DE112011103814T5 - Heat exchanger assembly and method - Google Patents
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Abstract
Eine Wärmetauscheranordnung und ein Verfahren zum Warten werden beschrieben und veranschaulicht, und umfasst in einigen Ausführungsbeispielen ein Paar von Kerneinheiten in einer End-zu-End-Anordnung und einen Flüssigkeitsbehälter, der zwischen den Kerneinheiten angeordnet ist. Jede Kerneinheit umfasst Luftrippen, die parallel zueinander angeordnet sind und in einer Kern-Stapelrichtung voneinander beanstandet sind, und parallel angeordnete Flüssigkeitsförderrohre, die zwischen benachbarten Luftrippen angeordnet und mit diesen verbunden sind. Der erste Flüssigkeitsbehälter umfasst ein erstes Ende, das an einer Kopfplatte der einen Kerneinheit dichtend befestigt ist, und ein zweites Ende, das an einer Kopfplatte der anderen Kerneinheit dichtend befestigt ist. Der Flüssigkeitsbehälter kann an benachbarte Einheiten gecrimpt werden und kann vollständig innerhalb der äußersten Grenze der zumindest einen aus dem Paar der Kerneinheiten in der Kern-Stapelrichtung angeordnet werden.A heat exchanger assembly and method for maintenance are described and illustrated, and in some embodiments, includes a pair of core units in an end-to-end configuration and a liquid container disposed between the core units. Each core unit includes air fins arranged in parallel with each other and spaced apart from each other in a core stacking direction, and liquid conveying pipes arranged in parallel and disposed between and connected to adjacent air fins. The first liquid container comprises a first end which is sealingly fixed to a head plate of the one core unit, and a second end which is sealingly fixed to a head plate of the other core unit. The liquid container may be crimped to adjacent units and may be disposed entirely within the outermost boundary of the at least one of the pair of core units in the core-stacking direction.
Description
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 61/415,588 vom 19. November 2010, deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme miteinbezogen werden.This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 415,588, filed Nov. 19, 2010, the contents of which are hereby incorporated by reference.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Im Allgemeinen werden verschiedene Wärmetauscher verwendet, um Wärmeenergie von einer ersten, heißeren Flüssigkeit zu einer zweiten, kühleren Flüssigkeit zu übertragen. Gemäß einem im Stand der Technik allgemein bekannten Beispiel läuft ein Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug oder Lastwagen kontinuierlich auf einer gewünschten Temperatur unter Verwendung eines Flüssigkeitskühlmittelkreislaufs, der Abwärme vom Motor abführt und diese in einen Luftstrom mit niedrigerer Temperatur in einen Wärmetauscher (d. h. einen Kühler) überführt. Derartige Kühler umfassen normalerweise eine Mehrzahl von Flüssigkeitsleitungen zum Befördern des Kühlmittels durch den Kühler, wobei Umgebungsluft über die Außenflächen der Rohre geleitet wird, um Wärme von den Außenflächen der Flüssigkeitsleitungen konvektiv abzuführen.In general, various heat exchangers are used to transfer heat energy from a first, hotter liquid to a second, cooler liquid. According to an example well known in the art, an internal combustion engine in a motor vehicle or truck continuously runs at a desired temperature using a liquid coolant loop that removes waste heat from the engine and transfers it to a lower temperature air flow into a heat exchanger (i.e., a radiator). Such coolers typically include a plurality of fluid conduits for conveying the coolant through the radiator, ambient air being directed over the outer surfaces of the tubes to convectively remove heat from the exterior surfaces of the fluid conduits.
Es sollte leicht erkennbar sein, dass sich die im Kühler benötigte Wärmeübertragungsrate zum Aufrechterhalten einer derartigen gewünschten Motortemperatur (manchmal als thermische Belastung bezeichnet) proportional mit der Leistung des Motors erhöht. Folglich benötigen große, leistungsstarke Maschinen (wie z. B. Landwirtschafts-, Bau- und Bergbaumaschinen) große Kühler, um eine adäquate Wärmeabfuhroberfläche für diese thermische Belastungen bereitzustellen. Die Fertigung von derart großen Kühlern kann problematisch sein.It should be readily appreciated that the heat transfer rate required in the radiator to maintain such desired engine temperature (sometimes referred to as thermal load) increases in proportion to engine power. Consequently, large, high-performance machines (such as agricultural, construction, and mining machines) require large radiators to provide an adequate heat transfer surface for these thermal loads. The production of such large coolers can be problematic.
Kompakte und hocheffiziente Kühler für Kraftfahrzeuge und Lastwagen werden oftmals auf kosteneffiziente Art und Weise durch metallurgisches Verbinden von zumindest bestimmten Bereichen des Kühlers in einem Ofen-Hartlötvorgang hergestellt. Wenn sich die Größe des Kühlers jedoch erhöht, können die physikalischen Grenzen des Ofens erreicht werden und alternative Bauweisen, die weniger kosteneffektiv sind und/oder zu weniger kompakten und weniger effizienten Wärmetauschern führen, können aus der Not heraus eingesetzt werden. Beispielsweise ist bei einigen großen Motoren der Kühler unter Verwendung einer großen Anzahl von einzeln gerippten Wärmetauscherrohren aufgebaut, die durch Durchführungsdichtungen eingeführt sind.Compact and highly efficient radiators for automobiles and trucks are often manufactured in a cost-effective manner by metallurgically bonding at least certain portions of the radiator in an oven brazing operation. However, as the size of the cooler increases, the physical limitations of the furnace can be achieved, and alternative designs that are less cost effective and / or result in less compact and less efficient heat exchangers can be used out of necessity. For example, in some large engines, the radiator is constructed using a large number of individually finned heat exchanger tubes inserted through grommets.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst eine Wärmetauscheranordnung ein Paar von Kerneinheiten in einer End-zu-End-Anordnung (Stoßverbindungsanordnung) und einen zwischen den Kerneinheiten angeordneten Flüssigkeitsbehälter. Jede Kerneinheit umfasst eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten und in einer Kern-Stapelrichtung beabstandet voneinander angeordneten Luftrippen. Jede Kerneinheit umfasst zusätzlich eine Mehrzahl von parallel angeordneten Flüssigkeitsförderrohren, die zwischen benachbarten aus der Mehrzahl von Luftrippen angeordnet und mit diesen verbunden sind. Die ersten und zweiten voneinander beabstandeten Kopfplatten nehmen die ersten bzw. zweiten Enden der Rohre dichtend auf. Erste und zweite Seitenplatten sind benachbart zu den äußersten der Luftrippen angeordnet, um eine äußerste Grenze der Kerneinheit in der Kern-Stapelrichtung zu definieren. Der Flüssigkeitsbehälter umfasst ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende, wobei das erste Ende an einer der ersten und zweiten Kopfplatten von einer aus dem Paar der Kerneinheiten dichtend befestigt ist, und das andere Ende an einer von den ersten und zweiten Kopfplatten des anderen aus dem Paar von Kerneinheiten dichtend befestigt ist. Der Flüssigkeitsbehälter ist vollständig innerhalb der äußersten Grenze von zumindest einer aus dem Paar der Kerneinheiten in der Kern-Stapelrichtung angeordnet.According to some embodiments of the invention, a heat exchanger assembly comprises a pair of core units in an end-to-end arrangement (butt joint arrangement) and a liquid container disposed between the core units. Each core unit comprises a plurality of air fins arranged parallel to one another and spaced apart in a core stacking direction. Each core unit additionally includes a plurality of parallel fluid delivery tubes disposed between and connected to adjacent ones of the plurality of air ribs. The first and second spaced apart header plates seal the first and second ends of the tubes, respectively. First and second side plates are disposed adjacent to the outermost of the air ribs to define an outermost boundary of the core unit in the core stacking direction. The liquid container includes a first end and a second end opposite the first end, the first end sealingly attached to one of the first and second top plates of one of the pair of core units, and the other end to one of the first and second top plates of the first end another is sealingly attached to the other of the pair of core units. The liquid container is disposed entirely within the outermost boundary of at least one of the pair of core units in the core-stacking direction.
In einigen Ausführungsbeispielen ist der Flüssigkeitsbehälter an zumindest einer aus dem Paar von Kerneinheiten durch eine Crimpverbindung befestigt. In einigen Ausführungsbeispielen ist eine Dichtung zwischen dem Flüssigkeitsbehälter und einer Kopfplatte von zumindest einer der Kerneinheiten enthalten.In some embodiments, the liquid container is attached to at least one of the pair of core units by crimping. In some embodiments, a seal is included between the liquid container and a top plate of at least one of the core units.
Eine Wärmetauscheranordnung gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst zusätzlich einen Einlassbehälter und/oder einen Auslassbehälter, der an der anderen der ersten und zweiten Kopfplatten der einen aus dem Paar der Kerneinheiten dichtend befestigt ist.A heat exchanger assembly according to some embodiments of the invention additionally includes an inlet container and / or an outlet container which is sealingly secured to the other of the first and second head plates of the one of the pair of core units.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Wärmetauscheranordnung ein zweites Paar von Kerneinheiten benachbart zum ersten Paar in der Kern-Stapelrichtung von zumindest einer Kerneinheit. Einige derartige Ausführungsbeispiele umfassen einen strukturellen Rahmen, der das erste und das zweite Paar der Kerneinheiten abstützt. In einigen Ausführungsbeispielen definieren der Mittelbehälter und die Flüssigkeitsförderrohre des ersten Paars von Kerneinheiten zusammen einen ersten Flüssigkeitsströmungsweg und der Mittelbehälter und die Flüssigkeitsförderrohre des zweiten Paars von Kerneinheiten definieren zusammen einen zweiten Flüssigkeitsströmungsweg. Die ersten und zweiten Flüssigkeitsströmungswege sind in Bezug auf eine hindurchströmende Flüssigkeit parallel zueinander angeordnet.In some embodiments, the heat exchanger assembly includes a second pair of core units adjacent to the first pair in the core stacking direction of at least one core unit. Some such embodiments include a structural frame that supports the first and second pairs of core units. In some embodiments, the center tank and fluid delivery tubes of the first pair of core units together define a first fluid flow path, and the center tank and fluid delivery tubes of the second pair of core units together define a second fluid flow path. The first and second liquid flow paths are arranged parallel to each other with respect to a liquid flowing therethrough.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst der Wärmetauscher erste und zweite Kerneinheiten. Jede Kerneinheit weist einen Satz von im Wesentlichen parallelen Rohren auf, die sich in eine Richtung durch die Kerneinheit erstrecken. Jedes der Rohre weist einander gegenüberliegende erste und zweite Enden auf. Ein Kopf ist mit den ersten Enden aus dem Satz von im Wesentlichen parallelen Rohren verbunden, um eine flüssigkeitsdichte Dichtung zu bilden. Ein Behälter ist zwischen den ersten und zweiten Kerneinheiten angeordnet und weist gegenüberliegende Enden auf. Ein Kopf von jeder der ersten und zweiten Kerneinheiten ist in einen flüssigkeitsdichten Eingriff mit einem jeweiligen der gegenüberliegenden Enden gecrimpt. Der Behälter weist zumindest einen Innenraum in einer Flüssigkeitsverbindung mit Innenräumen der im Wesentlichen parallelen Rohre der ersten und zweiten Kerneinheiten auf. According to some embodiments of the invention, the heat exchanger comprises first and second core units. Each core unit has a set of substantially parallel tubes extending in one direction through the core unit. Each of the tubes has opposed first and second ends. A head is connected to the first ends of the set of substantially parallel tubes to form a liquid-tight seal. A container is disposed between the first and second core units and has opposite ends. A head of each of the first and second core units is crimped in a fluid-tight engagement with a respective one of the opposite ends. The container has at least one interior in fluid communication with interiors of the substantially parallel tubes of the first and second core units.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Warten eines Wärmetauschers das Trennen eines ersten Paars von Kerneinheiten von einem zweiten Paar von Kerneinheiten auf, wobei die ersten und zweiten Paare von Kerneinheiten durch einen gemeinsamen Rahmen abgestützt werden. Das Verfahren kann das Beenden der Flüssigkeitsverbindung zwischen Rohren des ersten Paars von Kerneinheiten und Rohren des zweiten Paars von Kerneinheiten durch Trennen des ersten Paars von Kerneinheiten vom zweiten Paar von Kerneinheiten umfassen. Das Verfahren kann ferner das Entfernen des ersten Paars von Kerneinheiten vom Rahmen umfassen, wobei das zweite Paar von Kerneinheiten im Rahmen an Ort und Stelle bleibt.According to another embodiment of the invention, a method of servicing a heat exchanger comprises separating a first pair of core units from a second pair of core units, the first and second pairs of core units being supported by a common frame. The method may include terminating fluid communication between tubes of the first pair of core units and tubes of the second pair of core units by separating the first pair of core units from the second pair of core units. The method may further include removing the first pair of core units from the frame, wherein the second pair of core units remain in place in the frame.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Bevor die Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert erläutert werden, sei angemerkt, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und Anordnung von Komponenten beschränkt ist, die in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt oder in den nachfolgenden Zeichnungen veranschaulicht sind. Die Erfindung kann andere Ausführungsbeispiele aufweisen und kann auf unterschiedliche Arten praktiziert oder ausgeführt werden. Darüber hinaus ist es selbstverständlich, dass die hierin verwendete Phraseologie und Terminologie zum Zwecke der Beschreibung dient und nicht als Beschränkung angesehen werden sollte. Die Verwendung von „beinhalten”, „umfassen” oder „aufweisen” und Variationen davon soll hierin die danach aufgelisteten Elemente und deren Äquivalente sowie zusätzliche Elemente umfassen. Wenn nicht anders angegeben oder ansonsten beschränkt, werden die Begriffe „montiert”, „verbunden”, „abgestützt” und „gekoppelt” und Variationen davon allgemein verwendet und umfassen sowohl direkte als auch indirekte Montagen, Verbindungen, Abstützungen und Kopplungen. Ferner sind „angeschlossen” und „gekoppelt” nicht auf physikalische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.Before the embodiments of the invention are explained in detail, it is to be understood that the invention is not limited in its application to the details of construction and arrangement of components set forth in the following description or illustrated in the following drawings. The invention may have other embodiments and may be practiced or practiced in various ways. In addition, it is to be understood that the phraseology and terminology used herein are for the purpose of description and should not be considered as limiting. The use of "including," "comprising," or "comprising," and variations thereof, is intended herein to include the elements listed thereafter and their equivalents, as well as additional elements. Unless otherwise stated or otherwise limited, the terms "mounted," "connected," "supported," and "coupled" and variations thereof are used broadly and include both direct and indirect mounts, connections, supports, and couplings. Further, "connected" and "coupled" are not limited to physical or mechanical connections or couplings.
Eine Wärmetauscheranordnung
Jede Kerneinheit
Die Luftrippen
Der in
Die ersten und zweiten Kopfplatten
Die ersten und zweiten Seitenstücke
Das Ausführungsbeispiel von
Um eine unerwünschte Flüssigkeitsleckage aus der Wärmetauscheranordnung während des Betriebs zu verhindern, kann eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen den Behältern
Die Wärmetauscheranordnung
Im Zwischenbehälter
Der beispielhafte Zwischenbehälter
Durch eine derartige Verbindung des Zwischenbehälters
In einem alternativen Ausführungsbeispiel
Der strukturelle Rahmen
Durch die Verwendung einer wie oben beschriebenen Wärmetauscheranordnung
Mit weiteren Bezug auf die Wärmetauscheranordnung
Eine wie oben beschriebene Wärmetauscheranordnung kann als Motorkühlflüssigkeitskühler zur Verwendung unter anderem in großen Maschinen, wie z. B. Landwirtschafts-, Bau- und Bergbaumaschinen, Verwendung finden. In einigen Ausführungsbeispielen wird ein solcher Kühler verwendet, um Wärme aus einer Strömung einer durch die Rohre der Kerneinheiten strömenden Kühlflüssigkeit auf eine Luftströmung zu abzuleiten, die über die Luftrippen und die anderen Flächen der Rohre gerichtet ist. Es ist jedoch selbst verständlich, dass eine Wärmetauscheranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls in anderen Einsatzgebieten Anwendung finden kann.A heat exchanger assembly as described above may be used as engine cooling liquid coolers for use, inter alia, in large machinery such. As agricultural, construction and mining equipment, use. In some embodiments, such a cooler is used to dissipate heat from a flow of cooling fluid passing through the tubes of the core units to an airflow that is directed over the air fins and the other surfaces of the tubes. However, it is self-evident that a heat exchanger assembly according to the present invention may also find application in other applications.
Durch die Verwendung einer wie oben beschriebenen Wärmetauscheranordnung können mehrere Vorzüge realisiert werden. Als ein Beispiel kann eine hoch effektive hartgelötete Rohr- und Rippenkernbauweise verwendet werden, um eine Wärmetauscheranordnung zu schaffen, die einen größeren Oberflächenbereich aufweist, der in einem verfügbaren Hartlötofen untergebracht werden kann. Die Wärmetauscheranordnung kann somit aus kompakten Kerneinheiten zusammengesetzt sein, die mit einem minimalen Luftstau oder Bypass kompakt zusammengepackt sind. Als weiteres Beispiel können einzelne Kernabschnitte der Wärmetauscheranordnung bei Beschädigung ausgetauscht werden, ohne dass die gesamte Wärmetauscheranordnung ersetzt werden muss, wodurch sich die Reparatur- und Austauschkosten reduzieren.By using a heat exchanger arrangement as described above, several advantages can be realized. As an example, a highly effective brazed tube and finned core design can be used to provide a heat exchanger assembly that has a greater surface area that can be accommodated in an available brazing furnace. The heat exchanger assembly may thus be composed of compact core units that are compactly packed together with a minimum airflow or bypass. As another example, individual core sections of the heat exchanger assembly may be replaced in the event of damage without having to replace the entire heat exchanger assembly, thereby reducing repair and replacement costs.
Diverse Alternativen zu bestimmten Merkmalen und Elementen der vorliegenden Erfindung wurden hierin mit Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Mit Ausnahme von Merkmalen, Elementen und Funktionsweisen, die sich gegenseitig ausschließen oder mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel inkonsistent sind, sollte beachtet werden, dass die alternativen Merkmale, Elemente und Funktionsweisen, die mit Bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, bei den anderen Ausführungsbeispielen anwendbar sind.Various alternatives to certain features and elements of the present invention have been described herein with respect to specific embodiments of the present invention. With the exception of features, elements, and operations that are mutually exclusive or inconsistent with the embodiment described above, it should be understood that the alternative features, elements, and functions described with respect to a particular embodiment are applicable to the other embodiments are.
Die oben beschriebenen und in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiele wurden lediglich beispielhaft vorgestellt und sind nicht als Beschränkung der Konzepte und Prinzipien der vorliegenden Erfindung bestimmt. Der Durchschnittsfachmann wird schlechthin erkennen, dass diverse Änderungen bei dem Elementen und deren Aufbau und Anordnung möglich sind, ohne vom Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.The embodiments described above and illustrated in the figures have been presented by way of example only and are not intended to limit the concepts and principles of the present invention. One of ordinary skill in the art will recognize that various changes in the elements and their construction and arrangement are possible without departing from the spirit and scope of the present invention.
Diverse Merkmale und Vorzüge der Erfindung sind in den folgenden Ansprüchen dargelegt.Various features and advantages of the invention are set forth in the following claims.
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