DE2502291A1 - Roehrenwaermetauscher, insbesondere fuer fluessigkeitsgekuehlte kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

• " Röhrenwärmetauscher, insbesondere für flüssigkeitsgekühlte Kraftfahrzeuge " Die Erfindung bezieht sich auf Röhrenwärmetauscher gemäß lem Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Derartige Röhrenwärmetauscher sind als Kühler für Kraftfahrzeugmotoren beispielsweise aus der DT-OS 2 005 2"3 bekannt. Ein anderes wichtiges Einsatzgebiet ist die Fahrzeugheizung bei flüssigkeitsgekühlten Kraftfahrzeugen, bei denen im Röhrenwärmetauscher erwärmte Luft in das Innere des Kraftfahrzeugs geblasen wird. Röhrenwärmetauscher dieser Art können aber auch ganz allgemein Verwendung finden, wie z.B. die mindestens gattungsähnliche rJS-PS 2 303 416 zeigt, vgl. auch US-PS 3 426 841 und DT-PS 615 357.
• Bei gattungsgemäßen Röhrenwärmetauschern bestehen folgende Problume. Zunächst muß sichergestellt werden, daß die Rohrenden flüssigkeitsdicht mit dem Rohrboden verbunden werden. Ferner soll die dem Wasserkasten zugewandte Seite des Rohrbodens gegen Korrosion durch die durch den Wasserkasten geleitete Flüssigkeit geschützt werden. Erhebliche Korrosionsprobleme entstehen beispielsweise dann, wenn der Wasserkasten mit Kühlwasser eines Kraftfahrzeugmotors beaufschlagt wird, dem ein Frostschutzmittel beigefügt ist. Ferner erfordert die mehrteilige Ausbildung des Wasserkastens aus dem Rohrboden und dem Deckelteil auch Flüssigkeitsdichtigkeit zwischen diesen heiden Teilen. Schließlich muß hinreichende mechanische Stabilität der Teile des Röhrenwärmetauschers sichergestellt sein, insbesondere zwischen Wasserkasten und Rohrbündel. Zwar kann man alle diese Anforderungen durch starre flüssigkeitsdichte vor bindung der Teile miteinander erfüllen, indem man beispielsweise metallteile direkt miteinander verlötet; die aattunqsgemäßen Röhrenwärmetauscher sind jedoch aus serienmäßig günstiger herstellbaren Einzelteilen zusammengesetzt, die aus angepaßten Materialien bestehen können, z.B. der Rohrboden aus Metall und der Deckelteil aus Kunststoff. Die Dichtungsschicht dient dabei sowohl zur Abdichtung der Rohrenden des Rohrbündels gegen den Rohrboden als auch zu dessen Abdichtung qegen den Deckelteil des Wasserkastens. Die Dichtungsschicht verhindert ferner Kontaktkorrosion zwischen verschiedenartigen Metallteilen, beispielsweise Rohrböden aus Schwernetall und Rohren aus Leichtmetall, z.B. Aluminium. Bisher hat man als Dichtungsschicht entweder eine gummiartige Platte verwendet, die in den Topf des Rohrbodens eingeleqt wird (DT-3S 2 005 283); man hat aber auch schon thermoplastische Dichtunqsnlatten verwendet, die nachträglich mittels Pressen dichtend an die Rohrenden angelegt werden (US-PS 2 303 416).
• Der Erfindung liegt die Aufgahe zugrunde, einen gattungsgemäßen Röhrenwärmetauscher zu schaffen, der mit einfachen Mitteln auch größere Ferstellunqstoleranzen der beteiliciten Einzelteile auszugleichen gestattet und trotzdem höchste Funktionszuverlässigkeit gewährleistet.
• Zur Lösunq dieser Aufgabe ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Dichtungsschicht von einer in den Topf des Rohrbodens eingegossenen Dichtmasse gebildet ist, in die der Rand des Deckelteils eintaucht.
• Während man bisher bei gattungsgemäßen Röhrenwärmetauschern durch Verwendung vorgefertigter Dichtungsplatten bemüht war, ohne Schweiß- oder Klebarbeiten auszukommen (DT-OS 2 005 283, S. 3, Zeile 10 v.u.), macht die Erfindunq die Vorratshaltunq vorgefertigter und somit auf die jeweilige Röhrenwärnetauscherdimension jeweils abzustellender Dichtungsplatten entbehrlich und macht sich zusätzlich gegebenenfalls die Haftwirkung geeigneter Dichtungsmassen an den Rohrenden, am Rohrboden und am Rand des Deckelteils zunutze. Verfahrenstechnisch kann man dabei so vorgehen, daß man zunächst das Rohrbündel am Rohre boden unter Durchgriff der Rohr enden durch die öffnungen des Rohrbodens befestigt, indem man etwa die Rohre in bekannter Weise bis zur Anlage an den Rändern der öffnungen des ohne bodens aufweitet, dann den vom Rohrboden gehildeten Topf mit der Dichtmasse so weit auffüllt, daß eine ausreichende Dicht strecke längs der in den Topf hineinragenden Rohrenden entsteht, und dann mit entsprechender Eintauchtiefe das Deckelteil in den Randhereich der im Topf befindlichen Dichtmasse eintaucht. Anders als hei den Stand der Technik erfolat bei dem Eintauchen des Randes des Deckelteils nicht lediglich eine elastische Deformation einer vorgefertigten Dichtplatte, sondern ein echtes Eindringen in die Dichtmasse. Es versteht sich, daß dabei der Rohrboden horizontal oder wenigstens annähernd horizontal auszurichten ist. Auch hier sind jedoch erhebliche Toleranzen möglich.
• Eine mechanische Fixierung des Deckelteils am Rohrboden t die an sich auch bei den gattungsgemäßen Röhrenwärmetauschern (gemäß DT-OS 2 005 283) bereits bekannt ist, sieht man zweckmäßig zusätzlich vor; heispielsweise kann man Rohrboden und Deckelteil aneinander zur Anlage brinqen und überstehende Laschen des Rohrbodenrandes um den Deckelteil umlegen. Zur Erreichung einer ausreichend tiefen Dichtung an der Verbindung des Rohrbodens und des Deckelteils zum Wasserkasten wird vorzugsweise vorgesehen, daß der Rohrboden an seinem Umfang eine umlaufende, von der Dichtmasse erfüllte Rinne bildet, in welche der Rand des Deckels hineinreicht.
• Bei gattungsgemäßen bekannten Röhrenwärmetauschern (z.B.
• DT-OS 2 005 283) wird der Kopf des durch die öffnung des Rohrbodens in dessen Topf hineinragenden Rohrendes so aufgeweitet, daß sich dieses über die Dichtungsschicht am Rohboden zugfest abstützt. Bei der Erfindung ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Rohrenden und der Rohrboden in unmittelbaren Tormschluß stehen, so daß das Rohrhündel und der RohrljoRen bereits eine starre Einheit bilden, bevor die Dichtungsmasse in den Topf des Rohrbodens eingegossen wird. Durch diese Maßnahme wird die Dichtung von sämtlichen mechanischen Beanspruchungen entlastet. Durch geeignete Aufweitung des Kopfes des ohren kann man außerdem eine qünstiq verlaufende Geometrie der Dichtungsflächen erhalten.
• Um sich die Dichtunqsmasse beim Eingießen möglichst schnell und gleichmäßig über dem Boden des vom Rohrboden gebildeten Topf es ausbreiten zu lassen, wird dieser Boden zweckmäßig ehen ausgebildet, wie es auch zur Abstützung von vorgefertigten Dichtungsplatten an sich bekannt ist. Es ist dann vorteilhaft, daß die öffnungen des Rohrbodens mit zum Rohrbündel hin verlaufenden Krägen versehen sind, aus denen die Rohrenden mit erweiterten Kopfstücken bis über den freien Snieael der nicht masse hinausragen. Hierdurch wird nicht nur der mecHanische Formschluß zwischen den Rohrenden und dem Rohrboden erhöht, sondern auch eine größere Steifigkeit des Rohrbodens selbst gewonnen. Außerdem wird die Qualität der Dichtung weiter erhöht, da die Dichtungsmasse in einen Ringspalt zwischen den Krägen an den öffnungen des Rohrbodens und den eingezogenen Schultern vor den aufgeweiteten Kopfstücken der Rohrenden hineinkriechen kann.
• Als Dichtmasse verwendet man zweckmäßig einen thermoplastischen Kunststoff. Dieser-läßt sich in flüssigem oder halbflüssigem Zustand leicht in den vom Rohrboden gebildeten Topf eingießen und in bekannter Weise aushärten, z.B. unter Wärme, Lagerzeit und/oder Zusatz eines entsprechenden Beschleunigers.
• Einen besonders günstigen Kompromiß zwischen den verschiedenen Anforderungen hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Hafrfähigkeit, chemischer Resistenz und Elastizität stellt ein SUnststoff auf Basis von Polyurethan als Dichtmasse dar. Vorzussweise wind dabei alternativ ein nicht-geschäumtes aromatisches Polyurethan oder ein geschlossenzelliges mikrogeschäumtes Polvurethan verwendet. Letzteres spart gegenüber den erstgenannten etwas an klasse ein und zeigt eine etwas erhöhte Elastizität.
• Es sei bemerkt, daß die bei der Erfindun7 zur Anwendung konmende Dichtmasse im vorzugsweise verwendeten Grenzfall überhaupt keine tragenden Aufgaben mehr erfüllt. Besonders vorteilhaft als Dichtmasse sind solche Polyurethane, die durch Addition von Polyolen und/oder Polyäthern an 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat in Gegenwart eines üblichen Beschleunigers erhaltenworden sind.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1 eine teilweise nur grob funktionell dargestellte Draufsicht auf einen Röhrenwärmetauscher; Fig. 2 und 3 einen Schnitt durch einen Wasserkasten, sneziell nach der Linie A-A in Fig. 5, und zwar wi«. 2 in einem Zustand, bei dem der Deckelteil des Wasserkastens noch nicht in die bereits im Topf des Rohrbodens eingefüllte Dichtmasse eintaucht, und Fig. 3 im eingetauchten Zustand mit entsprechend erhöhtem Dichtmassenspiegel; Fig. 4 eine der Draufsicht von Fig. 1 entsprechende Draufsicht auf eine alternative ar eines nehrenwärmetauschers mit nur einen Wasserkasten und jeweils paarweise in Iiaarnadelform zusammengefaßten Rohren des Rohrbündels zur Verbindung an dessen anderen Ende; Fig. 5 eine Seitenansicht auf den Pvöhrenwrnetauscher gemäß Fig. 4 sowie die Fig. 6 und 7 zwei alternative Querschnitte jeweils nach der Linie B-B in Fig. 4 für verschiedene Schaltungen des Wasserkreislaufs, und zwar gemäß Fig. 6 mit sechs paralleldurchflossenen Haarnadelrohren und gemäß Fig. 7 mit drei paralleldurchflossenen ohren, wobei die Strömung jeweils gemäß den eingezeichneten Pfeilen erfolqt und eine Trennwand im Wasserkasten zusätzlich gestrichelt in Fig. 2 und 3 einctezeichnet ist - bei Fortlassung der in den Fig. 2 und 3 gestrichelt dargestellten Trennwand entspricht der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Wasserkasten den des Röhrenwärmetauschers gemäß Fig. 1.
• Bei dem Röhrenwärmetauscher gemäß Fig. 1 sind beide Enden eines mit Flächenvergrößerungslamellen 10 versehenen Rohrbündels 12, von dem lediglich zwei Rohre ich Mittellinien angedeutet sind, jeweils in einen Rohrboden 14 eingesetzt, der jeweils durch einen aufgesetzten Deckelteil 16 zu einem Wasserkasten ergänzt ist. Man erkennt bereits in Firt. 1 umgeknickte Laschen 18 am Rand des Bodenteils, mit denen das Deckplteil 16 jeweils auf das Bodenteil 14 aufgespannt ist. Bei dieser Ausfürhungsform strömt das im Rohrbündel geführte flüssige Medium durch einen Rohrstutzen des Stutzenpaares 20, 22 ein und verläßt es wieder durch den anderen.
• Das gasförmige zweite Medium strömt entlang der Lamellen 10 des Rohrbündels quer zu diesem zwischen den beiden Rohrböden 14. Die Strömung des flüssigen mediums kann hierbei ohne Umkehr zwischen beiden Wasserkästen verlaufen.
• Die Fig. 2 und 3 zeigen den grundsätzlichen Aufbau eines Röhrenwärmetauschers im Bereich eines Endes des Rohrbündels.
• Fig. 2 zeigt ein Zwischenstadium vor der endgültigen @ertigstellung dieses Endes des Röhrenwärmetauschers, in dem der Deckelteil noch nicht mit den Rohrboden verbunden ist.
• Der Rohrboden 14 weist einen Umfangsrand 24 auf, welcher dem Rohrboden die Gestalt eines flachen Topfes verleiht.
• Der Bodenteil 26 des Rohrbodens 14 ist mit Öffnunaen 28 versehen, in die jeweils Rohrenden 30 von Rohren 32 des Rohrbündels eingesteckt sind. Die Rohrenden 30 ragen bis in den Topf des Rohrbodens 14 hinein. Die Öffnunqen sind auf der dem Rohrbündel 12 zuqewandten Seite mit Kräqen 34 versehen, an denen das jeweils im ganzen zylindrisch aufgeweitete Rohr 32 zur Anlage kommt. Die Rohrenden 30 weisen hier zylindrisch aufgeweitete Kopfstücke 36 an ihrem Ende auf, wobei der ringschulterartige übergangsbereich zwischen Kopfstück @6 und sonstigem Rohrkörper einem gehrümmten ühergang der Krägen 34 zum sonst ehen ausgebildeten Podenteil 26 des Topfes gegenüberliegt und dabei einen sich in Richtun@ der Frsteckung der Krägen verjüngenden keilfömigen Ringspalt bildet. Am Übergang des Bodenteils 26 in den Umfangsrand 24 ist eine Umfangsrinne 38 im Rohrboden vorgesehen, welche tiefer als der sonstige Bodenteil 26 des Rohrbodens reicht.
• Der Rohrboden 14 wird zweckmäßig aus Metall in wesentlichen mit konstanter Stärke hergestellt. Es ist jedoch auch eine Herstellung aus anderen Material, beispielsweise Kunststoff, möglich. Als Material für die Rohre 32 wird zweckmäßig ein gut wärmeleitendes Material wie Kupfer oer Aluminium verwendet. Entsprechendes gilt für die Lamellen.
• Als Metall für den Rohrboden verwendet man beispielsweise Stahlblech, Messingblech, verzinktes Stahlblech u,dgl., meist Schwermetallblech.
• Der Deckelteil 16, an dem der Stutzen 20 oder 22 in hier nicht dargestellter Weise unmittelbar angeformt sein kann, besteht zweckmäßig aus Kunststoff; er kann jedoch ebenfalls aus Metall bestehen. Er weist einen haubenförmigen Bereich 40 und einen Randbereich 42 auf. Dieser weist eine vom Rohrbolen 14 fortweisende Umfangsstufe 44 an seiner Außenseite sowie einen Rand 46 auf, der schmaler als die lichte Weite der Rinne 38 bemessen und an seinem freien Ende gerundet ist.
• Für den von der Ausführungsform von Fig. 1 abweichenden Fall, daß das flüssige @edium nicht durch die Gesamtzahl aller Rohre des Rohrbündels parallel geführt ist, sondern nur durch ein Teil unter ein- oder mehrfacher Umlenkung, kann an den Deckelteil 16 eine entsprechtende Anzahl von Trennwänden angebracht, zweckmäßig angeformt, sein, wie hier symbolisch durch eine gestrichclte zentrale Trennwand 48 dargestellt ist.
• Nachdem die Rohrenden 30 in der geschilderten Weise formschlüssig mit dem Rohrboden 14 verbunden sind, wird bei der Montage zunächst der Wärmetausc}ler so gestellt, daß der vorn Rohrboden 14 gebildete Topf nach oben offen ist, zweckmäßig unter wenigstens annähernder horizontaler Ausrichtung. Dann wird eine Dichtmasse 50 in den Tonf bis zu einen bestimmten Spiegel eingefüllt. Der Spiegel soli so bemessen sein, daß bei anschließendem Eintauchen des Randes 46 des Deckelteils 16 die Dichtmasse zwar gemäß Fig. 3 ansteiqen, nicht jedoch in die freien Rohrenden hineinlaufen kann. Andererseits soll die Höhe des Spiegels so gewählt werden, daß ausreichende Dichtflächen entstehen.
• Wenn das Deckelteil 16 gemäß Fig. 3 in die Dichtmasse, zweckmäßig bis zum Anschlag am Grund der Rinne 38, eingesenkt ist, wobei die Dichtmasse sich an beiden Umfangsseiten des Randes 46 befindet, werden die Laschen 18 im Sinne der in Fig. 3 gezeiten Pfeile auf die Stufe 44 umgelegt, so daß der Einbauzustand mechanisch verspannt wird. Bei Anwendung einer aushärtenden Dichtmasse muß jetzt lediglich noch ihre Aushärtung abgewartet werden.
• Die Fig. 4 und 5 zeigen, daß man, abweichend von Fig. 1, mit einem einzigen Dichtungskasten auskommen kann, wenn Aie Wasserführung gemäß Fig. 6 oder Fig. 7 vorgenommen wird und jeweils zwei Rohre 32 von den beiden Schenkeln eines einzigen haarnadelförmig gebogenen Rohres gebildet werden, dessen U-förmig gekrünmtes/ Ende 60 in den Fig. 4 und 5 jeweils zu erkennen ist.An die Stelle des Rohrbodens 14 eines zweiten Wasserkastens tritt hier in O-förmig gebogenes Abschlußblech 62, welches die einzelnen h.aarnadelförmig gebogenen Rohre in Distanz hält.
• In diesem Falle muß allerdings der Wasserkasten ähnlich, wie es bereits im Zusammenhang mit der fakultativen Tr ennwand 48 in den Fig. 2 und 3 beschrieben ist, in einzelne Abteilungen 64 und 66 und gegebenenfalls mehr Abteilungen unterteilt werden, wie es anhand von zwei Abteilungen 64 und 66 in Fis. 6 und anhand von drei Abteilunqen 64, 66 und 68 in Fig. 7 dargestellt ist. Die Abteilung 64 ist dabei jeweils dem rinlaßstutzen und die Abteilung 66 dem Auslaßstutzen des entsprechenden Stutzenpaares 20 und 22 zugeordnet, welches hier an den Deckelteil 16 eines einzigen Wasserkastens ausgebildet ist.
• Die Strömungsrichtung ist dabei in den Fig. 6 und 7 jeweils durch Pfeile angegeben. Der Schnitt B-B in Fig. 4 entspricht dabei der Wasserkastenteilung gemäß F8q. 6 und der Schnitt A-A der Wasserkastenteilung gemäß Fig. 7. Es versteht sich, daß auch eine entsprechende vielfache Unterteilung des Wasserkastens mit einer entsprechenden Zabl von Trennwänden entsprechend der zentralen Trennwand 48,bei Bedarf vorgesehen sein kann.
• In allen diesen Fallen wird die Trennwand 48 ebenso wie alle anderen Trennwände gemeinsam mit dem Rand 46 in die Dichtmasse heim Verbinden von Deckelteil 16 und Rohrhoden 14 eingesenkt, so daß sie flüssigkeitsdicht in die Dichtmasse 50 eintaucht.

Claims (9)

Ansrrüche

1. Röhrenwärmetauscher, insbesonder für flüssigkeitsgekühlte Kraftfahrzeuge, zum Wärmetausch zwischen einem @i einem Rchrbündel geführten flüssigen Medium und einem nur zum Rohrbündel geführten gasförmigen zweiten Medium, wcShei an mindcstens einem Ende des Rohrbündels ein topfförniger Rohrboden mit Öffnungen vorgesehen ist, in die jeweils in den Topf der Rohrbodenwand ragende Rohrenden des Rohrhündels eingesetzt sind und die mit einer elastisch nachgiebigen Dichtungsschicht auf der dem Rohrbündel abgewandten Seite belegt ist, welche die Rohrenden gegen den Rohrboden flüssigkeitsdicht abdichtet und in deren Umfang der Rand eines Deckelteils flüssigkeitsdicht eingreift, das den Rohrboden zu einem Wasserkasten ergänzt, und wobei insbesondere der deckelteil mechanisch gegen den Rohrboden gespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsschicht von einer in den Topf des Rohrbodens (14) eingegossenen Dichtmasse (50) gebildet ist, in die dor ?and (46) des Deckelteils (16) eintaucht.

2. Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnet, daß die Dichtmasse (50) ein thermoplastischer kunststott ist.

3. Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Dichtmasse (50) ein Kunststoff auf Basis von Polyurethan ist.

4. Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmasse (50) ein.nicht-geschäumtes aromatisches Polyurethan ist.

5. Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmasse (50) ein geschlossenzelliges mikrogeschäumtes Polyurethan ist.

6. Röhrenwärmetauscher nach einen der Ansprüche 1 bis 5, la--durch gekennzeichnet, daß der Deckelteil (16) mit mindestens einer den Wasserkasten in Abteilungen trennenden Scheidewand (48) vercehen ist, die ebenfalls in die Dichtmasse flüssigkeitslicht eintaucht.

7 . Röhrenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (14) an seinem Umfang eine umlaufende, von der Dichtmasse (50) erfüllte Rinne (38) billet, in welche der Rand (46) des Deckelteils (16) hineinreicht.

8. Röhrenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 his 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (30) und der Rohrboden (14) in unmittelbarem formschluß stehen.

9. Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (28) des Rohrbodens (14) mit zum. Rohrbündel (12) hin verlaufenden Kragen (34) versehen sind, aus denen die Rohrenden (30) mit erweiterten Kopfstücken (36) bis über denfreien Spiegel der Dichtmasse (50) hinausragen.