DE102004028652A1

DE102004028652A1 - Heat exchanger in all-metal, preferably all-aluminum construction

Info

Publication number: DE102004028652A1
Application number: DE102004028652A
Authority: DE
Inventors: Franco Ghiani
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-01-12
Also published as: EP1759158A1; WO2005124258A1; US20070261836A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager in Ganzmetall-, vorzugsweise Ganzaluminium-Bauweise mit einem Netz (2) aus Rippen und Rohren (4) mit rechteckförmig aufgeweiteten Rohrenden (4a) mit Längs- und Schmalseiten sowie mit mindestens einem ein U-Profil (6) mit seitlichen Schenkeln (6a, 6b) aufweisenden Sammelkasten (3), wobei die Längsseiten (4b) miteinander und die Schmalseiten (7a, 7b) mit den Schenkeln (6a, 6b) des U-Profils (6) stoffschlüssig, vorzugsweise durch Löten, verbunden sind. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass das U-Profil (6) spannungsoptimiert ausgebildet ist.The invention relates to a heat exchanger in Ganzmetall-, preferably all-aluminum construction with a network (2) of ribs and tubes (4) with rectangular flared pipe ends (4a) with longitudinal and narrow sides and at least one U-profile (6) with The longitudinal sides (4b) with each other and the narrow sides (7a, 7b) with the legs (6a, 6b) of the U-profile (6) materially connected, preferably by soldering are. DOLLAR A It is proposed that the U-profile (6) is formed voltage-optimized.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager in Ganzmetall-, vorzugsweise Ganzaluminium-Bauweise insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The invention relates to a heat exchanger in all-metal, preferably all-aluminum construction in particular according to the preamble of claim 1.

Ganzmetallwärmeübertrager, insbesondere gelötete Aluminiumwärmeübertrager werden als Kühlmittelkühler oder Ladeluftkühler für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Der Vorteil dieser Wärmeübertrager ist, dass sie sortenrein und daher leicht recyclefähig sind. Durch die DE-A 195 43 986 der Anmelderin wurde ein gelöteter Aluminiumwärmeübertrager mit Flachrohren bekannt, deren Enden zu einem rechteckförmigen Querschnitt aufgeweitet sind. Die Rohrenden weisen Längsseiten und Schmalseiten auf, wobei die Längsseiten dicht aneinander liegen und miteinander verlötet sind, während die Schmalseiten Außenflächen bilden, die mit den Innenflächen eines Sammelkastens verbunden sind. Der Sammelkasten weist ein etwa U-förmiges Profil (U-Profil) mit seitlichen Schenkeln auf, welche die Schmalseiten der Rohrenden umfassen. Durch diese Bauweise entfällt ein konventioneller Rohrboden mit den entsprechenden Rohr/Rohrbodenverbindungen. Alternativ zu dem U-Profil ist durch diese Druckschrift auch ein zylinderförmiger Sammelbehälter bekannt, welcher parallele Kragen zur Anlage an den Schmalseiten der Rohrenden aufweist. Problematisch bei dieser Bauweise sind die Lötverbindungen, wenn der Wärmeübertrager während des Betriebes mit Innendruck beaufschlagt wird. Insbesondere im Bereich der Lötverbindungen zwischen den Schmalseiten der Rohrenden und den Schenkeln des Sammelkastens können sich Risse in der Lötnaht bilden, insbesondere wenn das Sammelkastenprofil nicht nachgiebig ausgebildet ist und sich zusätzlich Biegespannungen im Lötnahtbereich ergeben.All-metal heat exchanger, especially soldered Aluminum heat exchangers be as coolant radiator or Intercooler for motor vehicles used. The advantage of this heat exchanger is that they are sorted and therefore easily recyclable. By DE-A 195 Applicant's 43,986 became a brazed aluminum heat exchanger known with flat tubes whose ends to a rectangular cross-section are widened. The pipe ends have long sides and narrow sides on, with the long sides close to each other and are soldered together, while the narrow sides form outer surfaces, those with the inner surfaces a collecting box are connected. The collection box has an approximately U-shaped Profile (U-profile) with side legs on which the narrow sides the pipe ends include. This construction eliminates one conventional tube sheet with the corresponding tube / tube bottom connections. Alternative to the U-profile this document also discloses a cylindrical collecting container, which parallel collar to rest on the narrow sides of the pipe ends having. The problem with this design are the solder joints, if the heat exchanger while the operation is subjected to internal pressure. Especially in the Range of solder joints between the narrow sides of the pipe ends and the legs of the collecting tank can Cracks in the soldered seam form, especially if the collection box profile is not yielding is formed and in addition Bending stresses in the solder seam area result.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Wärmeübertrager der eingangs genannten Art die Haltbarkeit der Lötverbindungen, insbesondere im Bereich der Rohrenden zu verbessern.It Object of the present invention, in a heat exchanger the type mentioned the durability of the solder joints, in particular to improve in the area of the pipe ends.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das U-Profil des Sammelkastens spannungsoptimiert ausgebildet ist, wobei die erfindungsgemäße Gestaltung einen Rundbogen zwischen zwei geraden Schenkeln des U-Profiles vorsieht. Dabei gehen die Schenkel vorzugsweise mit einer stetig wachsenden Krümmung in den Rundbogen über, der einen oberen symmetrisch angeordneten Scheitelpunkt aufweist. Durch diese Gestaltung ergibt sich in den Querschnitten des Sammelkastens eine günstige Spannungsverteilung, weil das Profil des Sammelkastens aufgrund der bogenförmigen Ausbildung nachgeben kann. Damit werden auch ungünstige Biegespannungen von den Lötverbindungen ferngehalten. Insgesamt ergibt sich durch diese optimierte Profilgestaltung eine dauerhafte Lötverbindung, bei welcher eine Rissbildung durch ungünstige Beanspruchung vermieden wird.These The object is solved by the features of claim 1. According to the invention, it is provided that the U-profile of the header box formed voltage optimized is, wherein the inventive design a round arch between two straight legs of the U-profile provides. The legs preferably go with a steadily growing curvature into the arch around, having an upper symmetrically arranged vertex. This design results in the cross sections of the header box a favorable Stress distribution, because the profile of the header due to the arcuate training can yield. This also unfavorable bending stresses of the solder joints kept away. Overall results from this optimized profile design a permanent solder joint, in which cracking caused by unfavorable stress becomes.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Unstetigkeit in der Belastung, wie Kraft, im Übergang von einer Materialstärke auf eine andere Materialstärke vermindert bzw. verhindert.at an advantageous embodiment of the Invention becomes a discontinuity in the load, such as force, in the transition of a material thickness on a different material thickness reduced or prevented.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigenOne embodiment The invention is illustrated in the drawing and will be described below described in more detail. Show it

1 einen Ausschnitt eines Ganzaluminiumkühlers mit einem Sammel-Kasten und 1 a section of a whole aluminum chiller with a collection box and

2 einen Querschnitt durch den Sammelkasten. 2 a cross section through the collection box.

1 zeigt einen Ausschnitt eines Ganzaluminiumkühlmittelkühlers 1, wie er insbesondere für Kraftfahrzeuge verwendet wird. Der Kühlmittelkühler 1 kann als Fallstrom- oder Querstromkühler ausgebildet sein – das Ausführungsbeispiel zeigt einen Querstromkühler mit einem Netz 2 und einem seitlich angeordneten Sammel- oder Kühlmittelkasten 3. Das Netz 2 besteht aus waagerecht angeordneten Flachrohren 4, zwischen denen nur teilweise dargestellte Wellrippen 5 angeordnet sind. Die Rohre 4 weisen Rohrenden 4a auf, welche zu einem nicht dargestellten Rechteckquerschnitt aufgeweitet sind und mit ihren Längsseiten aneinander liegen. Diese Bauweise ist durch die eingangs erwähnte DE-A 195 43 986 bekannt, die vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen wird. Alle Teile des Kühlmittelkühlers 1, also Flachrohre 4, Wellrippen 5 und Sammelkasten 3 bestehen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen oder Metall oder Metalllegierung und sind durch Hartlöten miteinander verbunden. 1 shows a section of a all-aluminum coolant radiator 1 as used in particular for motor vehicles. The coolant cooler 1 can be designed as a downdraft or cross-flow cooler - the embodiment shows a cross-flow cooler with a network 2 and a laterally arranged collection or coolant box 3 , The network 2 consists of horizontally arranged flat tubes 4 , between which only partially represented corrugated fins 5 are arranged. The pipes 4 have pipe ends 4a on, which are widened to a rectangular cross-section, not shown, and lie with their long sides together. This design is known from the aforementioned DE-A 195 43 986, which is fully included in the disclosure of this application. All parts of the coolant cooler 1 So flat tubes 4 , Corrugated ribs 5 and collection box 3 consist of aluminum or aluminum alloys or metal or metal alloy and are connected by brazing.

2 zeigt einen Querschnitt durch den Sammelkasten 3, welcher ein U-förmiges Querschnittsprofil 6 mit zwei Schenkeln 6a, 6b und einem die beiden Schenkel 6a, 6b verbindenden Rundbogen 6c aufweist. Der offene Bereich des U-Profiles 6 umfasst ein Rohrende 4a eines Flachrohres 4. Wie erwähnt, sind die Flachrohrenden 4a zu einem Rechteckquerschnitt aufgeweitet, von welchem in 2 die Längsseite 4b sichtbar ist, d. h. in der Zeichenebene liegt. Senkrecht zu dieser Längsseite 4b erstrecken sich die Schmalseiten, welche mit der Innenseite der Schenkel 6a, 6b verlötet sind, während die Längsseiten 4b von benachbarten Rohren 4 direkt miteinander verlötet sind. Das U-Profil 6 weist eine Breite B und eine Höhe H auf, wobei H größer als B ist, vorzugsweise das 1,75-fache beträgt. Die Schenkel 6a, 6b verlaufen, beginnend von den Längsseiten 4b, zunächst parallel und nehmen danach eine konvergierende Richtung ein, die in den Rundbogen 6c übergeht. Das Profil 6 ist symmetrisch zu der Mittellinie m ausgebildet, welche den Rundbogen 6c in einem Scheitelpunkt 6d durchstößt. Insofern gehen die beiden Schenkel 6a, 6b mit zunehmender Krümmung in den Rundbogen 6c über, wobei dieser Rundbogen 6c parabel-, ellipsen- oder kreisförmig ausgebildet sein kann. Durch die zunehmende Krümmung des U-Profiles 6 in Verbindung mit der relativ großen Höhe H ergibt sich bei Innendruckbeaufschlagung, dargestellt durch Pfeile P, ein günstiger, im Wesentli chen Zugspannungsverlauf in den Querschnitten des U-Profiles 6, welches vorzugsweise aus einem Blech gebogen ist. Wie bereits erwähnt, ist das U-Profil 6 mittels seiner Schenkel 6a, 6b mit den Rohrenden 4a verlötet, und zwar über die Lötflächen 7a, 7b. Aufgrund der zuvor beschriebenen Gestaltung des U-Profiles 6 sind die Lötflächen 7a, 7b weitestgehend von Biegespannungen befreit, da sich das U-Profil 6 insbesondere in seinem oberen Bereich, d. h. im Bereich des Rundbogens 6c elastisch verformen kann. Dadurch unterliegen die Lötverbindungen 7a, 7b einer weniger kritischen Beanspruchung, wodurch auch eine Rissbildung vermieden wird. 2 shows a cross section through the collection box 3 , which is a U-shaped cross-sectional profile 6 with two thighs 6a . 6b and one the two thighs 6a . 6b connecting round arch 6c having. The open area of the U-profile 6 includes a pipe end 4a a flat tube 4 , As mentioned, the flat tube ends 4a expanded into a rectangular cross-section, of which in 2 the long side 4b is visible, ie lies in the drawing plane. Perpendicular to this long side 4b extend the narrow sides, which with the inside of the legs 6a . 6b are soldered while the long sides 4b from neighboring pipes 4 soldered directly to each other. The U-profile 6 has a width B and a height H, where H is greater than B, preferably 1.75 times. The thigh 6a . 6b run, starting from the long sides 4b , first parallel and then take a converging direction, which in the round arch 6c passes. The profile 6 is formed symmetrically to the center line m, which the round arch 6c in a vertex 6d pierces. In that respect, go the two thighs 6a . 6b with increasing curvature in the round arch 6c over, with this round arch 6c parabolic, elliptical or circular may be formed. Due to the increasing curvature of the U-profile 6 in conjunction with the relatively high height H results in internal pressure, represented by arrows P, a favorable, in Wesentli chen Zugspannungsverlauf in the cross sections of the U-profile 6 which is preferably bent from a sheet metal. As already mentioned, the U-profile 6 by means of his thighs 6a . 6b with the pipe ends 4a soldered, over the pads 7a . 7b , Due to the above-described design of the U-profile 6 are the soldering surfaces 7a . 7b largely free of bending stresses, as the U-profile 6 in particular in its upper region, ie in the region of the round arch 6c can deform elastically. As a result, the solder joints are subject 7a . 7b a less critical stress, which also prevents cracking.

Die Kästen und Seitenteile bilden einen stabilen Rahmen, so daß durch die rundbogenartige Ausgestaltung die betriebsbedingten Thermospannungen entschärft werden, indem diese in Richtung auf die Rohrenden verschoben werden.The boxes and side panels form a stable frame, so that through the round arch-like design the operational thermoelectric voltages defused be moved by moving them towards the pipe ends.

Claims

Heat exchanger in all-metal, preferably all-aluminum construction with a network ( 2 ) from ribs ( 5 ) and pipes ( 4 ) with rectangular flared pipe ends ( 4a ) with longitudinal and narrow sides as well as with at least one U-profile ( 6 ) with lateral legs ( 6a . 6b ) collecting box ( 3 ), the long sides ( 4b ) with each other and the narrow sides ( 7a . 7b ) with the thighs ( 6a . 6b ) of the U-profile are materially bonded, preferably by soldering, characterized in that the U-profile ( 6 ) is formed voltage optimized.

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the legs ( 6a . 6b ) of the U-profile ( 6 ) are formed in the region of the narrow sides straight and continuously in a round arch ( 6c ) pass over.

Heat exchanger according to claim 2, characterized in that the legs ( 6a . 6b ) with a steadily growing curvature in the round arch ( 6c ), which has its maximum curvature in a vertex ( 6d ) reached.

Heat exchanger according to claim 3, characterized in that the U-profile ( 6 ) symmetrical or asymmetrical to a center line m, which through the longitudinal side ( 4b ) of the pipe ends ( 4a ), is formed.

Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the U-profile ( 6 ) has a height H and a width B, where N> B, preferably 1.5B H 2.0B.