Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, beispielsweise einen Abgaswärmetauscher, der die Merkmale des Oberbegriffs aus den Patentansprüchen 1, 2, 3 oder 7 aufweist.
Ein Abgaswärmetauscher ist aus dem EP 1 348 924 A2 sowie aus dem EP 1 544 564 A1 bekannt. Er hat seine Aufgabe im durchgeführten Einsatzfall im Wesentlichen erfüllt. Neuerdings steigen jedoch die Abgasmassenströme, auch die Abgastemperaturen der Kraftfahrzeugmotoren und demzufolge auch die thermischen Belastungen des Abgaskühlers, was zu den bekannten, durch zu hohe Temperaturwechselbelastungen verursachten Rissen und dergleichen Beschädigungen führt, die den Ausfall des Systems zur Folge haben können.
Man hat auch bereits daran gearbeitet, Abgaswärmetauscher hinsichtlich ihrer Temperaturwechselbelastungsfähigkeit zu verbessern. Eine solche Lösung ist beispielsweise aus der WO 03/036214A1 bekannt. Dort wurden Schlitze und ein Faltenbalg im Gehäuse angeordnet, wodurch das Dehnungsverhalten der Einzelteile des Abgaswärmetauschers sicherlich zu verbessern ist. In der WO 03/064953 wurde hingegen eine Dehnungssicke im Gehäusemantel vorgesehen. In der WO 2003/091650 wurde eine Schiebesitzanordnung vorgeschlagen. Alle diese Lösungen scheinen zweckdienlich zu sein, ohne jedoch sämtliche Anforderungen erfüllen zu können.
Der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierte Wärmetauscher geht aus der DE 32 42 619A1 hervor. Die gitterartige Haltekonstruktion hat dort die Aufgabe, die Strömung im Gehäuse zu leiten bzw. zu beeinflussen. Außerdem sind elastische Elemente an der Haltekonstruktion vorgesehen, die gewisse Toleranzen im Gehäuse ausgleichen sollen und können, in welches das Rohrbündel eingeschoben wird. Sie bestehen dort deshalb aus einem geeigneten Kunststoff, der in weiten Bereichen verformbar ist und der deshalb relativ große Toleranzbereiche zulässt. Die elastischen Elemente sind an der Haltekonstruktion aus Metall befestigt. Die vibrationsdämpfenden Eigenschaften der elastischen Elemente mögen zwar vorhanden sein, sie sind jedoch nicht wirksam genug. Darüber hinaus treten insbesondere bei Wärmetauschern mit beträchtlicher Längenabmessung an anderen Stellen Vibrationen auf, die nur unzureichend mit den bekannten elastischen Elementen zu beherrschen sind.
Weiterer Stand der Technik ist in der US 3 804 161 enthalten.
Aus der DE 197 21 132 A1 ist eine Vorrichtung zur Abgaskühlung bekannt. Das Rohrbündel dieser Vorrichtung weist Tragplatten auf. Zur Abstützung des Rohrbündels im Gehäuse ist die Umfangskante der Tragplatten mit zungenartigen Teilen nach außen gebogen worden. Mit dieser Vorrichtung lässt sich das Vibrationsniveau reduzieren. Jedoch werden mit dieser Vorrichtung die Temperaturwechsel möglicherweise nicht ausreichend beherrscht.
Schließlich ist aus der DE 103 12 788 A1 ein Abgaswärmetauscher vorgeschlagen worden, der eine elastische Einrichtung aufweist, um die Temperaturwechselbelastungen in Längsrichtung aufzunehmen. Um das Schwingungsverhalten zu verbessern, wurde der Rohrkörper des Wärmetauschers zweiteilig ausgebildet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Wärmetauschers, der einen Beitrag zur Lösung der vorstehend angerissenen Probleme, insbesondere zur Senkung des Vibrationsniveaus, leisten kann.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich bei einem Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff, erfindungsgemäß durch den Einsatz der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 oder des Anspruchs 3 oder letztlich des Anspruchs 4.
Weil eine gitterartige, metallische Haltekonstruktion einstückig mit elastischen Kragarmen ausgebildet ist, die zur Innenseite des Gehäuses hinweisen, die entgegen der Einschieberichtung des Bündels in das Gehäuse verformt sind und deren Federkraft gegen das Gehäuse gerichtet ist, um das Vibrationsniveau zu reduzieren, und weil eine Längenänderungen zulassende bzw. ausgleichende Einrichtung mit elastischen Eigenschaften ausgebildet und vorgesehen ist, werden Vibrationen des Bündels im Gehäuse deutlich reduziert bzw. gedämpft. Die Längenänderungen oder Formänderungen werden durch Temperaturwechsel, die im Betrieb des Wärmetauschers auftreten, induziert. Prinzipiell wird die Eigenfrequenz des Bündels angehoben.
Die verformten elastischen Kragarme ragen - bevor das Bündel in das Gehäuse eingeschoben wird - über dessen Querschnittsfläche hinaus. Beim Einschieben werden die elastischen Kragarme entgegen ihrer Federkraft elastisch verformt, um in das Gehäuse zu passen und um dann ihre Federkraft gegen die Innenseite des Gehäuses zu entfalten.
Alternative Lösungsvorschläge sehen einzelne elastische, metallische Kragarme oder Federn vor, die an einer metallischen Haltekonstruktion oder zwischen zwei metallischen Haltekonstruktionen befestigt sind.
Die Erfinder sind im Rahmen ihrer Untersuchungen zu dem Ergebnis gekommen, dass es unzureichend ist, lediglich solche elastischen, metallischen Kragarme oder Federn oder dergleichen vorzusehen. Sie sehen deshalb zusätzlich eine Einrichtung vor, die durch Temperaturwechsel induzierte Längenänderungen des Bündels und des Gehäuses kompensiert, und sie bilden diese Einrichtung ebenfalls mit elastischen Eigenschaften aus, um die vibrationsreduzierende Eigenschaft der gesamten Vorrichtung zu befördern.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist vorgesehen, dass das Gehäuse aus Aluminium besteht und vorzugsweise als Gussteil ausgeführt ist, in das das als Edelstahl - Lötkonstruktion ausgeführte Bündel mit an den Rohrenden vorgesehenen Rohrböden und einem Diffusor einschiebbar ist.
Das Gehäuse weist einen mit dem Diffusor abgestimmten Anschlussflansch auf, wobei die die Längenänderung zulassende Einrichtung eine elastische Abdichtung zwischen dem Diffusor und dem Anschlussflansch besitzt.
Es ist vorgesehen, dass die elastische Abdichtung entweder in wenigstens einer Nut angeordnet ist oder etwa den gesamten Bereich zwischen Diffusor und Anschlussflansch ausfüllt.
Eine weitere alternative Lösung sieht vor, dass wenigstens ein durch das Bündel hindurch sich erstreckendes Spannelement zwischen zwei gitterartigen Haltekonstruktionen angeordnet ist, um Vibrationen zu dämpfen, und dass auch bei der alternativen Lösung eine Längenänderungen zulassende Einrichtung mit elastischen Eigenschaften vorgesehen ist.
Die Rohre sind bevorzugt als Flachrohre ausgebildet, die entweder aus Paaren von Platten bestehen oder aus einem Blechstreifen hergestellt und mit einer Längsnaht verschweißt sind. Es können jedoch auch runde Rohre, die, wie in der DE 32 42 619 A1, sich als Rohrbündel gerade durch den Wärmetauscher erstrecken, vorgesehen werden. Zur Verbesserungen des Wärmetausches weisen diese Rohre jedoch einen Drall auf, der die Rohrwand mit einer Wellung versieht.
- Fig. 1 - Perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Abgaswärmetauschers;
- Fig. 2 - Ausschnitt, der ein Stück des Rohrbündels mit einer Haltevorrichtung zeigt;
- Fig. 3 und 4 - Ähnlich der Fig. 2 jedoch mit modifizierten Haltevorrichtungen;
- Fig. 5 und 6 - Ausschnitt aus dem Wärmetauscher mit einer Spannvorrichtung;
- Fig. 7 - 9 - Ausschnitt aus dem Wärmetauscher, im Bereich der elastischen Einrichtung;
Die Blockpfeile in der Fig. 1 zeigen die Durchströmung des Abgaswärmetauschers an, wobei die schwarzen Blockpfeile das Abgas symbolisieren sollen und die Blockpfeile ohne Füllfarbe symbolisieren das Kühlmittel, welches eine Kühlflüssigkeit ist. Die Darstellung als doppelte Blockpfeile soll andeuten, dass die Medien entweder im Gegenstrom oder auch im Gleichstrom den Abgaswärmetauscher durchströmen können. Es sind entsprechende Einlässe / Auslässe 70, 80 vorgesehen. Die einfachen Pfeile in den Fig. 1 und 2, die in Längsrichtung des Wärmetauschers weisen, zeigen die Einschieberichtung des Rohrbündels in das Gehäuse 11 an.
Das Rohrbündel des Wärmetauschers besteht aus einer Vielzahl von Rohren 2, die im Ausführungsbeispiel als gezogene Flachrohre 2 ausgebildet sind. Jedes Flachrohr 2 enthält einen Turbulator 3. Zwischen zwei Flachrohren 2 ist jeweils ein Kühlmittelkanal 5 angeordnet, der mit Strömungsleitelementen ausgestattet sein kann. In den Abbildungen werden keine solchen Elemente gezeigt, dafür sind jedoch die Kühlmittelkanäle 5 ziemlich flach ausgebildet. In den Ausführungsbeispielen wurden zwei Reihen 2.1 und 2.2 von Flachrohren 2 vorgesehen. Wie die Fig. 4 erkennen lässt, befinden sich in jeder Reihe jeweils sechs Flachrohre 2. Das Rohrbündel in der Fig. 1 besitzt mehrere (fünf) gitterartige metallische Haltevorrichtungen 10, wobei (im Ausführungsbeispiel) lediglich eine davon einstückig mit federnden Kragarmen 12 ausgestattet wurde, die an gegenüberliegenden Seiten der Haltevorrichtung 10 bzw. des Rohrbündels angeordnet sind. Je nach Länge des Wärmetauschers und/oder nach anderen Einflussfaktoren kann eine entsprechende Anzahl von Haltevorrichtungen 10 einstückig mit federnden Kragarmen 12 ausgebildet werden. Anstelle von einstückigen Kragarmen 12 können auch Federn 12b oder dergleichen als Einzelteile vorgesehen werden, die an den Haltevorrichtungen 10 kraft - und/oder formschlüssig zu befestigen sind.
In den Fig. 3 und 4 wurden zwei Ausführungsbeispiele abgebildet, die federnde, metallische Kragarme 12 als Einzelteile zeigen, die kraft - und formschlüssig an gitterartigen, metallischen Haltevorrichtung 10 befestigt sind. Aus den Figuren, insbesondere aus Fig. 2, ist ferner ersichtlich, dass die federnden, metallischen Kragarme 12 entgegen der Einschubrichtung verformt sind, um das Einschieben zu erleichtern. In der Fig. 2 wurde die Position der Kragarme 12 vor dem Einschieben in das dort nicht gezeigte Gehäuse 11 am Beispiel eines einzigen Kragarmes 12 durch gestrichelte Linien prinzipiell angedeutet. Die Kragarme 12 sind an gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Die Kragarme 12 stehen also etwas weiter von dem gedachten Zentrum des Wärmetauschers ab, und sie werden beim Einschieben des Rohrbündels in das Gehäuse 11 gezwängt, wobei sie sich zum Zentrum hin federnd bewegen, bzw. eine im elastischen Bereich liegende Formänderung erfahren. Die dabei aufgebaute Federkraft der Kragarme 12 wirkt dann gegen die Gehäusewand und sorgt durch Zusammenwirkung mit den an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Kragarmen 12 für entsprechende Reduzierung der Vibrationen, die im Betrieb des Wärmetauschers, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, auftreten.
Unabhängig davon, ob Kragarme 12 vorgesehen werden oder nicht, können die gitterartigen Haltevorrichtungen 10 beispielsweise zweiteilig sein, wobei sie kammartig von gegenüberliegenden Seiten über die Flachrohre 2 geschoben werden oder sie sind einteilig und werden dann von einem Ende des Rohrbündels in dessen Längsrichtung bis in die vorgesehene Position geschoben. Die Gitterstäbe sollen sich jedenfalls quer durch die Kühlmittelkanäle 5 erstrecken.
An beiden Enden des Rohrbündels wird ein Rohrboden 30 und ein Sammelkasten oder ein Diffusor 31 angesetzt. Der Diffusor 31 verändert die Geometrie auf der Abgasseite von einer viereckigen Form am Rohrboden 30 in eine runde Form am Anschlussflansch 60 (siehe unten) Alle erwähnten Bestandteile werden aus Edelstahl hergestellt. Die beschriebene Konstruktion wird in einem Hartlötprozess zu einer Baueinheit verbunden. Es versteht sich allerdings, dass bei als Einzelteile vorgesehenen Federn oder dergleichen diese auch nach dem Löten an der Haltevorrichtung 10 angebracht werden können.
Die fertig gelötete Baueinheit wird dann gemäß der durch den erwähnten Pfeil angezeigten Einschubrichtung, mit dem Diffusor 31 voran, in ein Gehäuse 11 eingeschoben und fertig montiert.
Das Gehäuse 11 ist eine Gusskonstruktion aus Aluminium. Es besitzt einen Anschlussflansch 60 für das Abgas, welcher so dimensioniert ist, dass der am Rohrbündel über einen Rohrboden 30 angelötete Diffusor 31 dort hineinpasst. Ferner wurde eine Nut 61 ausgebildet, in der sich ein elastischer Dichtring oder eine andere geeignete Abdichtung 62 befindet. (Fig. 7 und 8) Die Fig. 8 zeigt dabei einen vergrößerten Ausschnitt aus der Fig. 7. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass sich durch Temperaturwechsel verursachte Längenänderungen durch Zulassen von Bewegungen in Längsrichtung des Rohrbündels bzw. des Gehäuses 11 ausgleichen können. Die beiden doppelten Blockpfeile in der Fig. 9 sollen das anzeigen. In der Fig. 9 wurde zur Ausbildung der elastischen Eigenschaften der Einrichtung 20 - anstelle der zwei O - Ringe 62 in der Nut 61 gemäß den Fig. 7 und 8 - der gesamte Ringspalt-Bereich zwischen dem Diffusor 31 und dem Anschlussflansch 60 mit einem elastischen Gummiring 62 oder dergleichen versehen. Hier können verbesserte elastische Eigenschaften erwartet werden. Der vorhandene Ringspalt sollte hier - in radialer Richtung gesehen - etwas größer sein als beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 7 und 8.
Die im Stand der Technik vorhandene Ausbildung von Schiebesitzen, bei denen gewöhnlich Metall auf Metall gleitet wird durch diesen Vorschlag vermieden, mit dem Ziel, das Vibrationsverhalten des Wärmetauschers zu verbessern. Wie die Fig. 8 weiter zeigt, verbleibt ein dort immer noch sichtbarer, aber tatsächlich geringfügiger ringförmiger Spalt zwischen dem Ende des Diffusors 31 und dem Flansch 60, um die elastischen Eigenschaften der O - Ringe 62 zur Schwingungsdämpfung zu nutzen.
Am anderen Ende des Gehäuses 11 ist ein weiterer Flansch 50 ausgebildet worden, an dem der Rohrboden 30 des Rohrbündels und ein weiterer Abgas-Sammelkasten 51 befestigt werden. Ferner sind am Gehäuse 11 Befestigungsmittel 52 ausgeformt, um den Abgaswärmetauscher an einer nicht gezeigten Anschlussstruktur befestigen zu können. Schließlich sind am Gehäuse 11 auch Anschlussstutzen 70 vorgesehen worden, um das Kühlmittel in die Kühlmittelkanäle 5 des Rohrbündels ein - bzw. ausströmen zu lassen.
In der Fig. 5 und 6 wird gezeigt, dass ähnliche Wirkungen auch durch den Einsatz eines (oder mehrerer) Spannelements(e) 40 erreicht werden können, die die federnden metallischen Kragarme 12 oder die Federn oder dergleichen vorzugsweise ersetzen, diese aber auch ergänzen könnten. Bei dem Spannelement 40 kann es sich um einen Bolzen handeln, der sich zwischen den Rohren 2 durch das Bündel erstreckt und gegenüberliegende Gehäusewände verbindet. Gummiringe 41 oder dergleichen werden eingefügt, um die Vibrationen zu dämpfen.
Die Fig. 10 zeigt gewölbte Federn 12b oder dergleichen Elemente, die zwischen zwei gitterartigen, metallischen Haltekonstruktionen 10 befestigt sind. Die Wölbung ist auch hier so ausgeführt, dass der Einschiebevorgang ausgeführt werden kann, wobei die Federn 12b elastisch nachgeben. Wie die Fig. 10 zeigt, können die an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Federn 12b auch versetzt angeordnet werden, d. h., es müssen nicht alle vier Federn in einer durch das Rohrbündel hindurchgehenden Ebene liegen.
Es hat sich erwiesen, dass durch die vorgeschlagenen Mittel die Schwingungen des Rohrbündels im Gehäuse so zu beherrschen sind, dass dadurch verursachte Brüche und/oder Geräuschentwicklungen vermieden werden.