DE10123675A1

DE10123675A1 - Wärmeübertrager und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10123675A1
Application number: DE10123675A
Authority: DE
Inventors: Werner Helms
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: FR2825458A1; FR2825458B1; DE10123675B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, bestehend aus einem Rohrrippenblock (1, 6) und Sammelkästen, die Rohrböden (2) mit flachovalen Durchzügen (3) und einer Gummidichtung (4) aufweisen, in welchen die Rohrenden (1a) durch Aufweiten abgedichtet und gehalten sind, wobei die Rohre (1) ebenfalls einen flachovalen Querschnitt mit einer großen Achse a und einer kleinen Achse b aufweisen und durch Aufweiten mit den Rippen (6) verbunden sind. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß die große Achse a' der Rohrenden (1a) nach dem Aufweiten kleiner als die große Achse a der Rohre (1) und die kleine Achse b' der Rohrenden (1a) größer als die kleine Achse b der Rohre (1) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, bestehend aus einem Rohr rippenblock und Sammelkästen, die Rohrböden mit flachovalen Durchzügen und einer Gummdichtung aufweisen, in welchen die Rohrenden durch Auf weiten abgedichtet und gehalten sind, wobei die Rohre ebenfalls einen flachovalen Querschnitt mit einer großen Achse a und einer kleinen Achse b aufweisen und durch Aufweiten mit den Rippen verbunden sind. Ein der artiger Wärmeübertrager wurde durch die DE-A 198 36 015 der Anmelderin bekannt.

Der bekannte Wärmeübertrager ist ein mechanisch gefügtes System, d. h. die einzelnen Bauteile, wie Rohre, Rippen, Rohrboden und Gummidichtung werden nur mechanisch miteinander verbunden. So erfolgt sowohl die Ver bindung zwischen den Rohren und den Rippen als auch zwischen den Rohr enden und dem Rohrboden durch mechanisches Aufweiten der Rohre bzw. der Rohrenden. Ein solcher Aufweitvorgang ist bei ovalen Rohrquer schnitten, insbesondere bei flachovalen Querschnitten mit einem Achsen verhältnis von größer als 3 : 1 mit Problemen verbunden, weil die Aufweitung in Richtung der großen Achse, d. h. im Bereich der stärksten Krümmung der Rohrwand zu Rissen im Material führen kann. Deshalb wurde bei der DE-A 198 36 015 und auch bei der EP-B 0 772 019 auf eine zusätzliche Aufweitung in Richtung der großen Achse im Rohrbodenbereich verzichtet, so daß die große Achse der Rohrenden identisch mit der großen Achse der Rohre ist. Dieses Verfahren kann jedoch bei sehr schlanken Ovalrohr-Querschnitten bzw. bei weniger duktilen Werkstoffen auch zu Materialschädi gungen im Rohrendbereich, d. h. zu Rissen oder Ungleichmäßigkeiten der Rohrwandstärke führen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rohrbodenver bindung für einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, welches die genannten Mate rialschädigungen beseitigt oder zumindest erheblich verringert.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des Patent anspruches 1, d. h. die große Achse der Rohrenden ist nach dem Aufweiten kleiner als die große Achse der Rohre, während die kleine Achse der Rohr enden größer als die kleine Achse der Rohre ist. Das Rohrende wird also in dem abschließenden Verfahrensschritt nur in Richtung der kleinen Achse aufgeweitet, und zwar so, daß sich die große Achse der Rohrenden verkürzt, allerdings nur so weit, daß eine hinreichende Pressung der Gummidichtung zwecks Erzielung der notwendigen Abdichtung erhalten bleibt.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gem. Anspruch 2 liegt das Verhältnis der großen Achsen der Rohre einerseits und der Rohrenden andererseits zwischen 1,0 und 1,1, d. h. die Verkürzung der großen Achse der Rohrenden beträgt bis zu 10%. Durch diese Maßnahme kann eine Überdehnung und Rißbildung der Rohrenden im Bereich ihrer stärksten Krümmung vermieden werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung nach Anspruch 3 beträgt das Verhältnis der kleinen Achsen von Rohren und Rohrenden etwa 0,3 bis 0,5, d. h. die kleine Achse der Rohrenden beträgt das zwei- bis drei fache der kleinen Achse des Rohres.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 beträgt das Achsenverhältnis der Rohre 3,0 bis 6,0, d. h. es handelt sich um flachovale, sehr schlanke Rohre mit einem geringen Luftwiderstand, was für den Wärmeübertrager einen verminderten luftseitigen Druckabfall bedeutet.

Gemäß Anspruch 5 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wärme tauschers bzw. dessen Rohrbodenverbindung als vorteilhaft angegeben: Rohre und Rohrenden werden in einem ersten Verfahrensschritt gemeinsam aufgeweitet, und in einem zweiten bzw. abschließenden Verfahrensschritt werden die Rohrenden derart nur in Richtung der kurzen Achse aufgeweitet, daß sich die große Achse leicht verkürzt, dennoch aber die notwendige Pressung zwischen Rohrumfang und Gummidichtung erhalten bleibt. Dieses Verfahren vermeidet Risse in den Rohrenden, insbesondere in den Bereichen starker Krümmung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Rohrbodenverbindung für einen Wärmetauscher als Längsschnitt durch das Ovalrohr,

Fig. 2 zeigt die Rohrbodenverbindung gemäß Fig. 1 als Querschnitt durch das Ovalrohr,

Fig. 3 zeigt eine Ansicht von oben auf das aufgeweitete Rohrende Fig. 4, 5, 6 zeigen einzelne Verfahrensschritte bei der Herstellung der Rohrbodenverbindung.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Rohrbodenverbindung zwischen einem Rohr 1 und einem Rohrboden 2, welcher Teil eines nicht dargestellten Sammelkastens eines Wärmeübertragers ist. Letzterer kann vorzugsweise ein Kühlmittel-/Luftkühler zur Kühlung von Kraftfahrzeugmotoren sein. Der vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Rohrboden 2 weist sog. Durchzüge 3 auf, welche mit Kragen 4 einer Gummidichtung 5 ausge kleidet sind. Auf der Außenseite der Rohre 1 sind Rippen in Form von dünnwandigen Lamellen, ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung ange ordnet, die durch mechanisches Aufweiten in bekannter Weise mit den Rohren 1 verbunden sind, um die Wärme des in den Rohren strömenden Kühlmittels nach außen an die Umgebungsluft abzuführen.

Fig. 2 zeigt denselben Wärmeübertrager wie in Fig. 1, allerdings in einer um 90° versetzten Schnittebene. Man erkennt, daß die Rohre 1 im Bereich des Rippenpaketes 6 einen ovalen Querschnitt mit einer großen Achse a und einer kleinen bzw. kurzen Achse b aufweisen. Das Achsenverhältnis a : b beträgt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 4,7 : 1, bei einer großen Achse von a = 15,1 mm. Die Rohrenden 1a sind gegenüber den Durch zügen 3 im Rohrboden 2 und gegenüber den Kragen 4 der Gummidichtung 5 abgedichtet und kraftschlüssig gehalten. Aus Fig. 1 erkennt man, daß die große Achse a' des Rohrendes 1a kleiner ist als die große Achse a des Rohres im Bereich der Rippen 6. In Achsrichtung gibt es einen Übergangs bereich 1b, schraffiert (grau) dargestellt, zwischen den unterschiedlichen Achsen a' und a. Dagegen zeigt Fig. 2, daß die kleine Achse b' des Rohr endes 1a größer ist als die kleine Achse b des Rohres 1 im Bereich der Rippen 6. Auch hier gibt es einen Übergangsbereich 1c.

Fig. 3 zeigt in einer Ansicht von oben in Richtung der Gummiplatte 5 das aufgeweitete Rohrende 1a mit beiden Achsen a und b'. Dieses Rohrende 1a weist an seinen beiden Längsseiten jeweils einen umgebogenen Lappen 7 und 8 auf, welche als sog. Auszugssicherung dienen; diese Lappen 7 und 8 verhindern, daß die Rohre 1 in Richtung der Luftseite aus dem Boden herausgezogen werden.

In den folgenden Fig. 4, 5, und 6 sind einzelne Verfahrensschritte zur Her stellung der Rohrbodenverbindung dargestellt, und zwar jeweils als ein Quadrant (ein Viertel Ausschnitt) aus einem Querschnitt durch die Rohr bodenverbindung im Bereich der Durchzüge 3 gem. Fig. 1 und 2. In den folgenden Figuren sind gleiche Teile, wie Rohr, Dichtung und Durchzug mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet, sie sind lediglich vergrößert dar gestellt.

Fig. 4 zeigt den Ausgangszustand für die Montage der Rohrbodenverbin dung mit einem Rohr 1 ₀, d. h. im nicht aufgeweichten Zustand mit einer großen Achse a₀ und einer kleinen Achse b₀, jeweils als Außenmaß gemessen. In dieser Darstellung sind die Rohrenden bereits in die Durch züge 3 des Rohrbodens bzw. in die Kragen 4 der Gummidichtung eingeführt, wobei die Gummidichtung 3 im Bereich A, d. h. der Schmalseite des Rohres, etwas verpresst wird. Der Außendurchmesser a₀ des Rohres ist nämlich um den Betrag d größer als der Innendurchmesser g der Gummidichtung 4 in Richtung der großen Achse. Beim Einführen des Rohrendes in die Gummi dichtung wird letztere also im Bereich A bereits soweit verpresst, daß sich das Rohrende in diesem Bereich mühelos einführen läßt (dies ist durch den Stand der Technik, z. B. die o. e. EP-B 0 772 019 bekannt). In dem übrigen Bereich zwischen Gummidichtung 4 und Außenwand des Rohres 10 befindet sich ein sichelförmiger Spalt, der im Bereich der kleinen Achse sein Maxi mum erreicht, welches mit e gekennzeichnet ist. Dies war der erste Ver fahrensabschnitt, der mit I. gekennzeichnet werden soll.

Der nächste Verfahrensschritt, II., ist in Fig. 5 dargestellt. Der Zustand des nicht aufgeweiteten Rohres, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, ist in Fig. 5 gestrichelt dargestellt und mit 1₀ bezeichnet. Das nunmehr aufgeweitete Rohr ist mit durchgezogenen Linien dargestellt und mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Man erkennt, daß die gestrichelten und die ausgezogenen Linien parallel verlaufen, d. h. das Rohr ist gleichmäßig vom Querschnitt 1 ₀ auf 1 aufgeweitet worden, d. h. sowohl in Richtung der großen als auch in Richtung der kleinen Achse. Im Bereich A des Scheitelpunktes des Rohres 1 hat sich somit gegenüber Fig. 4 eine noch stärkere Pressung der Dichtung 4 ergeben, gleichzeitig ist auch der sichelförmige Spalt zwischen der Rohr außenwand und der Dichtungsinnenwand etwas kleiner geworden und mit e' bezeichnet. Die Dicke der Dichtung 4 im Bereich der kleinen Achse ist mit s bezeichnet. Das Ovalrohr 1 ist nach Durchführung des Verfahrensschrittes II auf die große Achse a und die kleine Achse b aufgeweitet, wobei diese Maße für den Rippenbereich in Fig. 1 und 2 gelten. Dieser Aufweitvorgang erfolgt in bekannter Weise dadurch, daß ein Aufweitwerkzeug in einem Arbeitsgang von einem Rohrende bis zum anderen Rohrende durchgezogen oder durchgestoßen wird.

Fig. 6 zeigt das Rohrende bzw. die Rohrbodenverbindung in ihrem fertigen Zustand, d. h. nach Durchführung eines weiteren Aufweitvorganges, des Verfahrensschrittes III. Hierbei wird das Rohrende mit Hilfe eines nicht dar gestellten Aufweitwerkzeuges nur in Richtung der kleinen Achse aufge weitet, wobei sich gleichzeitig die große Achse verkürzt. Der fertige Rohr querschnitt ist mit 1a bezeichnet und weist die große Achse a' und die kleine Achse b' auf, wobei a' kleiner als a (vgl. Fig. 5 und Fig. 1) und die kleine Achse b' größer als b ist (vgl. Fig. 5 und Fig. 2). Die Außenfläche des Rohr endes 1a liegt in Folge der Aufweitung an der Innenfläche der Dichtung 4 an, welche eine geringere Dicke s' gegenüber der ursprünglichen unver pressten Dicke s (in Fig. 5) aufweist. Da die große Achse im Verfahrens schritt III verkürzt wurde, ist die Dicke s'' des Dichtungskragens 4 in diesem Bereich etwas größer als im vorangegangen Verfahrensschritt in Fig. 5. Dennoch ist die Verpressung der Dichtung von ihrer ursprünglichen Kontur mit der strichpunktierten Linie 4' auf das Maß s'' ausreichend, um eine hin reichende Dichtheit zwischen Rohr und Boden zu gewährleisten.

Claims

1. Wärmeübertrager, bestehend aus einem Rohrrippenblock (1, 6) und Sammelkästen, die Rohrböden (2) mit flachovalen Durchzügen (3) und einer Gummidichtung (4) aufweisen, in welchen die Rohrenden (1a) durch Aufweiten abgedichtet und gehalten sind, wobei die Rohre (1) ebenfalls einen flachovalen Querschnitt mit einer großen Achse a und einer kleinen Achse b aufweisen und durch Aufweiten mit den Rippen (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die große Achse a' der Rohrenden (1a) nach dem Aufweiten kleiner als die große Achse a der Rohre (1) und die kleine Achse b' der Rohrenden (1a) größer als die kleine Achse b der Rohre (1) ist.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Verhältnis der großen Achsen der Rohre (1) und der Rohrenden (1a) im Bereich von
liegt.

3. Wärmübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verhältnis der kleinen Achsen der Rohre (1) und der Rohrenden (1a) im Bereich von
liegt.

4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Achsenverhältnis der Rohre (1)im Bereich von
liegt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, bestehend aus Rohren (1), Rippen (6), Rohrboden (2) und Gummidichtung (4, 5), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Bereitstellung eines Rohrbodens (2) mit eingelegter Gummidichtung (4, 5),
- Einstecken der Rohre (1) in Rippendurchzüge (6),
- Aufstecken des Rohrbodens (2) auf die Rohrenden (1a),
- Aufweiten der Rohre (1) gegenüber der Gummdichtung (4) im Rohr boden (2) sowie gegenüber den Rippendurchzügen (6) in einem Arbeitsgang auf die Achsen a und b und
- Aufweiten der Rohrenden (1a) in Richtung der kleinen Achse (b) auf die Achsen a' und b'
wobei a' < a
und b' < b ist.