-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher
mit einem Einsatz zur Verstärkung
der Rohr-Rohrboden-Verbindung.
Ferner betrifft die Erfindung geeignete Einsätze sowie ein Herstellungsverfahren
für solche
Wärmetauscher.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Die
Technik des Wärmeaustausches
wird seit mehreren Hundert Jahren genutzt. Eine Art von Wärmetauscher,
die im Verlauf dieses Zeitraums entstanden ist, ist eine, die so
genannte Rohr-Rohrboden-Verbindungen verwendet. Bei dieser Art von Wärmetauscher
werden in der Regel zwei Rohrböden
in beabstandeter paralleler Beziehung angeordnet. Jeder Rohrboden
ist mit mehreren Rohraufnahmeöffnungen
versehen, und die Öffnungen
in einem Rohrboden sind auf die entsprechenden Öffnungen im anderen ausgerichtet.
Rohre erstrecken sich zwischen den Rohrböden und ihre Enden werden darin aufgenommen.
Des Weiteren werden die Enden gegen die Rohrböden abgedichtet, und dann werden Behälter in
abgedichteter Beziehung an den Rohrböden angebracht, um ein Wärmeaustauschfluid
aufzunehmen und einzuschließen,
das vom Behälter
und Rohrboden an einem Ende der Anordnung durch die Rohre zum Behälter und
Rohrboden am anderen Ende der Anordnung strömt. In manchen Fällen können eine
oder mehrere Prallflächen
eingesetzt werden, um einen so genannten Mehrfachdurchzug bereitzustellen.
-
Unabhängig von
der jeweiligen Strömungsweganordnung
werden gewöhnlich
Rippen zwischen den jeweiligen Rohren angeordnet. Wenn so genannte
abgeflachte Rippen verwendet werden, ist es üblich, so genannte serpentinenförmige Rippen
zu verwenden, während
bei Einsatz von runden Rohren und in manchen Fällen selbst bei abgeflachten
Rohren auch Lamellen eingesetzt werden können.
-
Im
Gebrauch weisen viele dieser Wärmetauscher
intermittierende Arbeitszyklen auf, d.h. ein Wärmeaustauschfluid, dessen Temperatur
höher oder
niedriger ist als die Temperatur eines anderen Wärmeaustauschfluids, wird von
einem Rohrboden durch die Rohre zum anderen geführt, wie oben erwähnt.
-
Infolgedessen
treten infolge des Erwärmens oder
Abkühlens
der Rohre und des Rohrbodens und der sich ergebenden Wärmeausdehnung
oder -kontraktion Maßänderungen
bei den Rohren und Sammelkästen
auf. Wenn die Rohre mit den Sammelkästen verbunden sind, erzeugt
solch eine thermische Wechselbeanspruchung an den Verbindungen zwischen
dem Rohr und dem Rohrboden Spannungen. Diese Spannungen verursachen
wiederum letztendlich Ermüdung,
die im Allgemeinen in den Wänden des
Rohrs konzentriert ist (da Rohrwände
in der Regel dünner
sind als Sammelkästen
und Rohrbodenflansche, die die Enden der Rohre aufnehmen können), bis
ein Bruch entsteht, der eine Leckage und somit ein Versagen des
Wärmetauschers
verursacht.
-
Solch
ein Versagen ist äußerst unerwünscht. Wenn
der Wärmetauscher
repariert werden kann, muss das System, in dem er verwendet wird,
notwendigerweise für
einen ausreichenden Zeitraum abgeschaltet werden, damit die Reparatur
stattfinden kann. Wenn der Wärmetauscher
nicht repariert werden kann, liegt das gleiche Problem vor, plus
der zusätzlichen
Kosten der Bereitstellung eines ganz neuen Wärmetauschers, um den ausgefallenen
zu ersetzen. Folglich ist ein Versagen von Wärmetauschern aufgrund von thermischer
Wechselbeanspruchung äußerst unerwünscht und
sollte vermieden werden.
-
In
vielen Fällen
hat der Stand der Technik zur Reduzierung eines Versagens durch
thermische Wechselbeanspruchung einfach auf die Verwendung schwererer
Komponenten als zum Beispiel Rohre und/oder Sammelkästen mit
größerer Dicke
zurückgegriffen.
Obgleich dieser Lösungsansatz
gut funktioniert, erhöht
er die Kosten des Wärmetauschers, denn
eine größere Dicke
bedeutet auch, dass bei der Herstellung des Wärmetauschers mehr Material
eingesetzt werden muss, wodurch die Materialkosten erhöht werden.
Darüber
hinaus wird das Gewicht erhöht,
und bei verschiedenen beabsichtigten Verwendungen, wie zum Beispiel
Fahrzeuganwendungen, wird das Gewicht wünschenswerterweise eher reduziert
als erhöht,
um eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erzielen.
-
Eine
andere Lösung
wird in der am 13. November 2003 veröffentlichten PCT-Patentveröffentlichung
WO 03/093751 A2 vorgeschlagen, aus der der Oberbegriff des Anspruchs
1 abgeleitet wurde. In dieser Patentschrift wird ein Einsatz, dessen
Umfang zu dem Umfang des Inneren der Wärmetauscherrohre an ihren Enden
komplementär
ist, in die Enden der Rohre eingesetzt, so dass er an den Rohr-Rohrboden-Verbindungen vorhanden
ist und für
zusätzliche Festigkeit
zur Beständigkeit
gegen durch thermische Wechselbeanspruchung verursachte Ermüdung sorgt.
-
Obgleich über die
Wirksamkeit dieses Vorschlags wenig bekannt ist, weist er mindestens
einen klaren Nachteil auf. Und zwar muss jeder Einsatz in einem
individuellen Vorgang an einem Rohrende angefügt werden, wodurch sich die
Montagekosten erhöhen.
-
Des
Weiteren sind die jetzigen Anmelder der Auffassung, dass seine Implementierung
mehr Material verbraucht, als derzeit erforderlich ist, um das Ziel der
Verlängerung
der thermischen Wechselbeanspruchungslebensdauer eines Wärmetauschers
zu erreichen.
-
Die
vorliegende Erfindung zielt auf die Überwindung der vorstehend genannten
Schwierigkeiten.
-
DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Eine
Hauptaufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines neuen
und verbesserten Wärmetauschers
jener Art mit Rohr-Rohrboden-Verbindungen.
Insbesondere besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung
einer wesentlichen Verlängerung
der thermischen Wechselbeanspruchungslebensdauer für solch
einen Wärmetauscher, während die
Materialanforderungen der Lösung
sowie der zu ihrer Implementierung in der Wärmetauscherproduktion erforderliche
Montageaufwand auf ein Minimum reduziert werden.
-
Des
Weiteren besteht eine Hauptaufgabe der Erfindung in der Bereitstellung
eines Einsatzes zur Verstärkung
der Enden von abgeflachten Wärmetauscherrohren
in dem Bereich, in dem die Rohre metallurgisch mit einem Rohrboden
verbunden werden würden.
Eine weitere Hauptaufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens zur Verstärkung
der Rohr-Rohrboden-Verbindung in einem Wärmetauscher mit abgeflachten
Rohren.
-
Die
erfindungsgemäße Lösung ergibt
sich bezüglich
des Wärmetauschers
aus dem Anspruch 1 und bezüglich
des Einsatzes aus den Ansprüchen
15 bzw. 22 bzw. 23. Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand
des Anspruchs 24. Weiterbildende Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung werden die Aufgaben der Erfindung in
einem Wärmetauscher
mit mindestens einem Rohrboden zusammen mit den länglichen,
nebeneinander angeordneten, parallel beabstandeten Rohrschlitzen
im Rohrboden entlang seiner Länge
realisiert. Des Weiteren werden mehrere abgeflachte Rohre bereitgestellt, deren
Enden in den Rohrschlitzen aufgenommen und dort metallurgisch mit
dem Rohrboden verbunden werden. Die Erfindung sieht die Verbesserung vor,
die einen Einsatz mit mindestens zwei Vorsprüngen umfasst, wobei jeder eine
Querschnittsform, die zumindest zu einem Teil der Fläche der
Rohre an ihren Enden komplementär
ist, und eine ausreichende Länge
zur Erstreckung entlang den Rohrenden zu einer Stelle hinter den
metallurgischen Verbindungen zwischen den Rohrenden und dem Rohrboden
aufweist. Des Weiteren enthält
der Einsatz einen Rücken,
der allgemein quer zu den Vorsprüngen
verläuft und
sie so befestigt, dass sich ihre Mittellinien in beabstandeter Beziehung
befinden, wobei der Abstand dazwischen ein ganzzahliges Vielfaches
des Abstands zwischen den Mittellinien benachbarter der Rohre ist.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das ganzzahlige Vielfache eins (1).
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung sind ausreichend Vorsprünge an den Rücken vorgesehen,
so dass sie in jedem der Rohre des Wärmetauschers aufgenommen werden
können,
während bei
einer anderen Ausführungsform
möglicherweise nur
zwei Vorsprünge
am Rücken
vorgesehen sind, die zur Verstärkung
der letzten Rohre am nächsten zu
den Seiten eines Wärmetauschers
verwendet werden.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung enthält
der Rücken
eine integrale Klammer an jedem der Vorsprünge, wobei sich die Klammer
in der gleichen Richtung öffnet,
in der sich jeder Vorsprung vom Rücken erstreckt. Die Klammer
kann eine Lasche mit einem mit dem Rücken verbundenen Ende und einem
gegenüberliegenden
Ende sein, das aus einem Teil seines entsprechenden Vorsprungs an
seiner Befestigung am Rücken
herausgestanzt ist. Die Klammer kann über das Ende des Rohrs geklemmt werden,
um den Vorsprung während
der Montage festzuhalten.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind der Vorsprung, der Rücken
und die Laschen aus einem einzigen Metallband hergestellt.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei der Fläche der Rohre, an der die Vorsprünge befestigt
werden, um eine Innenfläche
der Rohre, und die Vorsprünge
erstrecken sich in die entsprechenden der Rohre.
-
Eine
Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die vom Rücken entfernten Vorsprünge mit einer
frei im Rohrende aufgenommenen Führungsausbildung
versehen sind.
-
Vorzugsweise
weisen alle mit Ausnahme der Enden der Vorsprünge eine etwas größere Breitenabmessung
auf als die Rohre und die Vorsprünge sind
durch Presspassung in den Rohrenden angebracht.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Einsatz zur Verstärkung der
Enden abgeflachter Wärmetauscherrohre
in dem Bereich, in dem die Rohre metallurgisch mit einem Rohrboden
verbunden werden würden,
bereitgestellt. Der Einsatz enthält
ein längliches
Metallband, das so ausgebildet ist, dass es mehrere beabstandete
C-förmige
Verformungen entlang seiner Länge
in Abständen
aufweist, die dem Abstand zwischen in einem Wärmetauscher anzuordnenden abgeflachten
Rohren entsprechen. Jede C-förmige
Verformung weist eine konvexe Seite auf, die so dimensioniert ist,
dass sie nominell mit einer konkaven oder konvexen Fläche an der
abgerundeten Endwand eines abgeflachten Rohrs zusammenpasst. Das
Band ist zwischen den C-förmigen Verformungen
freigespart, so dass die C-förmigen Verformungen
von einer Seite des Bands um eine vorbestimmte Strecke vorragen.
Die vorbestimmte Strecke ist gleich einer gewünschten Erstreckungslänge jeder
C-förmigen Verformung
entlang dem Ende eines abgeflachten Rohrs.
-
Bei
einer Ausführungsform
enthält
das Band weiterhin mehrere Klammern, eine an jeder C-förmigen Verformung,
um die Einsätze
an den Enden abgeflachter Rohre zu halten. Jede solche Klammer umfasst
eine Lasche mit einem freien Ende, das in einem sich von der entsprechenden
C-förmigen
Verformung weg erstreckenden Führungsabschnitt
endet, zusammen mit einem versetzten Abschnitt an der Verbindungsstelle
zwischen der Lasche und dem Band. Gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist das Ende jeder C-förmigen Verformung mit einer
Führungsausbildung
versehen, um frei in die Rohre einzutreten, und weist eine Breitenabmessung
auf, die etwas größer ist
als die innere Breitenabmessung der Rohre, damit es durch Presspassung
darin angebracht werden kann.
-
Gemäß noch einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verstärkung der Rohr-Rohrboden-Verbindung
bereitgestellt, wobei der Wärmetauscher
abgeflachte Rohre aufweist, mit den folgenden Schritten: a) Einsetzen
der Enden abgeflachter Rohre in die Rohrschlitze eines Rohrbodens
für einen
Wärmetauscher;
b) Anordnen von C-förmigen
Einsätzen,
die durch einen Rücken
an den Enden der Rohre verbunden sind, derart, dass die Einsätze zumindest
nominell mit den abgerundeten Wänden
der Rohre in Kontakt stehen und sich an der Grenzfläche der
Rohre und des Rohrbodens vorbei erstrecken, an der Rohr-Rohrboden-Verbindungen
hergestellt werden sollen; und c) metallurgisches Verbinden des
Rohrbodens, der Rohre und der Einsätze zu einer einteiligen Konstruktion.
-
Bei
einer Ausführungsform
umfasst Schritt b) das Klemmen der Einsätze an die Rohre unter Verwendung
von integral im Rücken
ausgebildeten Laschen an der Position jedes Einsatzes, während gemäß einer
anderen Ausführungsform
Schritt b) das Anbringen der Einsätze in den Rohrenden durch Presspassung
umfasst. Vorzugsweise wird Schritt b) durch derartiges Einsetzen
der Einsätze
in die Enden der Rohre durchgeführt,
dass sie sich in nominellem Kontakt mit den inneren abgerundeten
Wänden
der Rohre befinden.
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Einsatz zur Verstärkung eines Endes eines abgeflachten
Wärmetauscherrohrs
in dem Bereich, in dem das Rohr metallurgisch mit einem Rohrboden
verbunden werden würde,
bereitgestellt. Der Einsatz enthält
einen C-förmigen Vorsprung
mit einer konkav-konvexen Form, die so dimensioniert ist, dass sie nominell
mit einer konkaven oder konvexen Fläche an der abgerundeten Endwand
eines abgeflachten Rohrs zusammenpasst. Der Einsatz weist eine Länge mit
der konkav-konvexen Form auf, die sich von einem offenen Ende des
Rohrs an einer Stelle vorbei erstreckt, an der das Rohr metallurgisch
mit einem Rohrboden verbunden werden würde.
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Einsatz zur Verstärkung des Endes eines abgeflachten
Wärmetauscherrohrs
in dem Bereich, in dem das Rohr metallurgisch mit einem Rohrboden
verbunden wird, bereitgestellt, wobei das Rohr einen rechteckigen
Querschnitt aufweist, der durch zwei durch zwei beabstandete Schmalseiten
verbundene Breitseiten definiert wird. Der Einsatz enthält einen
Vorsprung mit einer ausreichenden Länge zur Erstreckung von einem
Ende des Rohrs an einer Stelle vorbei, an der das Rohr metallurgisch
mit einem Rohrboden verbunden werden würde, wobei die Länge eine
Querschnittsform aufweist, die so ausgeführt ist, dass sie an eine der Schmalseiten
des Rohrs angepasst ist, damit der Vorsprung mit einer der Schmalseiten
verbunden werden kann. Die Querschnittsform des Vorsprungs erstreckt
sich über
weniger als die Hälfte
der Schmalseiten neben der einen der Schmalseiten.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verstärkung einer
Rohr-Rohrboden-Verbindung
in einem Wärmetauscher
mit einem abgeflachten Rohr bereitgestellt. Das Verfahren umfasst
die folgenden Schritte:
- a) Einsetzen des Endes
eines abgeflachten Rohrs in einen Rohrschlitz eines Rohrbodens für einen Wärmetauscher;
- b) Anordnen eines C-förmigen
Vorsprungs am Ende des Rohrs, derart, dass der Vorsprung zumindest
nominell mit einer abgerundeten Wand des Rohrs in Kontakt steht
und sich an einer Grenzfläche
des Rohrs und des Rohrbodens vorbei erstreckt, an der die Rohr-Rohrboden-Verbindung
hergestellt werden soll; und
- c) metallurgisches Verbinden des Rohrbodens, des Rohrs und des
Einsatzes zu einer einteiligen Konstruktion.
-
Weitere
Aufgaben und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen hervor.
-
BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein Aufriss eines die Erfindung darstellenden Wärmetauschers;
-
2 ist
eine perspektivische Teilansicht einer Ecke des Wärmetauschers,
wobei der Behälter entfernt
ist;
-
3 ist
eine als Querschnitt ausgeführte Teilansicht
entlang ungefähr
der Linie 3-3 in 2;
-
4 ist
eine perspektivische Ansicht einer bei der Durchführung der
Erfindung eingesetzten Einsatzkonstruktion; und
-
5 ist
eine Draufsicht der Einsatzkonstruktion.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Es
werden hier beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung im Zusammenhang mit Wärmetauschern allgemein beschrieben,
und es ist keine Einschränkung
auf eine bestimmte Verwendung der Wärmetauscher beabsichtigt, außer sofern
in den angehängten
Ansprüchen
ausdrücklich
angeführt.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung mit ihrer größten Wirksamkeit
in Wärmetauschern verwendet
werden kann, die abgeflachte Rohre mit relativ großer Schmalabmessung,
wie zum Beispiel Ladeluftkühler,
einsetzen. Die Erfindung kann jedoch auch zweckmäßig in Wärmetauschern eingesetzt werden,
die für
andere Verwendungen bestimmt sind und Rohre mit relativ geringer
Schmalabmessung aufweisen, wie zum Beispiel Fahrzeugkühler. Die
Erfindung kann mit abgeflachten Rohren der so genannten gefertigten
oder der extrudierten Art eingesetzt werden. Gefertigte Rohre sind
in der Regel aus ziemlich dünnen,
auf sich selbst gebildeten Metallbändern mit einer Schweißnaht hergestellt,
und der größte Nutzen
der Erfindung wird erreicht, wenn sie zusammen mit gefertigten Rohren
verwendet wird. Es ist jedoch keine Einschränkung auf gefertigte Rohre
beabsichtigt, außer
sofern dies in den angehängten
Ansprüchen
ausdrücklich
angeführt
wird.
-
Gewöhnlich werden
Wärmetauscherkomponenten,
außer
dem Behälter,
aus Aluminium hergestellt und zum Beispiel durch Hartlöten metallurgisch verbunden.
Es können jedoch
auch andere Materialien wie zum Beispiel Kupfer oder Messing oder
sogar Stahl unter Verwendung von metallurgischem Verbinden durch
Hartlöten,
Schweißen
oder Weichlöten
eingesetzt werden. Kurz gesagt, die Erfindung findet in einem beliebigen
unter den verschiedensten Wärmetauschern,
die abgeflachte Rohre verwenden und Rohr-Rohrboden-Verbindungen
aufweisen, die thermischer Ermüdung
ausgesetzt sind, vorteilhaft Verwendung.
-
Unter
Anbetracht des Vorhergehenden soll auf 1 verwiesen
werden, in der ein gemäß der Erfindung
hergestellter Wärmetauscher,
insbesondere ein Ladeluftkühler,
dargestellt wird. Dieser enthält zwei
parallele Sammelkästen 12, 14.
Eine Seite jedes Rohrbodens 12, 14 ist mit einem
Behälter 16, 18 mit
einer Einlass- und einer Auslassöffnung 20 versehen.
Der Behälter 16 und 18 kann
nach Wunsch aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden und ist
um seinen Umfang herum gegen den Rohrboden abgedichtet.
-
Wie
in den 2 und 3 zu sehen, enthält jeder
der Sammelkästen 12, 14 entlang
seiner Länge
mehrere längliche
Rohrschlitze 22, die nebeneinander beabstandet sind und
sich allgemein quer zur Länge
des Rohrbodens 12, 14 erstrecken. Die Rohrschlitze 22 nehmen
die Enden 24 abgeflachter Rohre 26 auf, die sich,
wie in 1 zu sehen, zwischen den Sammelkästen 12, 14 erstrecken,
um zwischen den durch jeden Rohrboden 12, 14 und
seinem zugehörigen
Behälter 16, 18 definierten
Volumen eine Strömungsverbindung
herzustellen.
-
Gewöhnlich umfassen
Rippen die Rohre 26, und in der Regel wird es sich bei
den Rippen um serpentinenförmige
Rippen 28 handeln, wie in den 1 und 3 dargestellt.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass, falls gewünscht, auch
die Lamellen verwendet werden können.
-
Die
Rippen sind praktisch entlang der ganzen Länge der Rohre 26 bis
ein paar Millimeter vor den jeweiligen Sammelkästen 12, 14 angeordnet.
Da die Rippen 28 in der Regel in einem Luftstrom angeordnet
sind, wobei Luft als eines der Wärmeaustauschfluide
dient, kann eine Leitung, an der die Rippen neben den Sammelkästen 12, 14 enden,
als die Umgebungsluftrippenleitung bezeichnet werden; in den Zeichnungen
weist sie die Bezugszahl 30 auf. Die Bedeutung der Umgebungsluftrippenleitung
wird im Folgenden ersichtlich.
-
Erneut
auf die 2 und 3 Bezug
nehmend, ist jeder der Rohrschlitze 22 von einem Flansch
oder Bund 31 umgeben, der sich um die Gesamtheit jedes
Rohrschlitzes 22 erstreckt, wie im linken Teil von 2 zu
sehen. Mit genau diesen Flanschen 31 sind die Rohrenden 24 metallurgisch
verbunden, und an dieser Stelle sind vorwiegend durch thermische
Wechselbeanspruchung erzeugte Spannungen zu finden. Es versteht
sich, dass sich die Flansche 31 bei den dargestellten Ausführungsformen
zwar nach innen zur Innenseite der Sammelkästen 12, 14 erstrecken,
es jedoch bei einigen Anwendungen auch wünschenswert sein kann, dass
sich die Flansche 31 nach außen zur Außenseite der Sammelkästen 12, 14 erstrecken
oder dass an den Sammelkästen 12, 14 keine
Flansche vorgesehen sind, sondern nur Öffnungen, die so dimensioniert sind,
dass sie eine geeignete Bondverbindungsstelle mit den Rohren 26 bilden.
-
Die 4 und 5 zeigen
einen gemäß der Erfindung
hergestellten Einsatz, der jedes der Rohre 26 an seinen
Enden 24, das heißt
in dem Bereich, in dem die metallurgische Verbindung mit den Flanschen 31 vorliegt,
lokal verstärken
soll. Der Einsatz eignet sich besonders zur Verwendung mit gefertigten
Rohren, denn gefertigte Rohre können,
wie wohlbekannt, mit einer geringeren Wanddicke hergestellt werden
als extrudierte Rohre und zu geringeren Kosten. Somit ist durch
die Verwendung von gefertigten Rohren eine Kostenersparnis aufgrund
der Verwendung von weniger Material bei der Fertigung der Rohre 26 realisierbar.
Jedoch kann die geringere Wanddicke dazu führen, dass die gefertigten
Rohre an den Rohr-Rohrboden-Verbindungen
zwischen den Rohrenden 24 und den Flanschen 31 leichter versagen,
und zwar insbesondere an den Nasen der Rohre 26, das heißt an den
abgerundeten Rohrenden, die die flachen Seiten der abgeflachten
Rohre verbinden.
-
Auf 4 Bezug
nehmend, wird eine Art von Verstärkungseinsatz 38 dargestellt.
Hierbei handelt es sich um eine einteilige Konstruktion, das heißt, sie ist
aus einer einzigen dünnen
Blechtafel hergestellt, deren Dicke nach Wunsch gemäß der bestimmten Verwendung
ausgewählt
wird. Durch Walz- oder Stanzvorgänge
je nach Wunsch wird die Tafel so ausgebildet, dass sie mehrere C-förmige Verformungen 40 aufweist,
die entlang der Länge
der Tafel ausgebildet und durch Freisparungen oder ausgeschnittene Abschnitte 42 voneinander
getrennt sind. Der Abstand der C-förmigen Verformungen, die hier
auch als Vorsprünge
oder Einsätze
bezeichnet werden, liegt auf den gleichen Mittelpunkten wie die
Rohrschlitze 22 in den Sammelkästen 12, 14.
Die Ausschnitte 42 sind so ausgebildet, dass sie einen
Rücken 44 an
einem Ende der Konstruktion aufweisen, der die C-förmigen Verformungen 40 zu
der einteiligen Konstruktion verbindet, wie oben erwähnt.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sollen die Vorsprünge 40 in
das Innere der Rohre 26 an ihren Enden 24 eintreten,
wie in 2 dargestellt, bis der Rücken 44 gegen genau
diese Enden 24 der Rohre 26 stößt. Die Vorsprünge sind
konkav-konvex mit einer konvexen Fläche 46 und einer gegenüberliegenden
konkaven Fläche 48.
Wo die Verstärkungskonstruktion
in die Rohrenden 24 eingesetzt werden soll, ist die konvexe
Fläche 46 so
ausgebildet, dass sie zur Nase des Rohrs 26, in dem sie
aufgenommen wird, komplementär
ist, das heißt,
wenn sie in jedem Rohr 26 angeordnet ist, steht sie mit
ihr in nominellem Kontakt. Unter „nominellem" Kontakt ist zu verstehen,
dass jeglicher Raum zwischen den C-förmigen Verformungen 40 und
den Rohrinnenwänden
so klein ist, dass er durch Verbindungsmaterial, wie zum Beispiel
Hartlot oder Weichlot, gefüllt
wird, so dass die C-förmigen
Verformungen 40 über
ihre Flächen 46 metallurgisch
mit der gegenüberliegenden
Innenfläche
der Nase der Rohre 26 verbunden sind.
-
Um
die Verstärkungskonstruktion 38 ordnungsgemäß zu positionieren,
sieht eine Ausführungsform
der Erfindung die Verwendung von Federklammern, die allgemein mit 50 bezeichnet
werden, an jeder der C-förmigen
Verformungen 40 vor. Die Federklammern 50 sind
so aus dem Metallband hergestellt, aus dem die Verstärkungskonstruktion 38 besteht,
dass sie Laschen 52 mit freien Enden 54 und gegenüberliegenden
befestigten Enden 56 bereitstellen, wobei diese Letzteren
sich ungefähr
auf Höhe des
Rückens 42 befinden.
Die freien Enden 54 sind so angeordnet, dass sie sich um
eine Strecke von den befestigten Enden 56 erstrecken, die
ungefähr gleich
der Länge
der Rohrenden 24 ist, die sich über das obere Ende der Flansche 31 erstreckt,
wie in den 2 und 3 zu sehen.
-
In
der Nähe
der befestigten Enden 56 enthalten die Laschen 52 einen
Absatz 60, der in der Regel ungefähr gleich der Wanddicke der
Rohre 26 sein wird. Die freien Enden 54 enden
in einer nach außen gerichteten
Führungsausbildung 58,
damit die Verstärkungskonstruktion 38 schnell
in ihre Position an den Rohrenden 24 geführt werden
kann.
-
Gewöhnlich ist
die Konstruktion derart, dass der Raum zwischen den Flächen 46, 48 einer
beliebigen C-förmigen
Verformung 40 nur etwas kleiner ist als die Wanddicke der
Rohre 26, so dass die inhärente Elastizität der Laschen 50 die
Rohrenden 24 reibschlüssig
ergreift und die Flächen 46 in
nominellem Kontakt mit den Innenwänden der Rohre 26 an
ihren Nasen hält.
-
Um
das anfängliche
Einsetzen der C-förmigen
Verformungen 40 in die Rohrenden 24 zu erleichtern,
sind die von dem Rücken 44 entfernten
Enden der Verformung 40 wie bei 64 gezeigt abgerundet, um
eine weitere Führungsfunktion
während
des Anfangsteils eines Einsetzvorgangs bereitzustellen.
-
In
vielen Fällen
können
die Federklammern 50 weggelassen werden, indem die C-förmigen Verformungen 40 an
allen außer
ihren abgerundeten Enden 64 mit einer Breitenabmessung
versehen werden, die etwas größer ist
als die innere Breitenabmessung der Rohrenden 24. Unter
Bezugnahme auf 5 wird die Breitenabmessung
der C-förmigen Verformungen 40 als
Dd gezeigt. Wenn die C-förmigen Verformungen 40 in
die Rohrenden 24 eingesetzt werden, werden sie anfänglich aufgrund
der abgerundeten Enden 64 an den C-förmigen Verformungen frei in
die Rohrenden eintreten und danach durch Presspassung in den Rohrenden 24 angebracht
werden und darin reibschlüssig
mit nominellem Kontakt, wie oben erwähnt, zwischen den Flächen 46 und
den Innenflächen
der Rohre 26 an ihren Enden 24 gehalten werden.
-
Die
Verstärkungskonstruktion 38 kann
aus dem gleichen Aluminium oder der gleichen Aluminiumlegierung
wie die Rohre 26 hergestellt werden, wenn die Rohre 26 aus
Aluminium bestehen. Als Alternative dazu kann sie auch aus Stahl
oder aluminisiertem Stahl oder anderen Verstärkungsmaterialien hergestellt
sein, solange das Material durch Hartlöten, Schweißen oder Weichlöten mit
dem Material, aus dem die Rohre 26 hergestellt sind, verbunden werden
kann.
-
Es
ist von den Erfindern festgestellt worden, dass die Mehrzahl von
Rohr-Rohrboden-Verbindungsversagen auf thermische Wechselbeanspruchung
an den Nasen der Rohre 26 zurückzuführen ist. Die soeben beschriebene
Verstärkungskonstruktion 38 sorgt
für eine
ausreichende Verstärkung
der relativ dünnen
Wände der
Rohre 26 an dieser Stelle durch Vergrößern ihrer Dicke um einen Betrag,
der gleich der Dicke des Bands ist, aus dem die Verstärkungskonstruktion 38 hergestellt
ist, plus dem Zusatz durch Hartlot oder Weichlot. Folglich kommt
es zu einer hervorragenden Verbesserung der thermischen Wechselbeanspruchungslebensdauer
ohne die Verwendung von größeren Materialmengen
bei der Herstellung der Verstärkungskonstruktion 38.
Zum Beispiel ist das durch das Vorsehen der Freisparung 42 entfernte
Material beachtlich, und natürlich
sind auch die durch Bereitstellung einer Verstärkung nur an den Nasen, anstatt
um den gesamten Umfang der Enden 24 der Rohre 26 herum
realisierten Materialeinsparungen ebenfalls beachtlich. Die Verwendung
des Rückens 44 erfordert
zwar die Verwendung von Material, das bei anderen Vorschlägen nicht
erforderlich ist, jedoch werden die Kosten für solch zusätzliches Material aufgrund
der relativen Schmalheit des Rückens 44 dadurch
mehr als ausgeglichen, dass die Verstärkungskonstruktion für mehrere
Rohre in einem Arbeitsgang eingesetzt werden kann, anstatt einzeln
für jedes
Rohr, das verstärkt
werden muss.
-
Des
Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die Erfinder festgestellt
haben, dass ein Versagen aufgrund von thermischer Wechselbeanspruchung am
stärksten
dazu neigt, in den letzten Rohr-Rohrboden-Verbindungen entlang der
Länge eines
Rohrbodens 12, 14 aufzutreten. Somit kann in vielen
Fällen die
Verstärkungskonstruktion 38 möglicherweise
nur zwei der C-förmigen
Verformungen 40 aufweisen und nur in den beiden Rohren 26 an
jedem Ende eines Rohrbodens 12, 14 angeordnet
werden, wodurch es zu einer zusätzlichen
Materialeinsparung kommt.
-
Obgleich
die bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung vorsieht, dass die C-förmigen
Verformungen 40 in die Enden 24 der Rohre 26 eingesetzt werden,
kommt in einigen Fällen
auch in Betracht, dass sie an der Außenseite der Rohrenden 24 angebracht
werden. In solch einem Fall verläuft
die Erstreckungsrichtung der Laschen 52, falls sie verwendet werden,
zur konkaven Fläche 48 jeder
Verformung, anstatt von ihrer konvexen Fläche 46 aus. Wenn bei dem
Befestigungsverfahren eine Presspassung bei außen angebrachten Verstärkungskonstruktionen eingesetzt
wird, dann wird die Breitenabmessung jeder Verformung 40 auf
der konkaven Seite 48 etwas kleiner ausgeführt als
die äußere Breitenabmessung der
Nasen der Rohre 26 an den Enden 24. Wenn die Verstärkungskonstruktion
auf der Außenseite
der Rohrenden 24 angebracht wird, ist es auch erforderlich,
die Nasen der Rohre an den Enden 24 so auszubilden, dass
die konvexen Flächen 46 der
Verformungen 40 ausreichend fließend in die flache Seite der
Rohrenden 24 übergehen,
damit die Rohrenden 24 mit der auf der Außenseite
angeordneten Verstärkungskonstruktion 38 in
Position leicht metallurgisch mit den Flanschen 31 der
Sammelkästen 12, 14 verbunden
und dagegen abgedichtet werden können.
-
Obgleich
bevorzugt wird, dass der Einsatz mehrere Verformungen 40 aufweist,
kann es bei manchen Anwendungen von Vorteil sein, wenn der Einsatz
auf eine einzige der Verformungen 40 zur Verwendung mit
einem einzigen Rohr beschränkt
ist. Es sei darauf hingewiesen, dass bei solch einer Konstruktion
alle der zuvor beschriebenen Merkmale in den Einsatz und die Verformung 40 integriert
werden könnten.
-
In
allen Fällen
sollte die Länge
der C-förmigen
Verformungen 40 so sein, dass sie sich ca. 4 – 5 mm an
der Stelle vorbei erstreckt, an der die metallurgische Verbindung
zwischen den Flanschen 31 und den Rohrenden 24 erfolgt.
Um dies zu gewährleisten,
ist es wünschenswert,
dass sich die abgerundeten Enden 64 der C-förmigen Verformungen 46 mindestens
zur Umgebungsluftrippenleitung 30 erstrecken, wie zum Beispiel
in 3 dargestellt.
-
Aus
der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, dass durch Verwendung
einer Verstärkungskonstruktion
gemäß der Erfindung
insofern eine beträchtliche
Materialeinsparung ermöglicht
wird, als die zur Herstellung der Verstärkungskonstruktion verwendete
Materialmenge wesentlich vermindert ist. Des Weiteren gestattet
dies den Einsatz der Verstärkungskonstruktion
für mehrere
Rohre in einem Arbeitsgang, im Gegensatz zu einem einzelnen Arbeitsgang
für jedes
Rohr, wodurch eine Kosteneinsparung in Form eines verringerten Arbeitsaufwands im
fertig gestellten Produkt bereitgestellt wird.
-
Noch
wichtiger ist festgestellt worden, dass die thermische Wechselbeanspruchungslebensdauer
des sich ergebenden Wärmetauschers
erheblich verlängert
wird. Ein Vergleich von zwei ansonsten identischen Ladeluftkühlern, von
denen einer mit der Verstärkungskonstruktion
der Erfindung in allen Rohrenden versehen wurde und einer ganz ohne
die Verstärkungskonstruktion
war, im Hinblick auf einen thermischen Wechselbeanspruchungstest
zeigte, dass der gemäß der Erfindung
hergestellte Wärmetauscher
die durchschnittliche thermische Wechselbeanspruchungslebensdauer
von 767 Zyklen für
den die Erfindung nicht verwendenden Wärmetauscher auf 9500 Zyklen
für den
die Erfindung verwendenden Wärmetauscher
verbesserte.