DE19509788A1 - Doppelrohrwärmetauscher und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Doppelrohrwärmetauscher, beste­ hend aus zwei koaxial ineinandergesetzten Rohren, insbesonde­ re aus Aluminium, die an ihren Enden miteinander zur Bildung eines zwischen ihnen liegenden Strömungskanales dicht verbun­ den sind, wobei in den Strömungskanal gegebenenfalls eine Turbulenzeinlage eingesetzt ist, sowie ein Verfahren zu sei­ ner Herstellung.

Doppelrohrwärmetauscher dieser Art sind bekannt. So zeigt beispielsweise die DE-OS 30 21 240 einen aus nichtrostendem Stahl bestehenden Doppelrohrwärmetauscher, bei dem die beiden Stahlrohre an ihren Enden mit Hilfe eines Schmelzschweißver­ fahrens miteinander verbunden sind. Zu diesem Zweck ist dort das innere Rohr in seinem Endbereich aufgeweitet, und zwar so weit, daß der aufgeweitete Teil des Innenrohres über eine be­ stimmte Länge parallel zum Außenrohr verläuft. In diesem Be­ reich ist die Schweißung vorgenommen. Zwischen beiden Rohren sitzt eine Turbulenzeinlage. Bei der Herstellung dieses Dop­ pelrohrwärmetauschers wird dabei so vorgegangen, daß nach dem Anbringen an Anschlußstücken am Außenrohr mit Hilfe eines Buckelschweißverfahrens die beiden Rohre mit Hilfe einer Vor­ richtung auf Abstand ineinandergeschoben werden, wonach dann die Enden des inneren Rohres durch Anwendung von Druck so weit aufgeweitet werden, daß sie am Außenrohr zum Zweck der Verschweißung anliegen. Eine solche Herstellungsart ist ver­ hältnismäßig aufwendig.

Aus der DE-OS 26 12 416 ist ein ähnlich aufgebauter Doppel­ rohrwärmetauscher bekannt, bei der ebenfalls die Enden des Innenrohres zum Zweck der Verschweißung nach außen aufgebogen werden, bis sie am Außenrohr anliegen.

Bei einer anderen Bauart nach der DE 39 12 534 A1 werden die Enden des Außenrohres so weit eingezogen, daß sie am Innen­ rohr durch ein Schutzgasschweißverfahren befestigt werden können. Auch bei dieser Bauart ist aber zunächst eine koaxia­ le Ausrichtung der beiden Rohre erforderlich. Vor allen Din­ gen besteht die Gefahr einer Korrosion der Schweißnähte, wenn nicht ein relativ aufwendiges, korrosionsbeständiges Aus­ gangsmaterial vorgesehen wird.

Aus der DE 31 33 756 C2 schließlich ist eine Bauart eines Doppelrohrwärmetauschers mit zwei koaxialen Rohren und einer dazwischen angeordneten Turbulenzeinlage bekannt, bei der die beiden Rohre durch ein stirnseitig aufsteckbares Anschluß­ stück sowohl auf Abstand gehalten, als auch gegeneinander ab­ gedichtet sind. Diese Bauart macht einen Schweißvorgang nicht notwendig, jedoch die Herstellung und die Montage eines ver­ hältnismäßig aufwendigen Aufsteckendstückes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelrohr­ wärmetauscher der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, die insbesondere für die Verwendung von Aluminium als Ausgangsmaterial geeignet sind, einen aufwendigen Montagevorgang überflüssig machen und auch die Gefahr einer Korrosion vermeiden.

Zur Lösung eines Teiles dieser Aufgabe wird ein Doppelrohr­ wärmetauscher der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem an beiden Enden der Rohre mindestens ein von mindestens einem der Rohre abragender umlaufender wulstartiger Bund vor­ gesehen ist, dessen Höhe der Differenz der Radien der Innen­ wand des äußeren und der Außenwand des inneren Rohres ent­ spricht und bei dem die Bunde dicht mit der Rohrwand verlötet sind, an der sie anliegen. Durch diese Ausgestaltung brauchen die beiden Rohre nur axial übereinandergeschoben werden, wo­ bei sich bei diesem Vorgang bereits der notwendige Ringraum zwischen den Rohren bildet. Eine gesonderte Ausrichtung ist nicht notwendig, da die Bunde diese Ausrichtung übernehmen. Die Bunde dienen gleichzeitig zur dichten Verlötung, wobei nach dem erfindungsgemäß vorgesehenen und später noch erläu­ terten Verfahren zweckmäßig das sogenannte Nocolok-Lötver­ fahren (siehe SAE Technical Paper Series, Claydon und Sugiha­ ra, Brazing Aluminium Automotive Heat Exchanger Assemblies Using a Non-Corrosive Flux Process, International Congress & Exposition Detroit USA, 28. Februar bis 04. März 1983) ver­ wendet wird, bei dem ein Flußmittel verwendet wird, das nach dem Löten nicht korrodierend ist und dessen Rückstände daher auch nicht entfernt zu werden brauchen. Es ist notwendig, daß zumindest eines der später ineinanderzufügenden Rohre aus ge­ eignetem lotplattiertem Material besteht und an den zu verlö­ tenden Stellen mit Nocolok-Flußmittel versehen wird. Es kön­ nen entweder beide Rohre oder nur eines entsprechend plat­ tiert werden. Möglich ist es auch, die Turbulenzeinlage zu plattieren.

In Weiterbildung der Erfindung kann jeder wulstartige Bund aus dem Material des Rohres kurz vor dessen Ende in der Art einer umlaufenden Sicke herausgedrückt sein. Möglich ist es dabei, daß jedes Rohr nur an einem Ende mit einem Wulst ver­ sehen wird, wobei die Wülste dann beim Ineinanderstecken der Rohre einander gegenüberliegen und zwischen sich den Strö­ mungskanal einschließen. Möglich ist es aber auch, nur ein Rohr mit zwei Wulsten zu versehen und das andere Rohr glatt zu lassen. Auch ein Rollieren zur Bildung der Wülste ist mög­ lich.

Bei der Herstellung eines Doppelrohrwärmetauschers der vorher genannten Art hat sich ein Verfahren als besonders vorteil­ haft erwiesen, bei dem an mindestens einem der Rohre zunächst im Bereich der Enden aus dem Rohrmaterial bundartige Wülste herausgedrückt werden, dann mindestens eines der Rohre vor oder nach dem Herausdrücken der Wülste oder gegebenenfalls auch die Turbulenzeinlage mit einem Nocolok-Flußmittel beauf­ schlagt wird, dann die beiden Rohre übereinandergeschoben und durch die Wülste auf Abstand gehalten werden, wonach dann die so aneinandergehaltenen Rohre zum Zweck des Verlötens erhitzt werden.

Der neue Doppelrohrwärmetauscher eignet sich besonders als Ölkühler zum Einbau in einen Wasserkasten eines Kühlers für einen Kraftfahrzeugmotor.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Doppelrohrwärmetauscher nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des linken Endes des Wärmetauschers der Fig. 1,

Fig. 3 einen Doppelrohrwärmetauscher nach der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 4 eine Detaildarstellung des linken Endes eines Doppel­ rohrwärmetauscher in einer dritten Variante,

Fig. 5 einen in den Sammelkasten eines Kühlers eines Kraft­ fahrzeugmotors integrierten Doppelrohrkühler nach der Erfindung und

Fig. 6 eine Variante eines in einen Sammelkasten nach Fig. 5 eingebauten Doppelrohrkühlers.

In der Fig. 1 ist ein als Doppelrohrölkühler ausgebildeter Doppelrohrwärmetauscher gezeigt, der aus einem Außenrohr (1) und einem Innenrohr (2) jeweils aus lotplattiertem Aluminium besteht. Die Rohre sind dabei aus einem nach dem Plattieren zur Rohrform gebogenen und mit einer Längs-Schweißnaht zusam­ mengefügten Flachmaterial hergestellt. Auf das Außenrohr sind dabei in an sich bekannter Weise zwei Anschlußstutzen (3 und 4) aufgesetzt, durch die im Sinn der Pfeile (5) Öl, bei­ spielsweise heißes Motor- oder Getriebeöl, in einen ringför­ migen Strömungskanal (6) zwischen Außenrohr und Innenrohr (1 bzw. 2) geführt werden kann, das durch ein zweites Wärme­ tauschmedium, im Ausführungsbeispiel Wasser, gekühlt werden soll, das durch das Innenrohr (2) geführt wird und im Sinn des Pfeiles (7) in jenes eintritt. In dem ringförmigen Strö­ mungskanal (6) zwischen den Rohren (1 und 2) strömt das Öl durch den Einlaßstutzen (3) und durch eine nicht näher ge­ zeigte Eintrittsöffnung im Rohr (1) ein und verläßt diesen Strömungskanal durch den Auslaßstutzen (4) und durch eine ebenfalls nicht näher gezeigte Öffnung im Außenrohr (1). Der Strömungskanal (6) ist mit einer Turbulenzeinlage (8) verse­ hen, die in bekannter Weise ausgebildet ist. Der Strömungs­ kanal (6) wird nach außen durch einen umlaufenden wulstarti­ gen Bund (9) begrenzt, der in der Form einer umlaufenden Sik­ ke (siehe auch Fig. 2) aus dem Innenrohr (2) im Bereich des linken Endes (2a) desselben herausgedrückt ist. Die Höhe (h) (Fig. 2) dieses Bundes (9) entspricht dabei der Differenz der Radien (r₁) der inneren Wand des Außenrohres (1) und dem Ra­ dius (r₂) der Außenwand des Innenrohres (2), wobei ein Spiel in der Größenordnung von 1/10-2/10 mm verbleibt, um bei der Montage das Ineinanderschieben der Rohre leicht zu ermögli­ chen und ein Abschaben der Flußmittel- bzw. Lötschicht bei diesem Vorgang zu vermeiden.

Bei der Herstellung des Doppelrohrölkühlers der Fig. 1 wird so vorgegangen, daß zunächst das Innenrohr (2) im Bereich seiner beiden Enden mit den sickenförmig herausgedrückten Bunden (9 bzw. 10) versehen wird. Das Innenrohr (2) oder das Außenrohr (1) werden dann mit Flußmittel versehen und nach dem Anordnen der Turbulenzeinlage (8) zwischen den Bunden (9 und 10) wird das Außenrohr (1) axial aufgeschoben. Es wird dann in der Regel noch ein Aufweiten des Innenrohres (2) vor­ gesehen werden, um das Turbulenzblech (8) in dem ringförmigen Strömungskanal (6) in eine verlötbare Anlage an den Rohrwan­ dungen zu bringen. Danach wird die so hergestellte Anordnung im Lötofen auf die notwendige Temperatur erhitzt, so daß dichte Lötstellen im Bereich der Bunde (9 und 10) und natür­ lich auch im Bereich der aufgesetzten Anschlußstutzen (3 und 4) entstehen. Nach dem Abkühlen ist der Doppelrohrwärmetau­ scher fertig.

Es ist auch möglich, eine beidseitig lotplattierte Turbu­ lenzeinlage (8) im Bereich des Strömungskanals ausschließlich mit Flußmittel zu beaufschlagen. In diesem Fall werden dann nur noch die äußeren Ringspalte der Rohre mit Flußmittel be­ pinselt. Das zum Erreichen eines dichten Doppelrohrkühlers notwendige Lot kommt dabei (größtenteils) von dem entspre­ chenden lotplattierten Rohr.

Die Fig. 3 zeigt eine Abwandlung insofern, als hier das Au­ ßenrohr (1′) im Bereich seines rechten Endes mit einem sik­ kenartig nach innen gedrückten umlaufenden Bund (10′) verse­ hen ist, während das Innenrohr (2) ausschließlich an seinem linken Ende mit dem nach außen gerichteten Bund (9) versehen ist. Beide Bunde (9 und 10′) sind dabei so, wie der Bund (9) und wie vorher beschrieben, dimensioniert, so daß sich bei der Herstellung, die Turbulenzeinlage (8) in Rohrform auf das Innenrohr (2) aufschieben läßt, bis sie am Bund (9) zur Anla­ ge kommt. Danach kann das Außenrohr (1′) axial von rechts nach links, d. h. in Richtung des Pfeiles (7) auf das Innen­ rohr (2) und auf die Turbulenzeinlage (8) aufgeschoben wer­ den, bis die Rohrenden fluchten. Der Lötvorgang wird dann in der gleichen Weise durchgeführt, wie vorher erläutert. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, daß sich auch die Tur­ bulenzeinlage axial aufschieben läßt, so daß eine verhältnis­ mäßig einfache Montage möglich wird.

Die Fig. 4 zeigt eine Variante insofern, als hier ein glattes Außenrohr (1) (wie in Fig. 1) vorgesehen ist, daß jedoch das Innenrohr (2′) an seinem linken Ende einen nach außen rol­ lierten Bund (11) aufweist, dessen Abmessungen jenen des Bun­ des (9) entsprechen. Auch durch diesen rollierten Bund (11) wird eine Anlage und Führung des Außenrohres (1) bei der Mon­ tage erreicht. Gleichzeitig dient dieser Bund (11) als Ab­ dichtstelle nach dem Lötvorgang. Auch bei dieser Ausführungs­ form kann das Innenrohr (2′) an beiden Enden mit einem nach außen rollierten Bund (11) versehen werden. Möglich ist auch die Anordnung nur des gezeigten linken rollierten Bundes (11), während das Außenrohr (1) einen nach innen rollierten Bund an der rechten Seite aufweist, so daß eine Montage wie in Fig. 3 möglich ist. Schließlich ist natürlich auch noch die Variante denkbar, daß das Außenrohr (2) nach innen rol­ lierte Bunde aufweist, wie das im Prinzip aber auch bei der Ausführungsform nach Fig. 1 in der technischen Umkehrung mög­ lich ist, bei der die Bunde (9 und 10) nicht vom Innenrohr nach außen, sondern vom Außenrohr (1) nach innen gerichtet sind.

Alle Ausführungsformen sichern eine einfache Montage zu und eignen sich besonders für die Herstellung des Doppelrohrwär­ metauschers aus Aluminium und für die Verlötung durch das No­ colok-Verfahren.

In den Fig. 5 und 6 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der neuen Doppelrohrwärmetauscher insofern gezeigt, als die Dop­ pelrohrwärmetauscher dort als Ölkühler unmittelbar in einen der Sammelkästen des Kühlers für die Motorkühlflüssigkeit eingebaut sind.

In der Fig. 5 ist zu diesem Zweck ein Doppelrohrkühler (12) nach der Erfindung unmittelbar in einen Sammelkasten (13) ei­ nes nicht näher gezeigten - weil bekannten - Kühlmittelküh­ lers für einen Kraftfahrzeugmotor eingebaut. Dabei wird in bekannter Weise der Sammelkasten (13) von seinem unteren Ende (13a) von einem nicht gezeigten Rohrboden abgeschlossen und es findet daher längs der Achsen (14) der in den Rohrboden mündenden, aber ebenfalls nicht gezeigten Rohre, eine Anströ­ mung des Außenrohres (1) des Doppelrohrölkühlers (12) statt. Die Strömung des Kühlmittels durchsetzt auch - bei geeigneter Anordnung des Doppelrohrkühlers zum Zu- oder Rücklaufstutzen des Sammelkastens (13 - den Innenraum des Innenrohres (2).

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Außenrohr (1) an mindestens zwei Stellen mit einer Öffnung (15) versehen worden und man hat dann den Rand dieser Bohrung mit üblichen Mitteln kragenartig nach außen gezogen und in Form des Bör­ delrandes (16) um eine Öffnung im Sammelkasten (13) herumge­ bördelt. Auf die Öffnung (15) im Außenrohr (2) und im Sammel­ kasten (13) ist dann ein Anschlußstutzen (3′) aufgesetzt wor­ den, der ebenso wie der umgebördelte Rand (16) mit dem Sam­ melkasten (13) dicht verlötet ist.

Zu diesem Zweck besteht beim Ausführungsbeispiel der Sammel­ kasten (13) ebenfalls aus einem lotplattierten Aluminium, so daß es für die Herstellung genügt, das geeignete Flußmittel im Bereich des Randes (16) und im Bereich der aufsitzenden Backen des Anschlusses (3′) aufzubringen, um mit dem Nocolok- Verfahren eine vollständige dichte Verlötung des Doppelrohr­ kühlers (12) (wie er auch in den vorhergehenden Figuren er­ läutert ist) und der Verbindung zwischen diesem Doppelrohr­ kühler und dem Sammelkasten (13) und dessen Anschlußstutzen (3′) herzustellen. Dem Außenrohr (1) wird natürlich außer der Öffnung (15) mit dem Anschlußstutzen (3′) auch noch eine wei­ tere, in Fig. 5 nicht gezeigte Öffnung zugeordnet, die in gleicher Weise am Sammelkasten (13) befestigt und mit diesem verlötet wird, so daß, wie auch bei den Beispielen der Fig. 1 bis 4, durch den Anschlußstutzen (3′) das zu kühlende Öl in den Zwischenraum zwischen Außenrohr (1) und Innenrohr (2) zu­ geführt und durch den nicht gezeigten Anschlußstutzen wieder abgeführt werden kann.

Der Vorteil der in der Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist, daß ein ausschließlich aus Aluminium hergestellter Kühler mit einem Doppelrohrölkühler zur Verfügung gestellt werden kann, an dem keine anderen Materialien verwendet werden, so daß ein einfaches Recycling möglich ist.

Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform weitgehend ähnlich je­ ner der Fig. 5. Unterschiedlich ist nur, daß hier der von der Öffnung (15) aus nach außen gezogene Hals (17) des Doppel­ rohrkühlers (12′) nicht um den Rand einer entsprechenden Öff­ nung im Sammelkasten (13′) herumgebördelt, sondern in eine entsprechende Aussparung (18) des Anschlußstutzens (3′′) her­ eingedrückt ist. Dieser Hals (17) kann auch noch in die Nut (19) innerhalb des Anschlußstutzens (3′′) hereingedrückt wer­ den. Auch diese Ausführungsform ermöglicht, da der gesamte Kühler einschließlich Doppelrohrkühler aus Aluminium besteht, ein einwandfreies Recycling.

Der Sammelkasten (13) kann entweder - wie in Fig. 5 und 6 dargestellt - halbschalenförmig ausgebildet und mit einem zu­ sätzlichen Metallboden verlötet sein oder auch einstückig aus einem lotplattierten Rohr oder aus zwei miteinander verlöte­ ten Halbschalen hergestellt sein.

Claims (14)

1. Doppelrohrwärmetauscher, bestehend aus zwei koaxial in­ einandergesetzten Rohren (1, 2) bzw. (1′, 2′), insbe­ sondere aus lotplattiertem Aluminium, die an ihren En­ den miteinander zur Bildung eines zwischen ihnen lie­ genden Strömungskanales (6) dicht verbunden sind, wobei in den Strömungskanal gegebenenfalls eine Turbulenzein­ lage (8) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden der Rohre (1, 2 bzw. 1′, 2′) mindestens ein von mindestens einem der Rohre abragender umlaufen­ der wulstartiger Bund (9, 10 bzw. 10′, 11) vorgesehen ist, dessen Höhe der Differenz der Radien (r₁, r₂) der Innenwand des äußeren und der Außenwand des inneren Rohres entspricht und daß die Bunde gegebenenfalls mit der Turbulenzeinlage (8) dicht mit der Rohrwand verlö­ tet sind, an der sie anliegen.

2. Doppelrohrwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder wulstartige Bund (9, 10, 10′, 11) aus dem Material des Rohres herausgedrückt ist.

3. Doppelrohrwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Bund (9, 10, 10′) kurz vor dem Ende des Rohres in der Art einer umlaufenden Sicke her­ ausgedrückt ist.

4. Doppelrohrwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohr (1 bzw. 2) nur mit einem Wulst (9 bzw. 10′) versehen ist.

5. Doppelrohrwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr (1) glatt, das andere jedoch an seinen beiden Enden mit je einem Wulst (9, 10) ausgebildet ist.

6. Doppelrohrwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund (11) durch Einrollen des Endes des Rohres (2′) hergestellt ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Doppelrohrwärmetau­ schers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Rohre aus einem lotplattiertem Ma­ terial besteht, daß an mindestens einem der Rohre im Bereich der Enden aus dem Rohrmaterial herausgedrückte bundartige Wülste gebildet werden, deren Höhe der Dif­ ferenz der Radien der Innenwand des äußeren und der Au­ ßenwand des inneren Rohres entspricht, daß mindestens eines der Rohre vor oder nach dem Herausdrücken der Wülste oder gegebenenfalls die ebenfalls lotplattierte Turbulenzeinlage (8) mit einem Hartlöt-Flußmittel ver­ sehen wird, dann die beiden Rohre übereinandergeschoben und durch die Wülste auf Abstand gehalten werden und daß die so aneinandergehaltenen Rohre zum Zweck des Verlötens erhitzt werden.

8. Doppelrohrwärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial für die Rohre Aluminium-Bleche mit ein- oder beidseitig aufplattier­ ten Zusatzwerkstoffen mit einem Siliziumgehalt zwischen 7,5% bis 12,5% vorgesehen sind, die zu einer Rohrform verschweißt werden.

9. Doppelrohrwärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Flußmittel ein handelsübliches Nocolok-Flußmittel verwendet wird.

10. Doppelrohrwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens eine Zu- oder Ab­ flußöffnung (15), mit einem um diese herum aus dem Ma­ terial nach außen gedrückten Hals (16, 17), der in eine Öffnung eines Sammelkasten (13) eines Motorkühlers ein­ geschoben und mit diesem dicht verlötet ist.

11. Doppelrohrwärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hals (16) um den Rand der Öffnung im Sammelkasten (13) umgebördelt ist und von einem An­ schlußstutzen (3′) umgeben ist.

12. Doppelrohrwärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hals (17) in eine entsprechende Ausnehmung (18, 19) eines Anschlußstutzens (3′′) her­ eingedrückt und darin verlötet ist.

13. Doppelrohrwärmetauscher nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Herstellung des Sammelkastens lotplattiertes Aluminium verwendet ist.

14. Doppelrohrwärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anschlußstutzen (3′, 3′′) aus Aluminium besteht und in einem Arbeitsgang im Nocolok- Verfahren mit dem Sammelkasten und dem Doppelrohrwärme­ tauscher verlötet ist.