DE112008002905T5

DE112008002905T5 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE112008002905T5
Application number: DE112008002905T
Authority: DE
Inventors: Brian Hartford Merklein; Gregg D. Racine Olson; Mark Union Grove Kazikowski; Jochen Orso; Jorg Wille; Roy J. Racine Ingold; Joachim Wollmershäuser
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2008-11-03
Publication date: 2010-12-30
Also published as: CN101918785B; WO2009058395A3; US9470461B2; WO2009058395A2; CN101918785A; US20100282449A1

Abstract

Wärmetauscher, der enthält:
mehrere Rohre mit jeweils gegenüberliegenden breiten und im Wesentlichen flachen Seiten, die durch zwei gegenüberliegende schmale Seiten verbunden sind;
einen Sammler mit mehreren Öffnungen, die jeweils bemessen sind, um ein entsprechendes Rohr der mehreren Rohre aufzunehmen;
einen Sammeltank, der mit dem Sammler gekoppelt ist und eine innere Kammer in Fluidverbindung mit den mehreren Rohren aufweist;
eine Dichtung, die zwischen dem Sammeltank und dem Sammler angeordnet ist; und
mindestens eine Verstärkung, die sich über die innere Kammer erstreckt.

Description

RÜCKVERWEISUNG AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung lfd. Nr. 61/001 438, eingereicht am 1. November 2007, deren gesamter Inhalt hiermit durch den Hinweis mit aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Es gibt eine Vielfalt von Wärmetauschern, bei denen eine Anzahl von Rohren mit einem Sammeltank zum Einleiten und/oder Entfernen von Fluid aus den Flachrohren verbunden sind und in Fluidverbindung stehen. In vielen Fällen führen die Anwendungen solcher Wärmetauscher zu einem hohen Druck und Wärmebeanspruchungen, wie z. B. an Stellen an und benachbart zu den Verbindungen der Flachrohre mit dem Sammeltank. Es ist auch erwünscht, dass solche Sammeltanks und die Verbindungen der Flachrohre mit diesen ohne übermäßige Verformung oder Beschädigung einem signifikanten Druck standhalten trotz des Wunsches, Sammeltanks aus immer dünneren und leichteren Materialien zu konstruieren. Insbesondere in Fällen, in denen die Sammeltanks aus mehreren Teilen (z. B. einer Sammlerplatte und einer Struktur, die den Rest des Sammeltanks definiert) konstruiert sind, sollte sich diese Fähigkeit zur Schnittstelle zwischen den Sammeltankteilen erstrecken.
Weitere Konstruktionsprobleme für viele Wärmetauscher beziehen sich auf die Verwendung von Dichtungen zwischen den Wärmetauscherkomponenten, wie z. B. Dichtungen zwischen Rohr und Sammlerplatte, Dichtungen, die sich zwischen den Sammlerplatten und anderen Sammeltankkomponenten befinden, und dergleichen. Solche Dichtungen müssen ihre hydraulischen oder pneumatischen Abdichtungsfunktionen durchführen, während sie in einigen Anwendungen hohen Drücken und/oder Temperaturen, einer Materialausdehnung und – kontraktion und anderen Herausforderungen ausgesetzt sind. Zuverlässige Dichtungen und ein zuverlässiger Dichtungshalt sind weiterhin in vielen Anwendungen schwer zu fassen.
Folglich ist zu erkennen, dass Wärmetauscher mit Sammeltanks und Sammeltank-Flachrohr-Verbindungen, die dazu ausgelegt sind, Wärme- und/oder Druckbeanspruchungen und einem Zyklusdurchlauf standzuhalten, willkommene Zusätze für die Industrie ebenso wie zuverlässige Wärmetauscherdichtungen und Dichtungsrückhaltekonstruktionen, und Wärmetauscher, die relativ leichtgewichtig sind und die effizienter und mit niedrigeren Kosten hergestellt werden können, sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen einen Sammler für einen Sammeltank eines Wärmetauschers. Der Sammler kann ein erhöhtes Niveau an Festigkeit für den Wärmetauscher und für Verbindungen zwischen dem Sammler und den damit verbundenen Rohren bereitstellen. Der Sammler kann eine konvexe Form aufweisen, die dazu konfiguriert ist, mechanische Wärmebeanspruchungen an Rohr-Sammler-Verbindungen zu verringern und Druckbeanspruchungen zu verringern.
In einigen Ausführungsformen ist der Sammler des Sammeltanks aus Kunststoff hergestellt und ist um eine Längsachse des Sammeltanks gekrümmt, wodurch er eine im Allgemeinen konvexe Form in Richtung der damit verbundenen Rohre und eine im Allgemeinen konkave Form in Richtung eines Inneren des Sammeltanks aufweist. Die Rohre können eine beliebige gewünschte Querschnittsform aufweisen. Eindeutige Vorteile können jedoch unter Verwendung von Flachrohren (d. h. Rohren mit gegenüberliegenden im Wesentlichen breiten flachen Seiten, die durch gegenüberliegende schmale Seiten verbunden sind), die mit dem Sammler verbunden sind, erreicht werden.
Durch einen gekrümmten Sammler, wie vorstehend beschrieben, können Kunststoffsammler Sammeltankinnendrücken standhalten, die ansonsten eine signifikante Sammlerverformung erzeugen könnten. Unter einer Druckbelastung des vorstehend beschriebenen gekrümmten Kunststoffsammlers besteht ein beträchtlich verringerter Grad an Sammlerverformung. In einigen Ausführungsformen kann eine solche Verformung sogar beseitigt werden. Folglich wird die von Verbindungen zwischen dem Sammler und den daran befestigten Rohren erfahrene mechanische Belastung beträchtlich verringert.
Durch den gekrümmten Kunststoffsammler, wie vorstehend beschrieben, ist es außerdem in einigen Ausführungsformen möglich, eine erhöhte Festigkeit des Sammlers und der Verbindungen zwischen dem Sammler und den Rohren zu erreichen. Da die Festigkeit des Sammlers und der Rohr-Sammler-Verbindungen häufig vom Umfang des Sammlers in Richtung der Mitte des Sammlers abnimmt, erhöht die vorstehend beschriebene Sammlerkrümmung in einem mittleren Bereich des Sammlers signifikant die Festigkeit des Sammlers im mittleren Bereich. Infolge der erhöhten Festigkeit ist es möglich, durch die Verringerung der Dicke des Materials, aus dem der Sammler und/oder die Rohre konstruiert sind, Gewichts- und Kosteneinsparungen zu erreichen. Die erhöhte mechanische Festigkeit verlängert auch die Betriebslebensdauer eines Sammeltanks und eines Wärmetauschers mit einem solchen Sammler. Solche Vorteile erfordern nicht notwendigerweise irgendeine zusätzliche Ausgabe im Hinblick auf das Sammler- und Sammeltankmaterial, die Anzahl von Sammler- und Sammeltankkomponenten und die individuellen Produktionsstufen des Sammlers und des Sammeltanks. Reproduzierbare und dauerhaft abgedichtete Verbindungen zwischen dem Sammler und den individuellen Rohren sind auch unter Verwendung des vorstehend beschriebenen gekrümmten Sammlers und relativ niedriger Produktionstoleranzen möglich.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf die Weisen, in denen ein Sammler mit dem Rest eines Sammeltanks verbunden werden kann, während eine Dichtung oder eine andere Abdichtung in Bezug auf solche Teile in Position gehalten wird, Weisen, in denen eine Abdichtung an den Schnittstellen zwischen den Rohren und dem Sammler eines Wärmetauschers bereitgestellt werden soll, und Weisen, in denen der Sammeltank und Abschnitte der Sammeltank- und Sammlerschnittstelle verstärkt werden können, um die Druckkapazität des Sammeltanks zu erhöhen und/oder die Verwendung von dünneren und anderen Sammeltankmaterialien zu ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen wird ein Wärmetauscher geschaffen und besitzt mehrere Rohre mit jeweils gegenüberliegenden breiten und im Wesentlichen flachen Seiten, die durch zwei gegenüberliegende schmale Seiten verbunden sind; einen Sammler mit mehreren Öffnungen, die jeweils bemessen sind, um ein entsprechendes Rohr der mehreren Rohre aufzunehmen; einen Sammeltank, der mit dem Sammler gekoppelt ist und eine innere Kammer in Fluidverbindung mit den mehreren Rohren aufweist; eine Dichtung, die zwischen dem Sammeltank und dem Sammler angeordnet ist; und mindestens eine Verstärkung, die sich über die innere Kammer erstreckt.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen einen Wärmetauscher mit mehreren Rohren mit jeweils gegenüberliegenden breiten und im Wesentlichen flachen Seiten, die durch zwei gegenüberliegende schmale Seiten verbunden sind; einem Kunststoffsammeltank mit einer inneren Kammer in Fluidverbindung mit den mehreren Rohren; einem Metallsammler, der mit dem Kunststoffsammeltank gekoppelt ist und mehrere Öffnungen aufweist, die jeweils bemessen sind, um ein entsprechendes Rohr der mehreren Rohre aufzunehmen, wobei der Metallsammler in einer Längsrichtung lang gestreckt und um eine Längsachse des Metallsammlers gekrümmt ist, so dass er eine konkave Form zur inneren Kammer und eine konvexe Form von der inneren Kammer weg aufweist; einer Dichtung, die zumindest teilweise den Metallsammler vom Kunststoffsammeltank trennt und einen Spalt zwischen dem Metallsammler und dem Kunststoffsammeltank abdichtet; und einer Verstärkung, die sich über die innere Kammer erstreckt und zumindest teilweise die Dichtung zwischen dem Metallsammler und dem Kunststoffsammeltank in Position hält.
In einigen Ausführungsform wird ein Wärmetauscher geschaffen und besitzt mehrere Rohre mit jeweils gegenüberliegenden breiten und im Wesentlichen flachen Seiten, die durch zwei gegenüberliegende schmale Seiten verbunden sind; einen Sammeltank mit einer inneren Kammer in Fluidverbindung mit den mehreren Rohren; einen Sammler, der mit dem Sammeltank gekoppelt ist und mehrere Öffnungen aufweist, die jeweils bemessen sind, um ein entsprechendes Rohr der mehreren Rohre aufzunehmen, wobei der Sammler in einer Längsrichtung lang gestreckt und um eine Längsachse des Sammlers gekrümmt ist, so dass er eine konkave Form zur inneren Kammer und eine konvexe Form von der inneren Kammer weg aufweist; und eine Dichtung, die an einem Rohr der mehreren Rohre aufgenommen ist und um die Längsachse des Sammlers gekrümmt ist.
Noch weitere Aspekte der Erfindung werden durch Betrachtung der ausführlichen Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Sammeltanks mit einem Tankverstärkungselement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Ansicht des in 1 gezeigten Sammeltanks in auseinandergezogener Anordnung.
3 ist eine Detailansicht des in 1 und 2 gezeigten Tankverstärkungselements.
4 ist eine Detailansicht der in 2 und 3 gezeigten Dichtung. 5A ist eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Sammeltanks entlang der Linie 5A-5A von 1.
5B ist eine perspektivische zusammengefügte Ansicht des Sammeltanks und des Tankverstärkungselements, die in 1–3 und 5A gezeigt sind.
6A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Sammeltanks, eines Verstärkungselements und eines Sammlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6B ist eine perspektivische Ansicht einer Sammeltankanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6C ist eine perspektivische Ansicht der in 6B gezeigten Sammeltankanordnung in auseinandergezogener Anordnung.
6D ist eine Detailansicht der in 6B und 6C gezeigten Sammeltankanordnung.
6E ist eine perspektivische Ansicht eines Teils der in 6B–6D gezeigten Sammeltankanordnung.
6F ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Teils der in 6B–6E gezeigten Sammeltankanordnung.
6G ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Teils eines Wärmetauschers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6H ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Teils eines Wärmetauschers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6I ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Teils eines Wärmetauschers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine perspektivische Draufsicht eines Sammlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine perspektivische Ansicht des in 7 gezeigten Sammlers von unten.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Wärmetauschers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine perspektivische Querschnittsansicht des in 9 gezeigten Wärmetauschers entlang der Linie 10-10 von 9.
11 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines Wärmetauschers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine perspektivische Ansicht einer in 9 gezeigten Durchführungsdichtung.
13 ist eine Stirnansicht der in 11 gezeigten Durchführungsdichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, soll die Erfindung selbstverständlich nicht in ihrer Anwendung auf die Details der Konstruktion und der Anordnung von Komponenten, die in der folgenden Beschreibung dargelegt sind oder in den folgenden Zeichnungen dargestellt sind, begrenzt sein. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen und dazu, dass sie in verschiedenen Weisen praktiziert oder ausgeführt wird, in der Lage. Selbstverständlich dient auch die hierin verwendete Ausdrucksweise und Terminologie für den Zweck der Beschreibung und sollte nicht als Begrenzung betrachtet werden. Die Verwendung von ”einschließen”, ”besitzen” oder ”aufweisen” und Variationen davon hierin soll die nachstehend aufgelisteten Elemente und Äquivalente davon sowie zusätzliche Elemente umschließen. Wenn nicht ansonsten angegeben oder begrenzt, werden die Begriffe ”montiert”, ”verbunden”, ”abgestützt” und ”gekoppelt” und Variationen davon breit verwendet und schließen sowohl direkte als auch indirekte Montagen, Verbindungen, Abstützungen und Kopplungen ein. Ferner sind ”verbunden” und ”gekoppelt” nicht auf physikalische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.
1–5B stellen einen Sammeltankanordnungs-Sammler 110 dar, der für einen Sammeltank eines Wärmetauschers 124 ausgelegt ist. Der Wärmetauscher 124 ist für eine beliebige Anwendung geeignet, in der ein Wärmeaustausch mit einem Fluid, das durch den Sammeltank strömt, stattfindet. Solche Anwendungen existieren in Fahrzeugsystemen, wie z. B. jenen, die in Verbindung mit Verbrennungsmotoren verwendet werden. In einigen Anwendungen kann der Wärmetauscher 124 beispielsweise als Kühler, als Kondensator oder als Verdampfer fungieren. In einigen Anwendungen kann der Wärmetauscher 124 auch verbunden sein, um Wärme in einem Kühlkreis auszutauschen.
Die in 1–5B dargestellte Sammeltankanordnung 110 besitzt einen Sammeltank 100 (von dem nur ein Teil in 1–5B gezeigt ist), ein Tankverstärkungselement 104 und eine Dichtung 108. Der dargestellte Sammeltank 100 ist aus einem ersten Abschnitt 100A, der zumindest teilweise ein Gehäuse definiert, durch das Fluid strömt, und einen weiteren Abschnitt (in 1–5B nicht gezeigt), der Sammler genannt wird, konstruiert. Der Sammler verbindet mit dem ersten Abschnitt 100A des Sammeltanks 100, um eine innere Kammer des Sammeltanks 100 im Wesentlichen einzuschließen. Ein Beispiel eines Sammlers 204, der in Verbindung mit dem ersten Sammeltankabschnitt 100A verwendet werden kann, ist in 7 und 8 gezeigt und wird nachstehend genauer beschrieben.
In einigen Ausführungsformen besteht der erste Abschnitt 100A des Sammeltanks 100 aus Aluminium, Stahl, Eisen oder einem anderen Metall, wohingegen der Sammler (z. B. Sammler 104) aus Kunststoff besteht. Obwohl diese Materialkombination einzigartige Leistungsergebnisse (einschließlich eines dünnwandigen, aber starken ersten Abschnitts 100A, der signifikanten Drücken standhalten kann, während er die Verwendung eines weniger teuren und/oder leicht herzustellenden Kunststoffsammlers ermöglicht) bereitstellt, sind andere Materialien und Materialkombinationen möglich. In anderen Ausführungsformen bestehen beispielsweise sowohl der erste Abschnitt 100A als auch der Sammler aus Kunststoff. Als weiteres Beispiel bestehen in anderen Ausführungsformen sowohl der erste Abschnitt 100A als auch der Sammler aus Metall. Alternativ besteht in noch weiteren Ausführungsformen der erste Abschnitt 100A aus Kunststoff, während der Sammler aus Metall besteht.
Der erste Abschnitt 100A des Sammeltanks 100 kann am Sammler (z. B. an dem in 7 und 8 gezeigten Sammler 204) in einer Anzahl von verschiedenen Weisen befestigt werden, von denen einige einen Grad an Widerstand gegen einen Fluidaustritt unter Sammeltank-Innendrücken bereitstellen. Dazu können die Umfangskanten des ersten Abschnitts 100A an Umfangskanten des Sammlers, wie z. B. den planaren Umfangskanten des Sammlers 204, der in 7 und 8 gezeigt ist, anliegen. Der erste Abschnitt 100A und der Sammler können an diesen und anderen Stellen durch Schweißen, Weichlöten, Hartlöten und dergleichen befestigt werden.
Um einen Austritt von Fluid aus dem Sammeltank 100 zu verhindern, wird eine Dichtung 108 zwischen dem ersten Abschnitt 100A des Sammeltanks 100 und dem Sammler angeordnet. Die dargestellte Dichtung 108 erstreckt sich um den Umfang des ersten Abschnitts 100A und des Sammlers und kann aus Gummi, Kunststoff oder irgendeinem anderen Material, das zum Bilden einer Abdichtung geeignet ist, bestehen.
Wie vorstehend erwähnt, besitzt die in 105B gezeigte Sammeltankanordnung 110 auch ein Tankverstärkungselement 104, um zu helfen, die Dichtung 108 in einer Position in Bezug auf den ersten Abschnitt 100A des Sammeltanks 100 und des Sammlers zu halten, in der verhindert wird, dass Fluid den Sammeltank 100 während des Betriebs des Wärmetauschers 124 verlässt. Das in 7 gezeigte Verstärkungselement 104 ist Kunststoff und kann durch Spritzgießen hergestellt werden. Alternativ kann das Verstärkungselement aus irgendeinem anderen geeigneten Material (einschließlich ohne Begrenzung Aluminium, Stahl, Eisen und anderen Metallen, Verbundmaterialien und dergleichen) bestehen und kann in irgendeiner anderen geeigneten Weise (einschließlich ohne Begrenzung Gießen, Stanzen, Pressen, Tiefziehen, Strangpressen, maschinelles Bearbeiten und dergleichen) hergestellt werden.
Das in 1–3, 5A und 5B dargestellte Tankverstärkungselement 104 weist Verriegelungsöffnungen 112 auf, die dazu konfiguriert sind, die Dichtung 108 aufzunehmen. Die Öffnungen 112 können bemessen sein, um Abschnitte der Dichtung 108 durch einen Presssitz aufzunehmen und festzuhalten. Das dargestellte Tankverstärkungselement 104 weist ferner Querstege 116 auf, die eine weitere Abstützung am Tankverstärkungselement 104 schaffen. Die Querstege 116 ermöglichen, dass die Sammeltankanordnung 110 größeren Innendrücken standhält, und können ermöglichen, dass die Sammeltankanordnung 110 Lasten standhält, die durch einen Sammler erfahren werden, der an den Sammeltank 100 gequetscht wird.
Die dargestellte Dichtung 108 weist Dichtungsquerstege 120 auf, die dazu konfiguriert sind, eine zusätzliche Abstützung für die Dichtung 108 vorzusehen. In einigen Ausführungsformen erstrecken sich die Querstege 120 über die innere Kammer des Sammeltanks 100. In einigen Ausführungsformen weist die Dichtung 108 ferner Positionierungsansätze 124 auf, die die Anordnung der Dichtung 108 innerhalb der Verriegelungsschlitze 112 führen (z. B. Sicherstellen, dass die Querstege 120 bei der Installation der Dichtung 108 korrekt innerhalb des Sammeltanks 100 angeordnet werden, und/oder Halten eines Umfangsabschnitts der Dichtung 108 in einer korrekten Position innerhalb eines durch das Tankverstärkungselement 104 definierten Sitzes 111).
Im Betrieb kann das Tankverstärkungselement 104 im Sammeltank 100 angeordnet werden, unmittelbar nachdem der Sammeltank 100 geformt ist. Alternativ kann das Tankverstärkungselement 104 im Sammeltank 100 zu irgendeinem Zeitpunkt vor der Verwendung angeordnet werden. Der Sammeltank 100 kann geformt und bemessen sein, um das Tankverstärkungselement 104 durch eine Spielpassung, einen Schnappverschluss, einen Presssitz oder in irgendeiner anderen Eingriffsweise aufzunehmen. Das in 1–3, 5A und 5B dargestellte Tankverstärkungselement 104 kommt beispielsweise mit dem Sammeltank 100 über mehrere Vorsprung- und Öffnungssätze in Eingriff. Diese Eingriffsbeziehung kann ermöglichen, dass die Vorsprünge und Öffnungen in Bezug aufeinander gleiten, bis sie eine Bewegungsgrenze (z. B. eine Unterseite jeder Öffnung) erreichen, wodurch ein zwangsläufiger Anschlag für eine genaue Anordnung des Tankverstärkungselements 104 in Bezug auf den Sammeltank 100 definiert wird. Die genaue Anordnung des Tankverstärkungselements 104 kann eine korrekte Dichtungsanordnung und -kompression ohne Kontakt oder Störung mit dem Wärmetauschersammler ermöglichen. Ein Verriegelungsmerkmal oder ein Wärmenietvorgang kann verwendet werden, um eine weitere Abstützung vorzusehen und das Tankverstärkungselement 104 innerhalb des Sammeltanks 100 zu halten.
Durch die vorstehend im Hinblick auf einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschriebene Beziehung zwischen der Dichtung 108 und dem Tankverstärkungselement 104 kann die Dichtung 108 am Tankverstärkungselement 104 installiert werden (z. B. durch Pressen von Querstegen 116 oder anderen Abschnitten der Dichtung 108 in Öffnungen 112 im Tankverstärkungselement 104) und das Tankverstärkungselement 104 und die Dichtung 108 können von einem Benutzer oder einer Maschine für die Installation im Sammeltank 100 bewegt oder anderweitig gehandhabt werden. In denjenigen Ausführungsformen, in denen ein Presssitz der Dichtung 108 mit dem Tankverstärkungselement 104 besteht (z. B. innerhalb der vorstehend beschriebenen Öffnungen 112), kann diese Bewegung oder Handhabung sogar die Tankverstärkungselement- und Dichtungsanordnung in einer umgedrehten Position anordnen.
Angesichts der vorstehend beschriebenen Beziehung zwischen der Dichtung 108 und dem Tankverstärkungselement 104 kann die Montage eines resultierenden Wärmetau schers vereinfacht und verbessert werden. Die Dichtung 108 kann auch in Bezug auf den Sammeltank 100 und den Sammler über die ganze Lebensdauer des Wärmetauschers in einer korrekten Position gehalten werden.
Obwohl ein separates Tankverstärkungselement 104, wie vorstehend beschrieben, in vielen Anwendungen erwünscht ist, sollte beachtet werden, dass in anderen Ausführungsformen das Tankverstärkungselement 104 und irgendeines der vorstehend beschriebenen Dichtungshaltemerkmale stattdessen mit dem Sammeltank 100 einteilig sein können (z. B. als Teil des Sammeltanks 100 geformt).
6A–6I stellen Sammeltankanordnungen 210 mit Tankverstärkungselementen 203 gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Wie die dargestellte Ausführungsform der obigen 1–5B weisen die Sammeltankanordnungen 210, die in 6A–6I dargestellt sind, jeweils einen Sammeltank 200 mit einem ersten Sammeltankabschnitt 200A und einem Sammler 204, ein Tankverstärkungselement 203 und eine Dichtung 208 auf. Die dargestellten Sammeltankanordnungen 210 sind beispielsweise für Kühler- und Ladeluftkühleranwendungen unter Verwendung von hartgelöteten oder mit Durchführungsdichtung versehenen Rohr-Sammler-Verbindungen gut geeignet. Wie auch in der Ausführungsform von 1–5B vorgesehen (aber darin nicht gezeigt), kann der Sammler 204 an Flachrohren befestigt werden, die in schlitzförmigen Öffnungen 216 im Sammler 204 aufgenommen werden. Die Rohre können in einer druckdichten Weise durch Weichlöten, Schweißen, Klebstoff oder kohäsives Bindematerial oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise am und im Sammler 204 befestigt werden.
In den Ausführungsformen von 6A–6F und 6H–6I weisen die darin dargestellten Sammler 204 einen im Allgemeinen gekrümmten mittleren Abschnitt 220 und einen Umfangsansatz 222 auf, der sich seitlich davon erstreckt. Der gekrümmte mittlere Abschnitt 220 weist eine konvexe Form zu den Rohren und eine konkave Form zum Inneren des Sammeltanks 200 auf. Die Konstruktion des dargestellten Sammlers 204 schafft eine Steigerung der Festigkeit des Sammlers 204 und schafft eine Steigerung der Festigkeit der Verbindungen zwischen dem Sammler 204 und den Rohren (nicht dargestellt) durch Versteifen des Sammlers 204 nahe den Rohr-Sammler-Verbindungen. Der gekrümmte mittlere Abschnitt 220 verringert auch Druckbeanspruchungen sowohl in der Sammlerdichtungsvertiefung 221 (d. h. der Stelle, an der die Dichtung 208 festgehalten wird) als auch in den Rohrvorderteilen. Daher ist es möglich, die Querschnittsdicke der individuellen Komponenten der Sammeltankanordnung 210 zu verringern, um Gewichts- und Kosteneinsparungen zu erreichen. Infolge der Steigerung der mechanischen Festigkeit des Sammlers 204 (und allgemeiner der Sammeltankanordnung 210) wird die Betriebslebensdauer der Sammeltankanordnung 210 und eines entsprechend konfigurierten Wärmetauschers ohne irgendwelche zusätzlichen Materialausgaben, Wärmetauscherkomponenten oder individuellen Produktionsschritte verlängert.
Durch die gekrümmte Form des vorstehend beschriebenen und in 6A–6F und 6H–8 dargestellten mittleren Sammlerabschnitts 220 wird auch eine Verformung des Sammlers 204 erwartet. Es ist zu erkennen, dass unter mäßigen Sammeltankdrücken eine Verformung eines Sammlers 204 ohne Krümmung wahrscheinlich ist. Aufgrund des gekrümmten mittleren Abschnitts 220 des Sammlers 204 erfährt jedoch der Sammler 204, wenn der gekrümmte mittlere Abschnitt 220 des Sammlers 204 unter einer Druckbelastung steht, einen beträchtlich verringerten Grad an Verformung. Folglich wird die mechanische Belastung an den Verbindungen zwischen eingesetzten Rohren und dem Sammler verringert und die Biegebeanspruchung am Sammler 204 (z. B. aufgrund von Innendrücken des Sammeltanks 200) werden in Zugbeanspruchungen umgewandelt, wodurch eine erhöhte Festigkeit des Sammlers 204 und der Sammler-Rohr-Verbindungen geschaffen wird. Da die Festigkeit des Sammlers 204 und/oder der Sammler-Rohr-Verbindungen in Richtung der Mitte des Sammlers 204 in vielen Ausführungsformen abnehmen kann, erhöht die Krümmung des mittleren Abschnitts 220 des Sammlers 204 die Festigkeit des Sammlers 204 in der Mitte des Sammlers 204.
Mit fortgeführtem Bezug auf die dargestellten Sammlerausführungsformen von 6A–6F und 6H–8 besitzt der Sammler 204 auch einen im Wesentlichen flachen Umfangsansatz 222, der sich um den ganzen Umfang des gekrümmten mittleren Abschnitts 220 erstrecken kann. Dieser Ansatz 222 kann zumindest teilweise eine Dichtungsvertiefung 221 (vorstehend erwähnt) definieren, in der eine Dichtung 208 zwischen dem Sammler 204 und dem ersten Sammeltankabschnitt 200A in irgendeiner der vorstehend beschriebenen Weisen festgehalten wird.
In einigen Ausführungsformen wird der Sammler 204 des Sammeltanks 200 aus Kunststoff hergestellt und wird um eine Längsachse des Sammeltanks 200 gekrümmt, wodurch er eine im Allgemeinen konvexe Form in Richtung der damit verbundenen Rohre und eine im Allgemeinen konkave Form in Richtung eines Inneren des Sammeltanks 200 aufweist. In anderen Ausführungsformen können stattdessen andere Sammlermaterialien verwendet werden, wie erwünscht. Irgendeine der vorstehend in Verbindung mit der Ausführungsform von 1–5B beschriebenen Materialkombinationen ist in Verbindung mit 6A–6I auch anwendbar.
Die Rohre für die Verbindung mit den Sammlern 204, die in 6A–6I gezeigt sind, können eine beliebige gewünschte Querschnittsform aufweisen. Eindeutige Vorteile können jedoch unter Verwendung von Flachrohren (d. h. Rohren mit gegenüberliegenden im Wesentlichen breiten flachen Seiten, die durch gegenüberliegende schmale Seiten verbunden sind), die mit dem Sammler 204 verbunden sind, erreicht werden.
Die in 6A–6F und 6H–8 dargestellten Sammeltankanordnungen 210 weisen jeweils ein Tankverstärkungselement 203 auf. Das Tankverstärkungselement 203 kann im Wesentlichen flach sein, wie in 6A–6F und 6H–8 gezeigt, und kann eine beliebige Anzahl von Verstärkungsstegen 212 aufweisen, die sich über das Innere des Sammeltanks 200 in Längs- oder Querrichtungen erstrecken (wodurch die Festigkeit des Sammeltanks 200 erhöht wird), ohne die Strömung durch den Sammeltank 200 zu oder von den mit dem Sammeltank 200 verbundenen Rohren zu behindern oder signifikant zu behindern. Das Tankverstärkungselement 203 kann mit dem Sammeltank 200 in irgendeiner der vorstehend beschriebenen Weisen verbunden werden. In einigen Ausführungsformen nehmen beispielsweise Schlitze im Tankverstärkungselement 203 Sammeltankstrukturen mit einem Schnappverschluss, einem Presssitz oder einem anderen Passeingriff auf, wenn der Sammeltank 200 an einem Kern eines Wärmetauschers installiert wird. Wie in 6A–6F und 6H–6I gezeigt, wird in einigen Ausführungsformen das Tankverstärkungselement 203 im Sammler 204 aufgenommen und/oder liegt auf diesem. In einigen Ausführungsformen liegt das Tankverstärkungselement 203 in und/oder auf dem Ansatz 222 des Sammlers 204 und kann sich unterhalb, unter oder neben der Dichtung 208 erstrecken. Das Tankverstärkungselement 203 kann die Materialdicke der Sammeltankanordnung 210 erhöhen (beispielsweise die Dicke des Dichtungsvertiefungsbereichs 221 verdoppeln), wie z. B. in einem Bereich des Sammeltanks 200 benachbart zur Dichtung 208. Das Tankverstärkungselement 203 kann auch den Sammeltank 200 in verschiedenen Weisen verstärken, wie z. B. durch Erweitern der Fähigkeit von Tank-Sammler-Quetschverbindungen in Hochdruckanwendungen.
In einigen Ausführungsformen kann das Tankverstärkungselement 203 mit dem Sammler 204 vor oder während der Kernmontage zusammengefügt werden. Das Tankverstärkungselement 203 kann mit dem Sammler 204 beispielsweise in einer beliebigen gewünschten Weise verbunden werden, einschließlich ohne Begrenzung durch Hartlöten oder Schweißen, durch Tox^®-Niete (Tox Pressotechnik GmbH & Co. KG) oder in irgendeiner anderen gewünschten Weise. Eine vollständige Hartlötverbindung zwischen dem Sammler 204 und dem Tankverstärkungselement 203 kann beispielsweise in denjenigen Ausführungsformen verwendet werden, in denen das Tankverstärkungselement 203 zumindest teilweise eine Abdichtungsoberfläche für die Dichtung 208 definiert.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden zusätzliche Sammeltankverstärkungselemente allein oder in Verbindung mit beliebigen der vorstehend beschriebenen (z. B. der Tankverstärkungselemente 104, 203). 6A und 6G–6I stellen Beispiele von solchen Verstärkungselementen bereit. Mit Bezug zuerst auf 6A kann der Sammeltank 200 mit einer oder mehreren Verstärkungen 250 versehen werden, die sich von einer oder mehreren Wänden des Sammeltanks 200 in eine Position, in der sie mit einem Tankverstärkungselement 203 in Eingriff stehen, erstrecken, wie schematisch in 6A gezeigt. Diese Verstärkungen 250 können eine beliebige gewünschte Form aufweisen, wie z. B. lang gestreckte Finger, wie in 6A, 6H und 6I gezeigt, breitere Platten, wie schematisch in 6G gezeigt (in welchem Fall die Verstärkungen 250 das Innere des Sammeltanks 200 in einigen Ausführungsformen unterteilen können) und dergleichen. Diese Verstärkungen 250 können auch mit dem Sammeltank 200 einteilig sein oder können separate Elemente sein, die dauerhaft oder lösbar in irgendeiner Weise daran befestigt sind. Die Verstärkungen 250 können so positioniert und orientiert sein, dass sie mit dem Tankverstärkungselement 203 in Eingriff stehen, so dass eine Biegung oder andere Bewegung des Sammeltanks 200 begrenzt werden kann. Die Verstärkungen 250 können auch in Bezug auf das Tankverstärkungselement 203 beweglich sein (z. B. durch einen Gleitsitz, eine oder mehrere Totgangverbindungen und dergleichen), wodurch ermöglicht wird, dass eine Kraft über die Verstärkungen 250 in einer Richtung übertragen wird, jedoch ohne oder mit begrenzter Fähigkeit für eine Kraftübertragung in einer entgegengesetzten oder anderen Richtung. Es kann beispielsweise erwünscht sein, dass die Verstärkungen 250 ein Auswärtsausbeulen oder eine Auswärtsbiegung einer Sammeltankwand verhindern, während sie immer noch eine Einwärtsbewegung derselben Wand ermöglichen oder eine Bewegung von einem oder mehreren Abschnitten des Sammeltanks 200 (z. B. Sammlerbiegung) in Reaktion auf die Veränderung der Wärmetauscherrohrausdehnung und -kontraktion während des Betriebs des Wärmetauschers ermöglichen. Obwohl nur zwei Sammeltankverstärkungen 250 in speziellen Positionen in 6A und 6G gezeigt sind und eine spezielle Anzahl solcher Verstärkungen in 6H und 6I sichtbar ist, ist zu erkennen, dass irgendeine Anzahl solcher Verstärkungen 250, die sich über das Innere des Sammeltanks 200 erstrecken, verwendet werden kann, in vielen Fällen ohne Unterbrechung der Strömung innerhalb des Sammeltanks 200.
9–13 stellen Wärmetauscher dar, die verschiedene Merkmale gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden. In 9, 10, 12 und 13 besteht eine Option für irgendeinen der vorstehend beschriebenen Wärmetauscher mit gekrümmtem Sammler darin, gekrümmte Durchführungsdichtungen 228 zu verwenden. Solche Durchführungsdichtungen 228 können aus Gummi, EPDM oder irgendeinem anderen Material bestehen, das zum Schaffen einer fluiddichten Abdichtung geeignet ist, und könnten innerhalb der Rohröffnungen des Sammlers 204 oder an den Enden von Rohren, die in die Rohröffnungen des Sammlers 204 eingesetzt werden, installiert werden. Mit speziellem Bezug auf 12 und 13 weist die dargestellte Durchführungsdichtung 228 eine Öffnung 232 ähnlich den Öffnungen 216 im Sammler 204 auf und ist auch dazu konfiguriert, ein Flachrohr 224 aufzunehmen. Die Durchführungsdichtungen 228 in der dargestellten Ausführungsform sind geformt, um einen Presssitz mit der Außenseite der Flachrohre zu schaffen, um einen Fluidaustritt durch die Sammler-Rohr-Verbindungen zu verhindern, während sie dennoch ermöglichen, dass die Rohre eine Wärmeausdehnung und -kontraktion erfahren, um sich nach Bedarf zu bewegen. Ungeachtet der Ursache für die Rohrbewegung können solche Durchführungsdichtungen 228 ermöglichen, dass die Rohre sich unabhängig voneinander und vorn Sammler 204 bewegen (in einigen Fällen durch Gleiten innerhalb der Durchführungsdichtungen 228). Die Durchführungsdichtungskonstruktion kann für Kunststofftankstrahler, Ladeluftkühler, Tank- und Sammlerkonstruktionen ganz aus Aluminium und eine Anzahl von anderen Wärmetauscheranwendungen verwendet werden.
Die vorstehend beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen sind nur als Beispiel dargestellt und sind nicht als Begrenzung der Konzepte und Prinzipien der vorliegenden Erfindung bestimmt. An sich wird von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt werden, dass verschiedene Änderungen an den Elementen und ihrer Konfiguration und Anordnung möglich sind, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen einen Wärmetauscher mit einem Sammeltank (100) mit einer inneren Kammer und einem Sammler (204), der mit dem Sammeltank (100) verbunden ist und eine Anzahl von Flachrohren (224) durch Öffnungen (216) im Sammler (204) aufnimmt. In einigen Ausführungsformen fungiert ein Verstärkungselement (104), das innerhalb des Sammeltanks (100) und/oder des Sammlers (204) aufgenommen ist, zum Verstärken des Sammlers (204) und/oder des Sammeltanks (100) in Anwendungen, in denen diese Elemente Innendrücken ausgesetzt sind, die ansonsten den Sammler (204) und/oder den Sammeltank (100) in einem unannehmbaren Umfang verformen würden. Einige Wärmetauscherausführungsformen verwenden auch eine gekrümmte Dichtung (228) an jedem Flachrohr (224), um sie an die Form der Flachrohre (224) anzupassen, und einen gekrümmten Sammler (204). Eine weitere Dichtung (108) kann auch zwischen einem Metall- oder Kunststoffsammeltank (100) und einem Kunststoff- bzw. Metallsammler (204) angeordnet sein, um ein Leck dazwischen zu verhindern.

Claims

Wärmetauscher, der enthält: mehrere Rohre mit jeweils gegenüberliegenden breiten und im Wesentlichen flachen Seiten, die durch zwei gegenüberliegende schmale Seiten verbunden sind; einen Sammler mit mehreren Öffnungen, die jeweils bemessen sind, um ein entsprechendes Rohr der mehreren Rohre aufzunehmen; einen Sammeltank, der mit dem Sammler gekoppelt ist und eine innere Kammer in Fluidverbindung mit den mehreren Rohren aufweist; eine Dichtung, die zwischen dem Sammeltank und dem Sammler angeordnet ist; und mindestens eine Verstärkung, die sich über die innere Kammer erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei sich die mindestens eine Verstärkung von einer Seite der inneren Kammer, über die innere Kammer und zu einer entgegengesetzten Seite der inneren Kammer erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Verstärkung mit der Dichtung gekoppelt ist und die Dichtung zwischen dem Sammeltank und dem Sammler in Position hält.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Sammler entweder Metall oder Kunststoff aufweist und der Sammeltank entweder Kunststoff oder Metall aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei das Material des Sammlers vom Material des Sammeltanks durch die Dichtung getrennt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Sammler entlang einer Längsrichtung lang gestreckt ist und um eine Längsachse des Sammlers gekrümmt ist, so dass er eine konkave Form zur inneren Kammer und eine konvexe Form von der inneren Kammer weg aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Dichtung zwischen einem im Wesentlichen flachen Ansatz des Sammeltanks und zumindest einem des Sammlers und der mindestens einen Verstärkung festgehalten wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Abschnitt der Dichtung sich über die innere Kammer erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt der Verstärkung mehrere Öffnungen aufweist, die jeweils bemessen sind, um einen jeweiligen Abschnitt der Dichtung, die sich dadurch erstreckt, aufzunehmen.
Wärmetauscher, der enthält: mehrere Rohre mit jeweils gegenüberliegenden breiten und im Wesentlichen flachen Seiten, die durch zwei gegenüberliegende schmale Seiten verbunden sind; einen Kunststoffsammeltank mit einer inneren Kammer in Fluidverbindung mit den mehreren Rohren; einen Metallsammler, der mit dem Kunststoffsammeltank gekoppelt ist und mehrere Öffnungen aufweist, die jeweils bemessen sind, um ein entsprechendes Rohr der mehreren Rohre aufzunehmen, wobei der Metallsammler in einer Längsrichtung lang gestreckt ist und um eine Langsachse des Metallsammlers gekrümmt ist, so dass er eine konkave Form zur inneren Kammer und eine konvexe Form von der inneren Kammer weg aufweist; eine Dichtung, die zumindest teilweise den Metallsammler vom Kunststoffsammeltank trennt und einen Spalt zwischen dem Metallsammler und dem Kunststoffsammeltank abdichtet; und eine Verstärkung, die sich über die innere Kammer erstreckt und zumindest teilweise die Dichtung zwischen dem Metallsammler und dem Kunststoffsammeltank in Position hält.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei sich die Verstärkung von einer Seite der inneren Kammer, über die innere Kammer und zu einer entgegengesetzten Seite der inneren Kammer erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei die Dichtung zwischen einem im Wesentlichen flachen Ansatz des Sammeltanks und mindestens einem des Sammlers und der Verstärkung festgehalten wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei die Dichtung eine Querschnittsform aufweist und innerhalb eines Sitzes der Verstärkung mit einer entsprechenden Form aufgenommen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei mindestens ein Abschnitt der Dichtung sich über die innere Kammer erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, der ferner eine Dichtung aufweist, die an einem Rohr der mehreren Rohre aufgenommen ist und um die Längsachse des Metallsammlers gekrümmt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei die Verstärkung in den Sammler eingesteckt ist, um verstärkte Umfangsabschnitte des Sammlers zu definieren.
Wärmetauscher, der enthält: mehrere Rohre mit jeweils gegenüberliegenden breiten und im Wesentlichen flachen Seiten, die durch zwei gegenüberliegende schmale Seiten verbunden sind; einen Sammeltank mit einer inneren Kammer in Fluidverbindung mit den mehreren Rohren; einen Sammler, der mit dem Sammeltank gekoppelt ist und mehrere Öffnungen aufweist, die jeweils bemessen sind, um ein entsprechendes Rohr der mehreren Rohre aufzunehmen, wobei der Sammler in einer Längsrichtung lang gestreckt ist und um eine Längsachse des Sammlers gekrümmt ist, so dass er eine konkave Form zur inneren Kammer und eine konvexe Form von der inneren Kammer weg aufweist; und eine Dichtung, die an einem Rohr der mehreren Rohre aufgenommen ist und um die Längsachse des Sammlers gekrümmt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 17, wobei der Sammler entweder Metall oder Kunststoff aufweist und der Sammeltank entweder Kunststoff oder Metall aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 17, der ferner eine weitere Dichtung aufweist, die zwischen dem Sammeltank und dem Sammler angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 19, wobei sich zumindest ein Abschnitt der weiteren Dichtung über die innere Kammer erstreckt.