Doppelwandiges Wärmetauscherrohr

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Abgaswärmetauscher gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, insbesondere in Kraftfahrzeugen Wärmetauscher einzusetzen, um Bauteile durch ein Medium zu kühlen und/oder einem Medium gezielt Wärme zu entziehen. Beispielsweise ist es somit möglich, das Kühlwasser einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges gezielt durch ein zweites Medium, insbesondere Luft, zu kühlen. Es ist jedoch auch möglich, Abgas eines Kraftfahrzeuges zu kühlen, um beispielsweise das gekühlte Abgas selbst wiederum dem Verbrennungsprozess zuzuführen.

Aus der DE4343405DE 434 34 05 A1A1 ist beispielsweise ein Rohrbündelwärmetauscher bekannt, bei dem an einem Ende ein Medium eingeführt wird, auf einen Rohrboden trifft und an dem Rohrboden sich sammelt und sodann durch in dem Rohrboden befindliche Wärmetauscherrohre geführt wird. Im Kreuzstromprinzip wird dann außenseitig auf einer Hülle des Wärmetauschers ein zweites Medium eingeführt, welches durch den Wärmetauscher strömt und an einer dem Eingang des zweiten Mediums gegenüberliegenden Austrittsseite den Wärmetauscher wieder verlässt.

Nachteilig hierbei ist es, dass insbesondere der Rohrboden im Falle der Verwendung eines solchen Rohrbündelwärmetauschers als Abgaswärmetauscher zumindest lokal den hohen Temperaturen des strömenden Abgases ausgesetzt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei gleichen oder verringerten äußeren Abmessungen eines Wärmetauschers, dessen Wärmetauscherleistung zu erhöhen.

Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Abgaswärmetauscher, gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Abgaswärmetauscher, wobei der Wärmetauscher eine äußere Hülle aufweist und in der äußeren Hülle Wärmetauscherrohre, insbesondere als Bündel, angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauscherrohr doppelwandig aus einem Außenrohr und einem Innenrohr ausgebildet ist, wobei ein erstes Medium in der Hülle und/oder in dem Innenrohr strömt und ein zweites Medium zwischen Außenrohr und Innenrohr strömt.

Im Rahmen der Erfindung wird der Wärmetauscher insbesondere als Abgaswärmetauscher genutzt, um Abgas einer Verbrennungskraftmaschine in dem Kraftfahrzeug zu kühlen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den Wärmetauscher beispielsweise zum Kühlen von Fluiden als Ölkühler oder aber auch als Kühlwasserkühler einzusetzen.

Der Wärmetauscher ist selbst insbesondere als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet. Dies bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass mehrere Wärmetauscherrohre zu einem Rohrbündel zusammengefasst sind und in einer äußeren Hülle angeordnet sind. Die Hülle ist auch aus dem Stand der Technik als Kassette oder Gehäuse bekannt. Mithin ist ein erster Kanal zum Durchströmen eines ersten Mediums in den Wärmetauscherrohren ausgebildet und ein zweiter Kanal zwischen der Hülle und dem Äußeren der Wärmetauscherrohre ausgebildet. Somit strömt ein erstes Medium durch die Wärmetauscherrohre und ein zweites Medium umströmt die Wärmetauscherrohre von außen, so dass ein Wärmeübergang zwischen den beiden Medien durchgeführt wird.

Der Wärmetauscher ist dabei im Rahmen der Erfindung insbesondere als Wärmetauscher ausgebildet, der dem Gleichstromprinzip oder aber dem Gegenstromprinzip folgt. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, die Wärmetauscherrohre nicht als einlagige bzw. einschalige Rohre auszubilden, sondern als doppellagige Wärmetauscherrohre. Mithin wird zunächst ein dritter Kanal bereit gestellt, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass ein erstes Medium in der Hülle strömt, mithin in dem Raum zwischen der Innenmantelfläche der Hülle und der Außenmantelfläche eines Außenrohres. Durch die doppellagig ausgebildeten Wärmetauscherrohre ist ein zweiter Kanal zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr ausgebildet, durch den erfindungsgemäß ein zweites Medium strömt. Somit erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen erstem Medium und zweitem Medium über die Außenmantelfläche des Außenrohres.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Innenrohr ein weiterer Kanal ausgebildet ist, wobei das erste Medium auch optional oder gleichzeitig durch das Innenrohr leitbar ist. Mithin erfolgt ein weiterer Wärmeübergang von erstem Medium zu zweitem Medium über die Mantelfläche des Innenrohres. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird die Wärmetauscherleistung bei im Wesentlichen gleichen äußeren Abmessungen oder aber sogar verringerten äußeren Abmessungen des gesamten Wärmetauschers gesteigert. Der durch den Wärmetauscher erzeugte Gegendruck der strömenden Medien wirkt sich dabei, wenn überhaupt, in zu vernachlässigender Weise aus.

Damit das erste Medium in das Innenrohr strömen kann, ist im Bereich des Endes des Außenrohres, insbesondere in der Außenmantelfläche des Außenrohres, eine Öffnung vorgesehen, so dass das erste Medium in das Innenrohr strömen kann, durch das Innenrohr hindurchströmen kann und aus dem Innenrohr wieder herausströmen kann. Bevorzugt ist an der Ausströmseite ebenfalls eine derartige Öffnung insbesondere in der Außenmantelfläche des Außenrohres vorgesehen.

Die Öffnung ist insbesondere als Kragen ausgebildet, wobei der Kragen in radialer Richtung des Außenrohres nach innen gerichtet ist und somit zum Innenrohr hin orientiert ist. Der Kragen ist weiterhin bevorzugt mit dem Innenrohr selbst koppelbar, so dass durch den Kragen bereits eine lagefixierte Positionierung des Innenrohrs erfolgt, gleichzeitig jedoch auch eine Überleitung des ersten Mediums geschaffen wird, wobei das erste Medium dann durch die Überleitung in das Innere des Innenrohrs überführbar ist.

Bevorzugt sind im Rahmen der Erfindung das Innenrohr und das Außenrohr getrennt voneinander hergestellte Bauteile, die durch die erfindungsgemäße Bauweise dann ineinander steckbar sind und insbesondere über die Öffnung, ganz besonders bevorzugt über die Kragen im Bereich der Öffnung, ineinander steckbar formschlüssig lagefixierbar und optional stoffschlüssig, insbesondere fluiddicht, koppelbar sind.

Eine entsprechende Öffnung mit Kragen ist dann auch am Innenrohr ausbildbar, wobei der Kragen des Innenrohrs in radialer Richtung nach außen orientiert ist. Der Kragen des Innenrohrs und der Kragen des Außenrohrs sind dann aufeinander zulaufend orientiert und bilden eine Durchleitung, um ein Medium in das Innere des Innenrohrs zu befördern oder aber aus dem Inneren des Innenrohrs herauszubefördern.

Damit der dritte Kanal innerhalb des Innenrohrs in sich geschlossen ist und nicht stirnseitig von dem zweiten Medium anströmbar ist, ist ferner vorgesehen, dass die Enden des Innenrohrs geschlossen sind. Dies kann beispielsweise durch ein Zusammendrücken der Enden erfolgen. Erfindungsgemäß ist hier jedoch vorgesehen, dass Verschlussstopfen bzw. Verschlusskappen angeordnet sind. Die Kappen sind im Rahmen der Erfindung insbesondere formschlüssig in das Innenrohr eingesteckt oder auf das Innenrohr aufgesteckt und optional stoffschlüssig, insbesondere fluiddicht, mit dem Innenrohr gekoppelt.

Weiterhin bevorzugt sind die Enden des Wärmetauscherrohres selbst derart gestaltet, dass zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr ein Spalt ausgebildet ist, wobei der Spalt insbesondere radial umlaufend gleichmäßig ausgebildet ist. Das in den Wärmetauscher eingeführte zweite Medium kann somit durch den Spalt zwischen Innenrohr und Außenrohr in den zweiten Kanal des Wärmetauscherrohrs einströmen und dort hindurchströmen. Der zweite Kanal ist mithin zwischen der Außenmantelfläche des Innenrohrs und der Innenmantelfläche des Außenrohrs ausgebildet. Bevorzugt ist der Wärmetauscher derart ausgebildet, dass das zweite Medium stirnseitig eingeführt und/oder stirnseitig aus dem Wärmetauscher ausgeführt wird. Stirnseitig bezieht sich im Rahmen der Erfindung insbesondere auf die Anordnung der Hülle des Wärmetauschers.

Damit ein strömungsoptimiertes Einströmen in die Wärmetauscherrohre stattfinden kann, ist an der Einströmseite des zweiten Mediums das Ende des Innenrohres insbesondere spitz zulaufend ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt ist das Ende derart ausgebildet, dass die Spitze einen progressiv zunehmenden spitzen Verlauf aufweist. Das Ende ist somit strömungsoptimiert, weshalb ein auftretendes zweites Medium optimal in den zweiten Kanal zwischen Innenmantelfläche des Außenrohrs und Außenmantelfläche des Innenrohrs eingeführt wird. Insbesondere der Gegendruck des Kraftfahrzeugwärmetauschers wird dadurch nicht oder in zu vernachlässigender Weise erhöht.

In weiterer vorteilhafter Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens das Außenrohr und/oder das Innenrohr einen gewellten Verlauf aufweisen, insbesondere ist die Mantelfläche des Innenrohres und/oder des Außenrohres in Längsrichtung gewellt. Dies bedeutet, dass die Wellenform jeweils auf einen infinitesimal axialen Längenabschnitt, bezogen auf die Mittellängsachse des Wärmetauscherrohres, einen radial umlaufend konstanten Radius aufweist. In Längsrichtung des jeweiligen Rohres, mithin des Außenrohres und/oder des Innenrohres, ergibt sich somit eine Wellenform auf der jeweiligen Außenmantelfläche und/oder Innenmantelfläche.

Damit nunmehr die Wärmetauscherrohre insbesondere auch kostengünstig und/oder strömungsoptimiert herstellbar sind, ist es ferner vorgesehen, dass der Innendurchmesser eines Wellentals des Außenrohres größer ist als der Außendurchmesser eines Wellenberges des Innenrohres. Hierdurch ist es möglich, die beiden Rohre, mithin das Außenrohr und/oder das Innenrohr, getrennt voneinander herzustellen und im Anschluss in Längsrichtung das Innenrohr in das Außenrohr einzuführen. Das Innenrohr kann dann wiederum lagefixiert in dem Außenrohr, insbesondere durch Koppelung über die Kragen, zentrisch angeordnet werden.

Im Rahmen der Erfindung können die Wärmetauscherrohre dabei insbesondere aus einer metallischen Legierung, besonders bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, ganz besonders bevorzugt aus einem gegenüber korrosiven Abgas resistenten Metallwerkstoff, insbesondere einem Edelstahlwerkstoff, ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Wärmetauscherrohre aus einem Leichtmetall, beispielsweise aus Aluminium, oder auch aus einem Messingwerkstoff oder ähnlichem ausgebildet sind.

Damit nunmehr im Rahmen der Erfindung der erste Kanal und der dritte Kanal miteinander in einfacher, aber auch in effizienter Art und Weise miteinander gekoppelt werden können, ist ferner vorgesehen, dass an einer Einströmseite und/oder einer Abströmseite in der Hülle des Wärmetauschers zwei zueinander beabstandete Stirnbleche angeordnet sind, wobei das Außenrohr die Stirnbleche jeweils durchgreifend, fluiddicht mit dem Stirnblech gekoppelt ist. Die Koppelung erfolgt derart, dass die Öffnungen in der Außenmantelfläche des Außenrohres zwischen den Stirnblechen, mithin in dem Abstand der Stirnbleche, liegen, wobei das zur Hülle zeigende Stirnblech zusätzliche Aussparungen zwischen den Außenrohren, mithin den Wärmetauscherrohren, aufweist. Somit kann ein erstes Medium zunächst in den beabstandeten Zwischenraum zwischen den beiden Stirnplatten geleitet werden und verteilt sich in diesem Raum außerhalb der Außenmantelfläche der Außenrohre. Über die Öffnungen gelangt das erste Medium sodann in die Innenräume der Innenrohre und über die Aussparungen in dem zur Hülle hin gerichteten Stirnblech gelangt es in den Wärmetauscherraum, mithin den Raum zwischen Hülle und Außenmantelfläche des Außenrohrs. Bevorzugt ist nur das außenliegende Stirnblech fluiddicht mit den Wärmetauscherrohren gekoppelt.

Das innere Stirnblech ist dann an den Ausnehmungen zur Durchführung der Wärmetauscherrohre an diese anliegend, aber nicht zwangsläufig fluiddicht gekoppelt.

Das zweite Medium wird dann stirnseitig, mithin an der äußeren Stirnplatte, eingeführt und strömt über den Spalt zwischen Außenrohr und Innenrohr in den zweiten Kanal, welcher zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr gebildet ist. Es erfolgt sodann ein zweiseitiger Wärmeaustausch, einmal über die Mantelfläche des Außenrohrs und einmal über die Mantelfläche des Innenrohrs zwischen den zwei Medien.

Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:

1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer Querschnittsansicht;

2 ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherrohr in einer Perspektivansicht;

3a und b ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherrohr in einer Stirnansicht und

4a und b einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einer perspektivischen Ansicht mit und ohne Hülle.

In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.

1 zeigte einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1. Der Wärmetauscher 1 weist dabei eine äußere Hülle 2 auf, wobei in der Hülle 2 ein Wärmetauscherrohr 3 angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf begrenzt, dass in der Hülle 2 nur ein Wärmetauscherrohr 3 angeordnet ist, es können auch mehrere Wärmetauscherrohre 3 in der Hülle 2 angeordnet sein. Das Wärmetauscherrohr 3 selbst ist dabei in ein Außenrohr 4 und ein Innenrohr 5 aufgeteilt, wobei das Innenrohr 5 jeweils endseitig einen Verschlussstopfen 6, 7 aufweist. Der Verschlussstopfen 7 auf einer Einströmseite 8 ist dabei spitz zulaufend ausgebildet, so dass ein einströmendes dargestelltes zweites Medium 9 auf die Spitze trifft und anschließend in ein einen zweiten Kanal 10 strömt, wobei der zweite Kanal 10 zwischen der Innenmantelfläche 11 des Außenrohres 4 und der Außenmantelfläche 12 des Innenrohres 5 ausgebildet ist.

Zwischen der Innenmantelfläche 13 der Hülle 2 und der Außenmantelfläche 14 des Außenrohres 4 ist dann ferner ein erster Kanal 15 ausgebildet und innerhalb des Innenrohres 5 ein dritter Kanal 16 ausgebildet. Der erste Kanal 15 und der dritte Kanal 16 sind strömungstechnisch über ein inneres Stirnblech 17 miteinander gekoppelt, insbesondere über Ausnehmungen 18 in dem inneren Stirnblech 17. Ein einströmendes erstes Medium 19 gelangt somit über eine Öffnung 20 von einem Einströmraum 21 zwischen dem inneren Stirnblech 17 und dem äußeren Stirnblech 22 in den dritten Kanal 16. Über die Ausnehmungen 18 in dem inneren Stirnblech 17 gelangt das erste Medium 19 dann in den ersten Kanal 15 und strömt von der Einströmseite 8 zu der Ausströmseite 23. Hier dargestellt ist der Wärmetauscher 1 im Gleichstromprinzip. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch vorstellbar, den Wärmetauscher 1 im Gegenstromprinzip auszubilden.

2 zeigt das erfindungsgemäße Wärmetauscherrohr 3 in einer perspektivischen Ansicht, wobei hier das Außenrohr 4 mit innen eingestecktem Innenrohr 5 dargestellt ist. Ein Fluid strömt über eine Öffnung 20 des Außenrohres 4 in den Innenraum des Innenrohres 5. Das Innenrohr 5 ist wiederum über die Verschlussstopfen 7 über gegenüber einem stirnseitigen Einströmen abgeschlossen. Zwischen dem Innenrohr 5 und dem Außenrohr 4 ist ein gleichmäßiger Spalt 24 einströmseitig ausgebildet, so dass ein zweites Medium 9 zwischen das Innenrohr 5 und das Außenrohr 4 einströmen kann.

3a) und b) erläutern diesen Gedanken nochmals, wobei der umlaufende, gleichmäßige Spalt 24 hier in 3b gut dargestellt ist. Damit zunächst jedoch die zwei Rohre, mithin Außenrohr 4 und Innenrohr 5, getrennt voneinander gefertigt werden können, ist der Außendurchmesser D25 eines Wellenberges 25 des Innenrohrs 5 kleiner als der Innendurchmesser D26 eines Wellentals 26 des Außenrohres 4. Nicht dargestellt ist in der Stirnansicht gemäß 3a und b die auf das Wellental 26 des Außenrohres 4 folgenden Wellenberge 25. Diese sind jedoch in 1 gezeigt. Hierdurch ist es zunächst möglich, das Innenrohr 5 getrennt von dem Außenrohr 4 herzustellen und anschließend in das Außenrohr 4 in Längsrichtung einzuschieben.

Das Innenrohr 5 weist ferner einen radial nach außen stehenden Kragen 27 auf, der formschlüssig gemäß 3b mit einem radial nach innen stehenden Kragen 28 des Außenrohres 4 gekoppelt ist. Insbesondere ist dieser auch stoffschlüssig und ganz besonders bevorzugt fluiddicht koppelbar. Die beiden Kragen 27, 28 ergeben dann die Öffnung 20 zum Einströmen des ersten Mediums 19 in den dritten Kanal 16. Zwischen einer Außenmantelfläche 12 des Innenrohres 5 und der Innenmantelfläche 11 des Außenrohres 4 ist dann der zweite Kanal 10 ausgebildet.

Damit nunmehr das erste Medium 19 sowohl in den ersten Kanal 15 als auch in den dritten Kanal 16 einströmen kann und das zweite Medium 9 in den zweiten Kanal 10 einströmen kann, sieht die vorliegende Erfindung gemäß 4a und b vor, dass in der Hülle 2 des Wärmetauschers 1 eine Einströmöffnung 29 bzw. in ungekehrter Strömungsrichtung Ausströmöffnung für das erste Medium 19 vorgesehen ist. Hierdurch gelangt das erste Medium 19 in den Einströmraum 21 zwischen dem inneren Stirnblech 17 und dem äußeren Stirnblech 22. Hier trifft es auf die Außenmantelfläche 14 des Außenrohres 4 und gelangt über Öffnungen 20 in das Innenrohr 5. Ferner sind in dem inneren Stirnblech 17 ebenfalls Ausnehmungen 18 vorgesehen, über die das in dem Einströmraum 21 befindliche erste Medium 19 dann auch in den zwischen Hülle 2 und Außenmantelfläche 14 des Außenrohres 4 befindlichen ersten Kanal 15 strömt. Das zweite Medium 9 strömt das äußere Stirnblech 22 an und über den Spalt 24 zwischen Außenrohr 4 und Innenrohr 5 in den zweiten Kanal 10 zwischen Innenrohr 5 und Außenrohr 4.

1

Wärmetauscher

2

Hülle

3

Wärmetauscherrohr

4

Außenrohr

5

Innenrohr

6

Verschlussstopfen

7

Verschlussstopfen Einströmseite

8

Einströmseite

9

zweites Medium

10

zweiter Kanal

11

Innenmantelfläche zu 4

12

Außenmantelfläche zu 5

13

Innenmantelfläche zu 2

14

Außenmantelfläche zu 4

15

erster Kanal

16

dritter Kanal

17

inneres Stirnblech

18

Ausnehmung

19

erstes Medium

20

Öffnung

21

Einströmraum

22

äußeres Stirnblech

23

Ausströmseite

24

Spalt

25

Wellenberg zu 5

26

Wellental zu 4

27

Kragen zu 5

28

Kragen zu 4

29

Einströmöffnung

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.

• DE 4343405 A1 [0003]