DE19524607C2 - Wärmetauscher, insbesondere Öl-Luftkühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere ei­ nen Öl-Luftkühler, mit zwei einander gegenüberliegenden Kam­ mern zum Sammeln und Verteilen der zu kühlenden Flüssigkeit, denen ein Zufluß und ein Abfluß für die zu kühlende Flüssig­ keit zugeordnet ist, und die durch mehrere parallel und für die Umströmung durch ein Kühlmedium in Abstand zueinander verlaufende Kanäle miteinander verbunden sind, wobei die Kam­ mern jeweils durch mehrere aneinandergefügte und paarweise zueinander ausgerichtete Halbschalen und die Kanäle durch Flachrohre gebildet sind, die zwischen die Halbschalen einge­ setzt sind, wobei jeweils ein Paar von Halbschalen gemeinsam eine Aufnahme in Form eines Durchzuges für ein Flachrohr bil­ det.

Ein solcher Wärmetauscher ist aus der DE 35 00 571 A1 be­ kannt. Die Kammern des Wärmetauschers werden durch mehrere, paarweise zueinander ausgerichtete Halbschalen gebildet, zwi­ schen denen die Enden der Flachrohre eingesetzt werden. Dazu werden die Enden der Flachrohre bis über entsprechende Auf­ nahmebereiche der Halbschalen hinaus in das Innere der Halb­ schalen eingesetzt.

Ein weiterer Wärmetauscher ist aus der US 4 217 953 be­ kannt. Der Wärmetauscher ist als Scheibenkühler aufgebaut, indem mehrere Scheiben zu einem Paket zusammengefügt sind. Das Scheibenpaket bildet sowohl Kammern als auch die die Kam­ mern verbindenden Kanäle, so daß durch die Abmessungen der Scheiben auch die Abmessungen des Wärmetauschers festgelegt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, der mit einfachen Mitteln eine exakte Positionierung der Flachrohre ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jede Aufnahme mit ei­ nem Anschlag für eine Stirnkante des zugeordneten Flachrohres versehen ist.

Dadurch wird eine exakte Positionierung der Flachrohre rela­ tiv zu den Halbschalen erzielt. Vorteilhaft stellen die Kam­ mern und die Kanäle unterschiedliche Bauteile dar, die ohne großen Aufwand entsprechend variiert werden können. Durch ei­ ne entsprechende Anzahl von aneinandergereihten Halbschalen ist die Breite des Wärmetauschers variierbar. Durch eine ent­ sprechende Änderung der Flachrohre in ihrer Länge und ihrer Breite sind die Höhe und die Tiefe des Wärmetauschers vari­ ierbar, wodurch auch die Kühlleistung beeinflußbar ist. Die jeweils einfach aufgebauten einzelnen Bauelemente des Wärme­ tauschers, nämlich die Halbschalen und die Flachrohre sind entsprechend der gewünschten Variante des Wärmetauschers ein­ fach und kostengünstig herstellbar, so daß sich der Wärmetau­ scher in Form eines Baukastensystems zusammensetzen läßt. Bei einem Vorsehen des Wärmetauschers als Öl-Luftkühler sind zwi­ schen den einzelnen Flachrohren zusätzlich Wellrippen einge­ fügt, wodurch sich ein Rippen-Rohrblock ergibt.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Halbschalen je nach ihrer Einsatzposition innerhalb der Kammern mit einem, ge­ schlossenen oder einem offenen Boden versehen. Weisen die Halbschalen einen geschlossenen Boden auf, so dienen sie als Trennwand zur Unterteilung einer Kammer. Sind die Halbschalen mit einem offenen Boden versehen, so kann die zu kühlende Flüssigkeit durch die Öffnung hindurchströmen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung stellt jede Halb­ schale ein einstückiges, durch ziehen und Prägen hergestell­ tes Blechteil dar. Die Halbschalen sind daher einfach und ko­ stengünstig herstellbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist jede Halbschale beidseitig lotplattiert. Dadurch ist es möglich, den gesamten Wärmetauscher in einem Arbeitsschritt in einem Lötofen zu verlöten, wobei ein flußmittelfreies Lötverfahren eingesetzt wird. Dazu werden die verschiedenen Bauteile, nämlich die Halbschalen, die Flachrohre und gegebenenfalls die Wellrippen zu einem entsprechenden Block zusammengefügt und in dieser paketartigen Konstellation fixiert. Im Bereich der Durchzüge ergeben sich zwischen den Flachrohren und Halbschalen durch das Lot dichte Verbindungen. Falls zusätzlich Wellrippen zwi­ schen die Flachrohre eingesetzt sind, sind zweckmäßig zusätz­ lich entweder die Flachrohre oder die Wellrippen beidseitig lotplattiert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist jede Halbschale wenigstens im Bereich der Aufnahme für das zugeordnete Flach­ rohr mit einem Auflagesteg versehen, der eine breite Auflage­ fläche für das Flachrohr bildet. Die breite Auflagefläche er­ möglicht eine breitflächige Lötverbindung, die eine ausrei­ chende Dichtheit zwischen Halbschalen und Flachrohren gewähr­ leistet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Aufnahme je­ der Halbschale zu beiden Seiten des Auflagesteges mit einem Rand versehen, der einen einem Radius von Seitenkanten des Flachrohres entsprechenden Radius aufweist. Dadurch wird eine ausreichende Dichtheit insbesondere im Bereich der Seitenkan­ ten des Flachrohres gewährleistet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Anschlag für das Flachrohr durch eine in einem zusätzlichen Prägeschritt eingebrachte, die Kontur des zugeordneten Randes verschär­ fende Einprägung gebildet. Diese Einprägungen sind zu beiden Seiten des Auflagesteges vorgesehen und prägen den Radius des Randes exakt nach, um ein dichtes Einbetten des Flachrohres zu gewährleisten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Flachrohre mit Turbulenzeinlagen versehen. Dies ist von Vorteil, um ei­ nen hohen Innendruck in dem Flachrohrsystem auszugleichen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen. Nachfolgend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und anhand der Zeichnungen darge­ stellt.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in Form eines Öl-Luftkühlers,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine untere Kammer des Öl-Luft­ kühlers nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Öl-Luftkühler nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 in vergrößerter Darstellung eine der Halbschalen, aus denen die beiden Kammern des Öl-Luftkühlers gemäß den Fig. 1 bis 3 paketartig aufgebaut sind,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Halbschale nach Fig. 4 ent­ lang der Schnittlinie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine weitere Halbschale ähnlich Fig. 4, die als Trennwand innerhalb einer Kammer des Öl-Luftkühlers dient,

Fig. 7 in weiter vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt des Öl-Luftkühlers gemäß den Fig. 1 bis 3, der die Verbindung zwischen Halbschalen und Flachrohren zeigt, und

Fig. 8 einen weiter vergrößerten Ausschnitt VIII der Dar­ stellung nach Fig. 7.

Ein anhand der Fig. 1 bis 8 nachfolgend beschriebener Wärme­ tauscher stellt einen Öl-Luftkühler (1) dar, der eine obere Kammer (2) und eine untere Kammer (3) aufweist. Die obere Kammer (2) ist als Sammelbehälter ausgebildet, die untere Kammer (3) stellt eine Verteilerröhre dar. Jede Kammer (2, 3) ist röhrenartig aus jeweils sechsunddreißig aneinandergefüg­ ten Halbschalen (10, 11) zusammengefügt, wobei die nachfol­ gend näher beschriebenen Halbschalen (10 und 11) einander je­ weils paarweise zugeordnet sind und diese Paare wiederum ent­ lang einer gemeinsamen Mittellängsachse miteinander fluchtend ausgerichtet sind. Das röhrenartige Paket aus den Halbschalen (10 und 11) ist sowohl für die Kammer (2) als auch für die Kammer (3) auf beiden Stirnseiten durch jeweils eine Befesti­ gungsplatte (6) begrenzt, mittels derer der Öl-Luftkühler an entsprechenden Positionen für einen industriellen Einsatz montierbar ist. An den gegenüberliegenden Stirnseiten des Öl- Luftkühlers (1) ist jeweils an den Außenseiten der Befesti­ gungsplatten (6) noch eine dünne Abschlußplatte (9) ange­ bracht. Die untere, als Verteilerröhre dienende Kammer (3) ist an einem Stirnende mit einem Zufluß (7) und am gegenüber­ liegenden Stirnende mit einem Abfluß (8) versehen, die an ei­ nen entsprechenden Kreislauf der zu kühlenden Flüssigkeit, beim Ausführungsbeispiel Öl, anschließbar sind.

Auf ihrer der jeweils anderen Kammer (2, 3) zugeordneten Sei­ te bildet jeweils ein Paar von Halbschalen (10, 11) jeder Kammer (2, 3) gemeinsam einen Durchzug für jeweils ein Stirn­ ende eines Flachrohres (4), so daß zwischen den beiden, als Verteiler- bzw. als Sammelröhre dienenden Kammern (2, 3) ins­ gesamt achtzehn Flachrohre (4) verlaufen. Die Anordnung und Fixierung der Flachrohre (4) zwischen den Halbschalen (10, 11) wird nachfolgend noch näher beschrieben. Alle Flachrohre (4) sind identisch ausgebildet und sind parallel und in glei­ chen Abständen zueinander innerhalb des Öl-Luftkühlers (1) angeordnet. Die Flachrohre (4) werden von dem Kühlmedium, beim Ausführungsbeispiel Luft, umströmt, wobei für einen bes­ seren Wärmeübergang zwischen den Flachrohren (4) jeweils Wellrippen (5) angeordnet sind. Auch das auf beiden Stirnsei­ ten jeweils äußerste Flachrohr (4) ist auf seiner jeweils äu­ ßeren Breitseite mit einer angefügten Wellrippe (5) kombi­ niert, wobei diese Wellrippe (5) auf ihrer Außenseite mit der jeweiligen Abschlußplatte (9) in Verbindung steht. Aus den Flachrohren (4) und Wellrippen (5) wird somit ein Rippen- Rohrblock gebildet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Flachrohre (4) aus gewalzten Blechteilen herge­ stellt. In gleicher Weise sind jedoch auch extrudierte Alumi­ niumflachrohre einsetzbar. Aufgrund des hohen Innendruckes in den Strömungsräumen des Öl-Luftkühlers (1) für das Öl sind in die Flachrohre (4) Turbulenzeinlagen (12) eingebracht, wie aus Fig. 2 erkennbar ist.

Die Halbschalen (10, 11) sind aus beidseitig lotplattierten Aluminiumplatten durch Ziehen und Prägen hergestellt. Die Halbschalen (10, 11) (Fig. 3 bis 6) weisen einen viereckigen Grundriß auf, wobei die Ecken abgerundet sind. Sowohl jede Halbschale (10) als auch jede Halbschale (11) weist jeweils einen umlaufenden Verstärkungssteg (15) auf, der mit einem zu einem Boden der Halbschale (10, 11) hin offenen U-förmigen Profil versehen ist. Innerhalb des Verstärkungssteges (15) ist sowohl die Halbschale (10) als auch die Halbschale (11) mit einer entsprechend wannenartigen Vertiefung versehen, de­ ren Boden bei der Halbschale (10) mit zwei symmetrisch zuein­ ander angeordneten gleichgroßen, viereckigen Durchbrüchen (13) versehen ist. Die Durchbrüche (13) sind durch einen Zu­ ganker (14) in Form eines Mittelsteges voneinander getrennt.

Auf einer Breitseite sowohl der Halbschale (10) als auch der Halbschale (11) ist der umlaufende Verstärkungssteg (15) auf einen Auflagesteg (16) mit gegenüber dem Verstärkungssteg (15) verringerter Höhe abgestuft. Die Höhendifferenz zwischen der Oberfläche des Auflagesteges (16) und der des Verstär­ kungssteges (15) entspricht exakt der halben Höhe eines Flachrohres (4). Der Auflagesteg (16) sowohl der Halbschale (10) als auch der Halbschale (11) wird zu beiden Seiten durch jeweils einen Rand (17) begrenzt, der den Übergang zu dem Verstärkungssteg (15) bildet. Der Abstand gegenüberliegender Ränder (17) der Halbschale (10 bzw. 11) entspricht exakt der Breite eines Flachrohres (4). Auch der Radius jedes Randes (17) ist exakt an den Radius der Seitenkanten der Flachrohre (4) angepaßt. Der Auflagesteg (16) sowie die beiden Ränder (17) bilden daher in der Halbschale (10 bzw. 11) präzise die eine der beiden Hälften eines Durchzuges für ein Flachrohr (4), wodurch über die Breite und die Länge des Auflagesteges (16) eine durchgehend flächige Anlage mit einem entsprechen­ den stirnseitigen Ende eines Flachrohres (4) gebildet wird. Aus Fig. 3 ist anhand der gestrichelten Darstellung erkenn­ bar, wie jedes Flachrohr (4) in die durch den Auflagesteg (16) und die Ränder (17) gebildete Aufnahme eingesetzt ist. Um ein zu weites Einschieben eines Flachrohres (4) zur Mitte der Halbschale (10, 11) hin zu vermeiden, sind an den hinte­ ren Stirnenden der Ränder (17) Anschlagkanten (18) vorgese­ hen, die rechtwinklig zu den Rändern (17) und zur Längsrich­ tung der Flachrohre verlaufen. Diese Anschlagkanten (18) wer­ den in einem zusätzlichen Prägeschritt eingebracht, bei dem gleichzeitig auch die Kontur der Radien der Ränder (17) über die gesamte Höhe der Ränder (17) exakt auf die Radien der Flachrohre angepaßt werden.

Um ein Flachrohr (4) nun zwischen zwei Halbschalen (10 oder 11) einzubetten, die ein Paar bilden, wird in einfacher Weise eine korrespondierende Halbschale (10 oder 11) entsprechend umgekehrt an die erste Halbschale (10 oder 11) angefügt, wie dies aus den Fig. 7 und 8 gut erkennbar ist. Jeweils ein Paar von Halbschalen (10, 11) bildet somit den Durchzug für das zugeordnete Flachrohr (4), da jede Halbschale (10, 11) für sich bereits eine einen halben Durchzug darstellende Aufnahme bildet. Insbesondere aus Fig. 8 ist auch erkennbar, daß der Radius der Ränder (17) im Bereich der Seitenkanten der Flach­ rohre (4) durch den zusätzlichen Prägeschritt nachgebessert ist, um über die Gesamthöhe des Randes (17) einen scharfen Radius zu erzielen, wodurch die aufeinandergefügten Ränder (17) gemeinsam exakt die Radiuskontur der zugeordneten Sei­ tenkante (20) jedes Flachrohres (4) bilden. Die scharfe Ra­ diuskontur der Ränder (17) durch Bildung einer exakten Kante ist mit den Bezugszeichen (21) bezeichnet.

Die Halbschalen (10 und 11) unterscheiden sich lediglich da­ durch, daß bei den Halbschalen (10) der Boden mittels der Durchbrüche (13) durchbrochen ist, bei den Halbschalen (11) hingegen ist ein geschlossener Boden (19) vorgesehen. Wie insbesondere aus Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 1 erkennbar ist, weist der Öl-Luftkühler (1) lediglich zwei Halbschalen (11) auf, die eine Trennwand zur Umleitung der zu kühlenden Flüssigkeit darstellen. Die beiden Halbschalen (11) sind in der Mitte der die Verteilerröhre bildenden Kammer (3) vorge­ sehen, wodurch der Ölstrom vom Zufluß (7) aus durch die in Strömungsrichtung vor der durch die Halbschalen (11) gebilde­ ten Trennwand liegenden Flachrohre (4) zur oberen, die Sam­ melröhre darstellenden Kammer (2) geleitet wird. In der zwei­ ten Hälfte der Kammern (2 und 3) strömt das Öl wieder von der oberen Kammer (2) in die untere Kammer (3) nach unten und zum Abfluß (8).

Um dichte und dauerhafte Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen des Öl-Luftkühlers (1) zu erhalten, wird das ge­ samte Paket aus Halbschalen (10, 11), Flachrohren (4), Well­ rippen (5), Befestigungsplatten (6) und Abschlußplatten (9) zunächst lose zusammengefügt und anschließend in einem einzi­ gen Arbeitsschritt in einem Lötofen verlötet. Dabei wird ein flußmittelfreies Lötverfahren eingesetzt. Die Flachrohre (4) selbst wurden zuvor aus entsprechend gewalzten Blechteilen gebogen und an ihren offenen Kanten verschweißt. Durch die beidseitig lotplattierten Halbschalen (10, 11) werden diese sowohl im Bereich ihrer bodenseitigen Flansche (ohne Bezugs­ zeichen) als auch im Bereich ihrer Verstärkungsstege (15) miteinander dicht verlötet. Außerdem werden die Flachrohre (4) im Bereich der Durchzüge dicht mit den entsprechenden Halbschalenpaaren verlötet. Die zusätzlich geprägten Radien an den Rändern (17) sind so exakt an die Seitenkanten (20) der Flachrohre (4) angepaßt, daß sich über den gesamten Um­ fang der Flachrohre und im Bereich dieser Seitenkanten (20) zuverlässig dichte Lötverbindungen ergeben, die auch Leckagen aufgrund von Kapillarwirkungen unterbinden.

Die Höhe jedes Verstärkungssteges (15) der Halbschalen (10, 11) und die Höhe jedes Auflagesteges (16) der Halbschalen (10, 11) sind so auf die Höhe der Flachrohre (4) abgestimmt, daß der Abstand zweier Flachrohre (4) zueinander exakt der Höhe der Wellrippen (5) entspricht. Falls die Flachrohre (4) - wie oben beschrieben - aus beidseitig lotplattiertem Blech geformt und verschweißt sind, sind die Turbulenzeinlagen (12) und die Wellrippen (5) unplattiert, um einen zusammengelöte­ ten Rippen/Rohrblock zu erzielen. Falls gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel stranggepreßte Flachrohre mit Innenstegen vorgesehen sind, sind zur Erzielung der Löt­ verbindung die Wellrippen entsprechend beidseitig lotplat­ tiert.

Ein wesentlicher Vorteil von entsprechend dem zuvor beschrie­ benen Öl-Luftkühler (1) aufgebauten Wärmetauschern ist es, daß ohne großen Aufwand Wärmetauscher mit unterschiedlichen Abmessungen und damit auch unterschiedlichen Kühlleistungen herstellbar sind. Denn sowohl das Vorsehen unterschiedlich langer und/oder breiter Flachrohre als auch das Zusammenfügen einer beliebigen Anzahl von Halbschalen (10 und 11) ist in einfacher Weise kostengünstig durchführbar, wodurch Länge, Tiefe und Höhe des Wärmetauschers entsprechend anpaßbar sind.

Selbstverständlich ist das anhand des bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels beschriebene Prinzip eines Wärmetauschers auch für andere Kombinationen von zu kühlenden Flüssigkeiten und zugehörigen Kühlmedien einsetzbar, insbesondere auch für Öl- Wasserkühler. Dem Fachmann ist auch klar, daß Zufluß und Ab­ fluß nicht zwingend - wie dies bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist - an einer einzelnen Kammer vorgesehen sein müssen. Vielmehr sind viele unterschiedliche Durchströmungsvarianten realisierbar.

Claims (8)

1. Wärmetauscher, insbesondere Öl-Luftkühler, mit zwei einander gegenüberliegenden Kammern zum Sammeln und Verteilen der zu kühlenden Flüssigkeit, denen ein Zufluß und ein Abfluß für die zu kühlende Flüssigkeit zugeordnet ist, und die durch mehrere parallel und für die Umströmung durch ein Kühlmedium in Abstand zueinander verlaufende Kanäle miteinander verbun­ den sind, wobei die Kammern jeweils durch mehrere aneinander­ gefügte und paarweise zueinander ausgerichtete Halbschalen und die Kanäle durch Flachrohre gebildet sind, die zwischen die Halbschalen eingesetzt sind, wobei jeweils ein Paar von Halbschalen gemeinsam eine Aufnahme in Form eines Durchzuges für ein Flachrohr bildet, dadurch gekennzeichnet, daß jede Aufnahme (16, 17) mit einem Anschlag (18) für eine Stirnkante des zugeordneten Flachrohres (4) versehen ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen (10, 11) je nach ihrer Einsatzposition innerhalb der Kammern (2, 3) mit einem geschlossenen oder ei­ nem offenen Boden (13, 14; 19) versehen sind.

3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbschale (10, 11) ein ein­ stückiges, durch Ziehen und Prägen hergestelltes Blechteil darstellt.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbschale (10, 11) beidseitig lotplattiert ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbschale (10, 11) wenigstens im Bereich der Auf­ nahme für das zugeordnete Flachrohr (4) mit einem Auflagesteg (16) versehen ist, der eine breite Auflagefläche für das Flachrohr (4) bildet.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme jeder Halbschale (10, 11) zu beiden Seiten des Auflagesteges (16) mit jeweils einem Rand (17) versehen ist, der einen einem Radius von Seitenkanten (20) des Flach­ rohres (4) entsprechenden Radius aufweist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (18) für das Flachrohr (4) durch eine in ei­ nem zusätzlichen Prägeschritt eingebrachte, die Kontur des zugeordneten Randes (17) verschärfende Einprägung (21) gebil­ det ist.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachrohre (4) mit Turbu­ lenzeinlagen versehen sind.