse 2 abstützt, zugleich aber den damit gekoppelten Rohrboden 7 und darüber das Rohrbündel 3 schwingungsdämpfend im Gehäuse 2 lagert. Das erfindungsgemäße Dehnelement 8 ist dabei für sämtliche Rohrtypen und Querschnittsformen geeignet und ermöglicht darüber hinaus ein äußerst kompaktes Design. Da sämtliche Schweiß-/Lötnähte an den zugehörigen Verbindungsstellen 16, 18, 19 und in den Durchzügen 6 von außen leicht zugänglich sind, kann darüber hinaus eine einfache Herstellbarkeit gewährleistet werden. In den Flachrohren 5 können dabei in bekannter Weise Turbulenzeinlagen angeordnet sein, ebenso wie zwischen den Flachrohren 5, wodurch in diesen Bereichen der Wärmeübertrag verbessert werden kann. Das Dehnelement 8 ermöglicht darüber hinaus eine besonders effektive Kompensation von temperaturbedingten Längendehnungen. Ein derartiges Dehnelement 8 ist üblicherweise auf einer kalten Seite des Abgaskühlers (ausgangsseitig) bzw. des Wärmeübertragers 1 angeordnet, kann jedoch selbstverständlich auch auf der heißen Seite angeordnet sein. Auf der heißen Seite strömt das Abgas 21 in den Wärmeübertrager 1 ein. With the expansion element according to the invention 8th and the heat exchanger according to the invention 1 In particular, the risk of leakage between a coolant 20 and exhaust 21 be reliably excluded, the expansion element 8th at the same time offers a high elasticity and flexibility. In addition, the expansion element allows 8th a high vibration resistance, as this directly on the housing 2 supports, but at the same time coupled to the tubesheet 7 and above that the tube bundle 3 vibration damping in the housing 2 outsourced. The expansion element according to the invention 8th It is suitable for all tube types and cross-sectional shapes and also allows an extremely compact design. Since all welding / soldering seams at the associated connection points 16 . 18 . 19 and in the passages 6 In addition, a simple Manufacturability be ensured. In the flat tubes 5 can be arranged in a known manner turbulence inserts, as well as between the flat tubes 5 , whereby the heat transfer can be improved in these areas. The expansion element 8th moreover enables a particularly effective compensation of temperature-related elongations. Such an expansion element 8th is usually on a cold side of the exhaust gas cooler (output side) or the heat exchanger 1 arranged, but can of course also be arranged on the hot side. On the hot side, the exhaust gas flows 21 in the heat exchanger 1 one.

Hergestellt wird der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1, indem zunächst die Flachrohre 5 in die zugehörigen Durchzüge 6 der Rohrboden 7 eingesteckt werden. Anschließend werden die Flachrohre 5 mit dem Rohrboden 7 und damit das gesamte Rohrbündel 3 in das Gehäuse 2 eingeschoben. Nun wird zwischen dem Rohrboden 7 und dem Gehäuse 2 das Dehnelement 8 derart eingeschoben, dass sich dieses in Radialrichtung 13 mit dem Innenschenkel 9 gegenüber dem Rohrboden 7 und mit dem Außenschenkel 10 gegen das Gehäuse 2 abstützt. Hierdurch kann eine mechanische Vorfixierung des derart vorgefertigten Wärmeübertragers 1 erreicht werden, woraufhin die einzelnen Verbindungsstellen 16 und 18 und die Flachrohre 5 in den Durchzügen 6 verlötet bzw. verschweißt werden können. Durch die mechanische Vorfixierung des Rohrbündels 3 im Gehäuse 2 kann insbesondere auf bislang in Lötöfen erforderliche Lötgestelle bzw. Halterahmen verzichtet werden, wobei sich die Herstellung ebenfalls vereinfacht und verbilligt. Anschließend wird noch das Bauteil 15 in den aufgeweiteten Bereich 14 des Gehäuses 2 eingeschoben und dort über die dritte Verbindungsstelle 19 mit dem Außenschenkel 10 und/oder dem Gehäuse 2 stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verlötet oder verschweißt, wobei bei einer Verlötung dieses auch gemeinsam mit dem Verlöten der ersten und zweiten Verbindungsstelle 16, 18 und dem Verlöten der Flachrohre 5 in den Durchzügen 6 erfolgen kann.The heat exchanger according to the invention is produced 1 by first the flat tubes 5 into the corresponding passages 6 the tubesheet 7 be plugged in. Subsequently, the flat tubes 5 with the tubesheet 7 and thus the entire tube bundle 3 in the case 2 inserted. Now it is between the tubesheet 7 and the housing 2 the expansion element 8th inserted in such a way that this in the radial direction 13 with the inner thigh 9 opposite the tubesheet 7 and with the outer thigh 10 against the case 2 supported. In this way, a mechanical prefixing of the thus prefabricated heat exchanger 1 be reached, whereupon the individual connection points 16 and 18 and the flat tubes 5 in the passages 6 can be soldered or welded. Due to the mechanical prefixing of the tube bundle 3 in the case 2 In particular, soldering frames or holding frames which have hitherto been required in soldering ovens can be dispensed with, the production also being simplified and cheaper. Subsequently, the component is still 15 in the expanded area 14 of the housing 2 inserted and there via the third connection point 19 with the outer thigh 10 and / or the housing 2 cohesively connected, for example, soldered or welded, wherein in a soldering this also together with the soldering of the first and second connection point 16 . 18 and soldering the flat tubes 5 in the passages 6 can be done.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2,468,903 A [0004]
EP 2851548 A1 [0005]
DE 10218521 A1 [0006]
DE 10157285 A1 [0006]

Claims

Heat exchanger ( 1 ) with a housing ( 2 ) and a tube bundle ( 3 ) with several axially ( 4 ) extending flat tubes ( 5 ), the longitudinal end in complementary to trained passages ( 6 ) in tube sheets ( 7 ), wherein at least one tubesheet ( 7 ) via an expansion element ( 8th ) on the housing ( 2 ), characterized in that - the expansion element ( 8th ) the tubesheet ( 7 ) surrounds annularly, - that the expansion element ( 8th ) an inner leg ( 9 ), an outer leg ( 10 ) and a meandering intermediate area ( 11 ) with at least one and a half stretch loops ( 12 ), - that the expansion element ( 8th ) in the installed state with the inner leg ( 9 ) in the radial direction ( 13 ) against the tubesheet ( 7 ) and with the outer leg ( 10 ) in the radial direction ( 13 ) against the housing ( 2 ), - that the inner leg ( 9 ) and the outer leg ( 10 ) on the same side of the intermediate area ( 11 ) are arranged.

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that - the inner leg ( 9 ) via a first connection point ( 16 ) cohesively with the tubesheet ( 7 ), while the outer leg ( 10 ) via a second connection point ( 18 ) cohesively with the housing ( 2 ), - that the expansion element ( 8th ) is formed such that both the first and the second connection point ( 16 . 18 ) can be produced from the outside.

Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the housing ( 2 ) in the area ( 14 ) of the expansion element ( 8th ) is widened.

Heat exchanger according to claim 3, characterized in that a component ( 15 ) which is placed in the widened area ( 14 ) of the housing ( 2 ) and there via a third connection point ( 19 ) with the outer leg ( 10 ) of the expansion element ( 8th ) and / or the housing ( 2 ) is integrally connected.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the inner leg ( 9 ) flat on the tubesheet ( 7 ) and / or the outer leg ( 10 ) flat on the housing ( 2 ) is present.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that at least one expansion loop ( 12 ) and the outer leg ( 10 ) of the expansion element ( 8th ) are spaced from each other.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger ( 1 ) is designed as an exhaust gas cooler.

Heat exchanger according to one of claims 4 to 7, characterized in that the first connection point ( 16 ), the second connection point ( 18 ) and / or the third connection point ( 19 ) are soldered or welded.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the flat tubes ( 5 ) in the passages ( 6 ) are soldered or welded.

Method for producing a heat exchanger ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, in which - the flat tubes ( 5 ) into the corresponding passages ( 6 ) of a tube plate ( 7 ), - the flat tubes ( 5 ) with the tubesheet ( 7 ) in the housing ( 2 ), - between the tubesheet ( 7 ) and the housing ( 2 ) the expansion element ( 8th ) is inserted such that this in the radial direction ( 13 ) with the inner leg ( 9 ) opposite the tubesheet ( 7 ) and with the outer leg ( 10 ) against the housing ( 2 ), - the flat tubes ( 5 ) in the passages ( 6 ) are soldered or welded, - the expansion element ( 8th ) on its inner leg ( 9 ) with the tubesheet ( 7 ) and on its outer leg ( 10 ) with the housing ( 2 ) is soldered or welded, - the component ( 15 ) in the widened area ( 14 ) of the housing ( 2 ) and there via the third connection point ( 19 ) with the outer leg ( 10 ) of the expansion element ( 8th ) materially connected, in particular soldered or welded, is.