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Wärmeaustauscher, der durch gegenseitiges Zusammenstecken einander
gleicher Elemente gebildet wird, die aus paarweise miteinander vereinigten Schalen
bestehen Die Erfindung betrifft einen insbesondere zur Herstellung von Kühlern für
die Motoren von Kraftfahrzeugen bestimmten Wärme.austauscher.
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Derartige Kühler werden vielfach aus einzelnen auswechselbaren Wärmeaustauschelementen
zusammengesetzt. Die Austauschbarkeit hat den Vorzug, daß der Kühler leicht instand
gesetzt werden kann, indem das undichte Element herausgenommen und durch ein neues
ersetzt oder nach Instandsetzung, die am einzelnen Element ohne Schwierigkeiten
durchführbar ist, wieder eingebaut wird. Die Elemente bestehen aus Rohren oder Hohlkörpern
mit mehreren getrennten, nur im Bereich von Sammelkammern sich vereinigenden Kanälen,
die außen mit Rippen für den indirekten Wärmeaustausch versehen sind. Die Herstellung
dieser Hohlkörper ist wegen der Rippen an ihrer Außenfläche schwierig. Die Erfindung
hat sich die Aufgabe gestellt, diese Herstellung zu vereinfachen. Sie geht dabei
von der Erkenntnis aus, daß es nicht erforderlich ist, die Rippen an der Oberfläche
der Hohlkörper zu befestigen, wenn ein an sich bekanntes; Flächen für den indirekten
Wärmeaustausch aufweisendes - Gebilde zwischen zwei angrenzenden Hohlkörpern eingeklemmt
wird und die miteinander fluchtenden Überströmöffnungen der Sammelkammern dieser
Hohlkörper mit Verbindungsgliedern versehen werden, die ein Zusammenstecken der
Hohlkörper mittels dieser Sammelkammern derart ermöglichen, daß die erwähnte Klemmwirkung
erzielt werden kann.
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Die bekannten Wärmeaustauschelemente eignen sich für diesen Zweck
nicht. Dort stützen sich die Sammelkammern des einen Elementes gegen diejenigen
des angrenzenden mittels Distanzmuffen ab. Durch Zugstangen, die durch die Kammern
durchgeführt sind, können die Kappen, welche die äußeren Überströmöffnungen eines
Bündels von zwei oder mehr Elementen abdecken und von denen die eine als Zufuhrleitung
ausgebildet ist, miteinander verspannt werden, so daß die Stirnflächen der Distanzmuffen
fest gegen die die überströmöffnungen der Sammelkammern umgebenden Flächen gepreßt
werden. An den Überströmöffnungen sind nach innen gerichtete Zargen vorgesehen,
die radiale Ringflächen für die Auflage von Dichtungen aufweisen, die auf entsprechenden
Dichtflächen der Distanzmuffen ruhen. In die Sammelkammern eingelegte gelochte Versteifungsringe
sorgen dafür, daß die Sammelkammern nicht unter dem Druck der gegeneinander gespannten
Kappen zusammengedrückt werden.
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Die Distanzmuffen schaffen einen unveränderlichen Abstand zwischen
den Hohlkörpern. Mit diesem Abstand müßte die Breite des zwischen die Hohlkörper
gelegten, die Flächen für den indirekten Wärmeaustausch besitzenden Gebildes genau
abgestimmt sein, wenn eine Klemmwirkung zustande kommen sollte. Diese Genauigkeit
läßt sich nicht erzielen, zumal das Gebilde aus dünnem Blech bestehen muß und in
der Breite daher eine entsprechende Elastizität hat.
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Der erwähnte Abstand ist auch dann unveränderlich, wenn die Distanzmuffe
mit einem der Hohlkörper in bekannter Weise aus einem Stück besteht, wobei der Zusammenhalt
zwischen den angrenzenden Elementen dadurch erzielt wird, daß das Element, gegen
welches sich die Muffe abstützt, gleichfalls eine Muffe kleineren Durchmessers besitzt,
die in die erstgenannte hineinreicht und nach dem Zusammenbau mit einer nach außen
gedrückten Sicke versehen wird, die in eine entsprechende Sicke der umgebenden Muffe
hineinfaßt.
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An sich sind harmonikaartige Blechstreifen für die Bildung von Flächen
für den indirekten Wärmeaustausch bekannt, die zwischen den einzelnen Wärmeaustauschelementen
angeordnet sind und mit ihren
Faltkanten die Oberflächen dieser
Elemente berühren. Diese Streifen werden aber nicht durch Zusammenpressen der Elemente
zwischen diesen eingeklemmt, sondern sind an einem der Elemente angelötet. Hierbei
ist nicht gewährleistet, .daß das andere Element von den Faltkanten der Blechstreifen
innig berührt wird, so daß die Gefahr besteht, daß der Wärmeübergang an diesen Stellen
unzureichend ist.
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Die Erfindung geht -von einem Wärmeaustauscher aus, der in der oben.
-beschriebenen Weise durch gegenseitiges Zusammenstecken einander gleicher Elemente
gebildet wird, die aus paarweise miteinander vereinigten Schalen bestehen, welche
mindestens einen Wärmeaustauschkanal und zwei an dessen Enden angeschlossene Sammelkammern
bilden, wobei an den 17berströmöffnungen der Sammelkammern Dichtungen tragende Zargen
für das Zusammenstecken der Elemente vorgesehen, in den Semmelkammem sich gegen
im Bereich ihrer überströmöffnungen angeordnete Stützflächen abstützende gelochte
Versteifungsringe vorgesehen und die Elemente durch die Sammelkammern durchquerende,
an ihren Enden mit Kappen versehene Zugstangen zusammenspannbar sind, wobei mindestens
eine der Kappen als Zufuhrleitung ausgebildet ist. Die Erfindung besteht darin,
daß nur an jeweils einer der zueinander fluchtend angeordneten überströmöffnungen
jedes Element eine in die zargenlose überströmöffnung des angrenzenden -Elements
einsteckbare Zarge vorgesehen ist und metallische Rippen in Form härmonikaartig
gefalteter Streifen, deren die Faltstellen- bildende Kanten sich dem Profil der
Wärmeaustauschkanäle anschmiegen, mittels - der Zugstangen zwischen die Wärmeaustauschkanäle-der
miteinander benachbarten Elemente geklemmt sind.
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Die Zugstangen werden also. nicht nur in üblicher Weise dazu benutzt"
.:die Elemente zusammenzuspannen, sondern dienen auch gleichzeitig dazu, die harmonikaartig
gefalteten Blechstreifen zwischen den Elementen einzuklemmen, so daß ihre Faltkanten
die Oberflächen innig berühren, wodurch ein sehr guter indirekter Wärmeaustausch
gewährleistet ist. Der Abstand zwischen- den Elementen. ist dabei nicht unveränderlich
wie bei den oben geschilderten vorbekannten Bauformen, sondern er wird durch eine
zusammendrückbare Dichtung bestimmt, die so viel Spielraum gewährt, daß bei einem
Zusammenspannen der Elemente auf die Blechstreifen ein Klemmdruck ausgeübt werden
kann.
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Für besondere Zwecke kann jedes Element mehrere Wärmeaustauschkanäle
_ verschiedenen Querschnitts besitzen.
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Um den Wärmeübergang zwischen den Faltkanten der Streifen und den
.Oberflächen der Elemente, der zwar durch das Einklemmen derselben ohnehin schon
ausreichend gut ist, noch weiter zu verbessern, können sowohl die Elemente als auch
die Rippen mit einem Leim hoher Wärmeleitfähigkeit überzogen sein. Die Verwendung
von gut haftendem elastischem Material zur Ausfüllung der Zwischenräume zwischen
einem Wärmeaustauschrohr und einem dieses umkleidenden Rippenrohr ist an sich bekannt.
Bei einer Bauform gemäß der Erfindung ist aber diese Maßnahme noch nicht angewendet
worden. Die Leimschicht hat nicht nur die Aufgabe, etwa noch bestehende kleinste
Zwischenräume zwischen den Faltkanten der Streifen und der Oberfläche- der Austauschelemente
auszufüllen, sondern sie soll- auch eine Schutzschicht für das ganze Bündel von
Elementen gegen äußere Einflüsse bilden, was gerade bei Kühlern von Kraftfahrzeugen
wichtig ist.
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Die. Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielshalber erläutert.
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Fig. 1 ist eine -Seitenansicht eines Elementes des erfindungsgemäßen
Austauschers; Fig. 2 ist eine der Fig. 1 entsprechende, um 90° gedrehte Ansicht
eines derartigen Elements; Fig. 3 und 4 sind Schnitte längs der Linie III-111 bzw.
IV-IV der Fig. 1; Fig. 5 ist ein der Fig.4 entsprechender Schnitt einer Abwandlung;
Fig.6 ist eine schematische Vorderansicht eines aus den Elementen der vorhergehenden
Figuren hergestellten Austauscherbündels; Fig. 7 ist eine geschnittene Teilansicht
in größerem Maßstab, welche den Zusammenbau der Austauscherelemente zeigt; Fig.
8 ist eine schaubildliche Ansicht einer Ausführungseinzelheit; Fig. 9 ist eine Vorderansicht
einer Ausführungseinzelheit eines der in Fig. 7 dargestellten Teile in größerem
Maßstab; Fig.10 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen, einen Kühler bildenden
Austauschers; Fig. 11 ist eine Ansicht längs der Linie XI-XI der Fig. 10; Fig. 12
ist ein der Fig.5 entsprechender Schnitt einer Ausführungsabwandlung.
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Der dargestellte Wärmeaustauscher wird dadurch hergestellt, daß nebeneinander
liegend eine beliebige Zahl von Austauschrohren mit Vielfachkanälen zusammengebaut
wird, welche vorzugsweise in der in Fig. 1 bis 4 dargestellten Weise ausgeführt
sind. Diese Rohre bestehen aus zwei vorher auf geeignete Weise geformten Schalenhälften
1 und z. Bei gewissen Formungsverfahren kann die Verbindung der Schalenhälften auch
vor der eigentlichen Formung der nachstehend beschriebenen Kurven und Ansätze erfolgen.
Für die Herstellung dieser Schalenhälften werden zweckmäßig Folien oder gewalzte
Metallplatten benutzt, welche z. B. aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bestehen
und auf geeignete Weise so gezogen oder geformt werden, daß in der Nähe ihrer Enden
rohrförmige Ansätze 3, 4, 3 a, 4 a und zwischen diesen Nuten 5,
5 a entstehen. Die Schalenhälften bilden außerdem kontinuierliche ebene Umfangsstreifen
6, 6 a.
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Wie dies insbesondere aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, werden die Schalenhälften
1 und 2 anschließend zusammengesetzt, was leicht z. B. durch Schweißen, Schmieden,
Kleben oder auf andere geeignete Weise erfolgen kann, welche insbesondere von der
Art des Werkstoffs der Schalenhälften abhängt.
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In Fig.3 und 4 führt das Zusammenlegen der Schalenhälften 1 und 2
zum Zusammenfallen der Nuten 5, 5a, so daß Wärmeaustauschkanäle 8 entstehen, welche
die Sammelkammern 9 miteinander verbinden, welche ihrerseits zwischen den rohrförmigen
Ansätzen 3, 3 a und 4, 4 a entstehen. Zur Herstellung der Abdichtung.
zwischen den Wärmeaustauschkanälen 8 werden die miteinander in Berührung kommenden,
zwischen diesen Kanälen liegenden Abschnitte der Schalenhälften 1 und 2 miteinander
verschweißt.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann offenbar eine beliebige
Zahl von Wänneaustauschkanälen
8 hergestellt werden. So zeigt Fig.
5 eine Ausführungsform mit drei Rohren B.
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Für den leichten Zusammenbau der obigen Austauscherelemente bilden
die rohrförmigen Ansätze 3 a, 4 a Zargen 9 a, welche teilweise in die rohrförmigen
Ansätze 3 und 4 eines benachbarten Austauscherelements eingesteckt werden. Diese
Ausführungsform ist in Fig. 7 dargestellt.
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Zur Bildung eines Austauscherbündels geht man folgendermaßen vor:
Auf die Zargen 9 a werden zunächst aus plastischem Werkstoff bestehende Dichtungen
10 aufgeschoben, worauf in die Sammelkammern 9 gelochte Ringe 11 eingelegt werden,
welche ebenfalls aus plastischem Werkstoff bestehen können.
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Fig.8 zeigt eine Ausführungsform eines dieser Ringe, welche Zwischenstücke
bilden sollen, welche eine Verformung der von den Austauscherelementen gebildeten
rohrförmigen Ansätze während des Zusammensetzens des Bündels verhindern sollen.
Diese Ringe bestehen zweckmäßig aus einem Metall, welches mit einer Schicht aus
plastischem Werkstoff überzogen ist, damit sie nicht durch das Strömungsmittel angefressen
oder erweicht werden, wie dies vorkommen könnte, wenn die Ringe vollständig aus
plastischem Werkstoff bestehen würden und das Strömungsmittel eine in der Nähe der
Erweichungstemperatur dieses Werkstoffs liegende Temperatur erreichen könnte.
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Nach Vornahme dieser vorbereitenden Arbeitsgänge werden die vorspringenden
Teile der Zargen 9 a der verschiedenen Austauscherelemente nacheinander in die rohrförmigen
Ansätze 3 und 4 der benachbarten Austauscherelemente eingesteckt, so daß ein Bündel
mit der gewünschten Elementenzahl entsteht. Die Elemente werden anschließend mittels
einer Zugstange 12 festgezogen, welche vorzugsweise aus einem plastischen, innen
bewehrten Werkstoff besteht und in eine Kappe 13 eingeschraubt ist, welche ebenfalls
aus bewehrtem oder unbewehrtem plastischem Werkstoff hergestellt sein kann. Die
Zugstange 12 wird mittels einer Mutter 14 festgezogen, welche sich auf einer Auflagefläche
15 abstützt, welche innerhalb einer Anschlußmuffe 16 gebildet ist, welche auf der
anderen Seite des Bündels angeordnet ist und ebenfalls aus bewehrtem oder unbewehrtem
plastischem Werkstoff hergestellt sein kann.
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Wie aus Fig. 6 hervorgeht, wird der gleiche Zusammenbau an dem unteren
Teil des Bündels vorgenommen, welches so ein starres Ganzes bildet.
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Um außerdem den Wärmeaustausch zwischen dem in den Wärmeaustauschkanälen
8 der Elemente des Austauschers strömenden Strömungsmittel und dem außerhalb dieser
Elemente befindlichen Mittel zu begünstigen sowie zur Vergrößerung der Widerstandsfähigkeit
gegen den etwa im Innern der Wärmeaustauschkanäle 8 herrschenden Druck werden vorzugsweise
sekundäre Austauschglieder vorgesehen, welche zweckmäßig die Form von Metallrippen
17 haben, welche harmonikaartig gefaltet und zwischen den benachbarten Austauscherelementen
des Bündels angeordnet sind. Damit die Rippen 17 eine genau bestimmte Lage einnehmen,
weisen ihre gefalteten Teile 17 a zweckmäßig Ausbauchungen 17 b auf, deren Form
zu der der von den gegenüberliegenden Seiten der Austauscherelemente begrenzten
Fläche komplementär ist (Fig.9), wodurch außerdem die Berührungsfläche zwischen
diesen Elementen und den die sekundären Austauschflächen bildenden Rippen vergrößert
wird. Die Rippen 17 können natürlich aus verschiedenen Werkstoffen bestehen,
insbesondere aus Aluminium, Aluminiumlegierung, Kupfer, Eisen oder anderen Metallen
mit einem geeigneten Wärmeleitkoeffizienten. Außerdem können die Rippen 17 Durchbrechungen
und/oder Wellungen zur Vergrößerung der Konvektionskoeffizienten aufweisen.
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Wie in Fig. 10 dargestellt, eignen sich die auf die obige Weise ausgebildeten
Austauschbündel zur Herstellung von Kühlern der bei Kraftfahrzeugen benutzten Art.
Es braucht nämlich nicht mehr wie bei den bekannten Modellen ein unterer Wasserkasten
vorgesehen zu werden, und ein oberer Wasserkasten kann bequem an dem oberen Teil
des Bündels angebracht werden. Dieser in Fig. 10 mit 18 bezeichnete Wasserkasten
ist aus Preßstoff hergestellt und weist Krümmer 16 a auf, welche wie die Muffe 16
der Fig. 7 beiderseits des Bündels angeordnet sind.
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Wie dies insbesondere aus Fig.11 hervorgeht, bilden die Seiten des
Wasserkastens 18 zweckmäßig Leisten 19 zur Befestigung von Seitenteilen 20, welche
außerdem an einer entsprechenden Leiste 19a der unteren Anschlußmuffen befestigt
sind. Die Seitenteile 20 dienen zur Versteifung des Kühlerbündels und zur Befestigung
desselben z. B. an einem Fahrzeug. Hierfür weisen diese Seitenteile einen umgebogenen
Rand 21 mit Löchern für den Durchtritt von Befestigungsgliedern auf.
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Fig.12 zeigt eine andere Ausführungsform, bei welcher die Schalenhälften
so ausgebildet sind, daß Wärmeaustauschkanäle 8 a, 8 b, 8 c mit verschiedenem
Querschnitt entstehen, was die Herstellung von besonderen Bündeln ermöglicht, in
welchen der Wärmeaustausch nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten verlaufen soll.
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Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung eine beträchtliche
Vereinfachung der Arbeitsgänge ermöglicht, welche bisher zur Herstellung der bekannten
Kühlerrohrbündel erforderlich waren, wobei es außerdem möglich wird, Kühler insbesondere
aus Leichtlegierung und plastischem Werkstoff herzustellen, welche den Vorteil besitzen,
zum etwaigen Ersatz von beschädigten oder abgenutzten Teilen auseinandernehmbar
zu sein.
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Die Erfindung kann natürlich abgewandelt werden. So kann insbesondere
die Verbindung zwischen den ein jedes Austauscherelement bildenden Schalenhälften
1 und 2 auf andere als auf die beschriebene Weise erfolgen. Diese Platten können
nämlich durch Verklammerung vereinigt werden, indem ihre Randstreifen 6, 6 a aufeinander
umgebogen werden. Ferner ist es in gewissen Fällen zweckmäßig, die Rippen 17 und
die Austauscherelemente durch Kleben miteinander zu vereinigen. Es ist dann zweckmäßig,
dieses Kleben durch Eintauchen des fertigen Bündels in ein Bad aus einem geeigneten
Leim vorzunehmen, welcher einen guten Wärmeübergangskoeffizienten hat. Der Leim
bildet dann eine Schutzschicht für das gesamte Bündel.