Wärmeübertrager, insbesondere Abgaswärmeübertrager für Kraftfahrzeuge

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere Abgaswärmeübertrager für Kraftfahrzeuge mit einem von heißem Gas durchströmten Rohrbündel, mit Rohrböden und einem Gehäusemantel, welcher das Rohrbündel und die Rohrböden aufnimmt und von einem flüssigen Kühlmedium durchströmbar ist, wobei das Rohrbündel aus beabstandet angeordneten Rohren (3) mit Rohrenden (3a) besteht, wobei die Rohrböden Öffnungen (8) zur Aufnahme der Rohrenden (3a) aufweisen, wobei die Rohrenden (3a) mit den Rohrböden (2) und die Rohrböden mit dem Gehäusemantel verschweißt sind, und wobei die Rohrböden (2, 7) aus mehreren Lagen von übereinander geschichteten und mit einander verbunden Blechen (4; 7.1, 7.2, 7.3, 7.4) aufgebaut sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Abgaswärmeübertrager für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 - bekannt durch die DE-A 199 07 163.

[0002] Durch die DE-A 199 07 163 wurde ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Abgaswärmeübertrager für Kraftfahrzeuge bekannt, welcher bei der Abgasrückführung (AGR) als Abgaskühler verwendbar ist. Der bekannte Abgaswärmeübertrager ist eine Schweißkonstruktion aus Edelstahl und weist einen Gehäusemantel, ein Rohrbündel mit Abgasrohren sowie Rohrböden auf. Die Rohre sind mit ihren Rohrenden in ausgestanzte Öffnungen der Rohrböden eingeschweißt, und die Rohrböden sind ihrerseits mit dem Gehäusemantel verschweißt. Durch die Rohre strömt heißes Abgas, um die Rohre und innerhalb des Gehäusemantels strömt ein flüssiges Kühlmedium, d. h. ein Kühlmittel, welches den Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeuges entnommen wird. Der bekannte Abgaskühler, wird wechselnd mit heißen Abgasen beaufschlagt, je nachdem ob ein Abgasrückführventil in einer Abgasrückführleitung geöffnet oder geschlossen ist. Die Rohre nehmen die Temperatur der heißen Abgase an, während der Gehäusemantel die Kühlmitteltemperatur annimmt, welche wesentlich niedriger ist als die Abgastemperatur. Aufgrund der o. g. Schweißverbindungen zwischen Rohren, Rohrböden und Gehäusemantel sind die Rohre auf beiden Seiten fest im Gehäusemantel eingespannt, d. h. das System ist statisch unbestimmt. Durch die wechselnde Temperaturbeaufschlagurig der Abgasrohre kommt es zu unterschiedlichen Dehnungen zwischen Abgasrohren und Gehäusemantel; d. h. die Rohre dehnen sich stärker als der Gehäusemantel und verursachen somit thermische Spannungen, insbesondere im Bereich der Rohr/Rohrbodenverbindungen. Hinzu kommt, dass sich die Rohrböden aufgrund der Rohrdehnungen wölben, d. h. elastisch verformen, sodass die Rohre auf Biegung beansprucht werden. Die Rohrböden weisen fertigungsbedingt nur eine maximale Stärke in der Größenordnung von 1 bis 2 mm auf, weil das Lochstanzen zur Herstellung der Öffnungen bei dickeren Rohrböden Probleme aufwirft. Infolge der wechselnden Biegebeanspruchung der Rohre kommt es zu Ermüdungserscheinungen des Rohrmaterials im Bereich der Rohrböden und mitunter zu Rissen in den Rohren.

[0003] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Wärmeübertrager der eingangs genannten Art schädliche Beanspruchungen, insbesondere eine Biegebeanspruchung der Rohre durch geeignete konstruktive Maßnahmen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.

[0004] Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruches 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Rohrboden aus mehreren Lagen, d. h. mehreren Blechen aufgebaut ist, die fest miteinander verbunden sind, vorteilhafterweise durch Schweißung oder Lötung. Damit wird ein relativ dicker Boden, ein so genannter Laminatboden, geschaffen, der gegenüber den auftretenden Beanspruchungen biegesteif ist, d. h. sich nicht mehr unter dem Druck der Rohrdehnung wölbt. Die Rohre sind somit keiner Biegebeanspruchung mehr unterworfen, sondern nur noch einer beherrschbaren Druckbelastung. Die Beanspruchung des Wärmeübertragers ist damit erheblich reduziert und damit die Gefahr von Materialschäden. Gleichzeitig wird der Vorteil erreicht, dass der Laminatboden durch Stanzen (Lochstanzen) hergestellt werden kann, indem die Lagen einzeln gestanzt werden. Jede Lage weist somit eine maximale Blechdicke auf, die das Stanzen der Öffnungen zur Aufnahme der Rohrenden ohne weiteres zulässt. Man erhält somit einen "stanzbaren" dicken Rohrboden, mit relativ niedrigen Herstellungskosten. Beispielsweise wählt man Lagen mit einer Blechdicke von etwa 1,5 mm, bei welchen die erforderliche Rohrmatrix in einem Arbeitsgang durch Lochstanzen hergestellt werden kann. Mehrere dieser identischen Lagen, vorzugsweise zwei bis vier werden dann aufeinander geschichtet, sodass sich eine Gesamtdicke des Rohrbodens von 3 bis 6 mm ergibt. Aus fertigungstechnischen Gründen ist es unter Umständen vorteilhaft, wenn eine oder mehrere der unteren Lagen etwas größere Löcher aufweisen um ein Einführen der Rohre zu erleichtern. Dadurch, dass die Bleche untereinander verschweißt sind, erhalten sie die Biegesteifigkeit eines massiven Rohrbodens gleicher Dicke.

[0005] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1

eine Rohr/Bodenverbindung und

Fig. 2

einen erfindungsgemäßen Rohrboden, einen so genannten Laminatboden.

[0006] Fig. 1 zeigt eine einzelne Rohr/Bodenverbindung 1 zwischen einem Rohrboden 2 und einem Abgasrohr 3. Der Rohrboden 2 besteht aus zwei Lagen, einer oberen Lage 4 und einer unteren Lage 5, die auf nicht dargestellte Weise fest miteinander verbunden sind, sodass sie nicht gegeneinander verrutschen können. Das nur teilweise dargestellte Abgasrohr 3 weist ein Rohrende 3a auf, welches bündig mit der oberen Lage 4 abschließt und mittels einer Laserschweißnaht 6 rundum fest und dicht mit der oberen Lage 4 verbunden ist. Diese Rohr/Bodenverbindung 1 ist Teil eines Abgaswärmeübertragers, wie er in der eingangs genannten DE-A 199 07 163 beschrieben ist. Der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager ist insbesondere für die Abgasrückführung bei Kraftfahrzeugen einsetzbar, d. h. die Rohre 3 werden von heißen Abgasen der Brennkraftmaschine durchströmt und außen durch das Kühlmittel des Kühlkreislaufes gekühlt. Rohre und Rohrböden bestehen aus Edelstahl.

[0007] Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Rohrboden 7, d. h. einen so genannten Laminatboden, welcher aus vier Lagen bzw. Schichten 7.1, 7.2, 7.3., 7.4 aufgebaut ist. Alle vier Lagen 7.1. bis 7.4 sind identisch, d. h. sie weisen dieselbe Kontur und dasselbe Lochbild, d. h. eine Rohrmatrix 8 auf. Jede einzelne Lage hat vorzugsweise eine Blechdicke von etwa 1, 5 mm, d. h. der gesamte Rohrboden 7 weist eine Dicke von 6 mm auf. Die Rohrmatrix 8 wird für jede einzelne Lage 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 durch Lochstanzen einzeln hergestellt. Damit wird die für das Stanzen kritische Blechstärke nicht überschritten. Sämtliche Lagen bestehen aus Edelstahl, werden nach dem Stanzen aufeinander geschichtet und vorzugsweise miteinander verschweißt, z. B. durch Widerstands- oder Kaltschweißung. Damit ist ein quasi massiver Rohrboden 7 mit hoher Biegesteifigkeit geschaffen. Die in Fig. 1 beschriebenen Rohre 3 werden in die Rohrmatrix 8 des Rohrbodens 7 eingesetzt und stirnseitig verschweißt. Der Laminatboden 7 wird mit dem Rohrbündel auf nicht dargestellte Weise in einen Gehäusemantel eingesetzt und umfangseitig mit dem Gehäusemantel verschweißt. Damit ist eine feste Verbindung zwischen den Rohren 3 und dem nicht dargestellten Gehäusemantel hergestellt. Bei einer thermisch bedingten Dehnungsdifferenz zwischen Rohren und Gehäusemantel setzen die Rohre 3 ihren Schub auf den Rohrboden 2 bzw. 7 ab, der vom Gehäuse gehalten wird. Der Rohrboden 2 bzw. 7 wird sich unter dieser Belastung jedoch nicht verformen, d. h. nicht wölben, sodass die Rohre ihre gerade Ausrichtung beibehalten und nicht gebogen werden. Eine Biegebeanspruchung der Rohre tritt somit im Wesentlichen nicht auf.

[0008] Fig. 1 zeigt beispielhaft einen Rohrboden mit zwei Lagen; Fig. 2 einen Rohrboden mit vier Lagen. Selbstverständlich kann die Zahl und die Dicke der einzelnen Lagen verändert und der jeweiligen Beanspruchung angepasst werden. Dagegen wäre ein Rohrboden gemäß Fig. 2, d. h. mit einer Dicke von etwa 6 mm und der dargestellten Rohrmatrix aus einem dicken Blech nicht durch Stanzen herstellbar - man müsste dafür eine aufwendigere Fertigungsmethode wählen, z. B. Erodieren oder Fräsen.

Ansprüche

1. Wärmeübertrager, insbesondere Abgaswärmeübertrager für Kraftfahrzeuge mit einem von heißem Gas durchströmten Rohrbündel, mit Rohrböden und einem Gehäusemantel, welcher das Rohrbündel und die Rohrböden aufnimmt und von einem flüssigen Kühlmedium durchströmbar ist, wobei das Rohrbündel aus beabstandet angeordneten Rohren (3) mit Rohrenden (3a) besteht, wobei die Rohrböden Öffnungen (8) zur Aufnahme der Rohrenden (3a) aufweisen und wobei die Rohrenden (3a) mit den Rohrböden (2) und die Rohrböden mit dem Gehäusemantel verbunden, insbesondere verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrböden (2, 7) aus mehreren Lagen von übereinander geschichteten und mit einander verbunden Blechen (4, 5; 7.1, 7.2, 7:3, 7.4) aufgebaut sind.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrböden (2, 7) biegesteif ausgebildet sind.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen als identische Bleche (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) einzeln herstellbar sind.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8) zur Aufnahme der Rohrenden durch Stanzen herstellbar sind.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lage (4, 5; 7.1. bis 7.4) eine Blechdicke von d ≤ 1,5 mm aufweist.

6. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrböden (7) jeweils zwei bis vier Lagen (7.1 - 7.4) aufweisen.

7. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (7.1 - 7.4) untereinander verschweißt sind.

Zeichnung