DE3050857C2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach An­ spruch 1.

Die Erfindung bezieht sich also insbesondere auf Wärme­ tauscher, in denen eine Flüssigkeit oder ein Fluid zum Heizen oder Kühlen in Rohren umläuft, die mit Rippen oder anderen thermischen Austauschmitteln versehen sind.

Der Wärmetausch geschieht dabei durch das Strömen der Luft, welche die Rohre praktisch umspült. Die Rohrenden führen, um ein Umlaufen der Flüssigkeit oder des Fluids zu erlauben, in mindestens eine Kollektor- oder Sammel­ kammer, die durch einen "Wasserbehälter" begrenzt ist. Ein Kollektor ist dabei aus einem Rohrboden mit Löchern gebildet, durch die dichtend die Rohrenden hindurch­ treten.

Aus der US-PS 3 857 151 ist ein Wärmetauscher mit Rohren bekannt, deren jedes einen Hauptkörper mit länglichem Querschnitt aufweist, der eine Vielzahl von Rippen trägt, wobei das Rohr in einem Rohrende mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt, also einem im wesentlichen zylindrischen Rohrende endet, der in der Wand eines Kollektors aufgenommen ist. Die Rippen haben jeweils längliche Durchbrüche, deren Querschnitt an den äußeren Querschnitt der Hauptkörper der Rohre angepaßt ist, damit diese durch die Rippen hindurchtreten können. Des weite­ ren weist das Rohr einen Zwischenabschnitt auf, der den Hauptkörper mit dem im wesentlichen zylinderförmigen Ende verbindet. Dieser Zwischenbereich bildet einen Übergangs­ abschnitt mit sich veränderndem Querschnitt, so daß über ihm hin keine Rippen aufgebracht werden können. Die erste Rippe weist von der Kollektorwand einen Abstand auf, der im wesentlichen dem Zwischenabstand des Rohres ent­ spricht. Nachteilig an diesen Wärmetauschern ist, daß ein Zwischenteil zwischen der Kollektorwand und der ersten Rippe vorgesehen werden muß, um den Zwischenabschnitt der Rohre gegen Einwirkungen von außen zu schützen, wie sie Projektile (Kiesel, Splitt etc.) darstellen können, wenn der Wärmetauscher in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist. Darüber hinaus erlaubt ein solches Zwischenteil, den Luftfluß durch das Rippenbündel hindurch zu lenken, d. h. in den wirksamen Bereich des Wärmetauschers. Weiterhin nachteilig ist, daß der Zwischenabschnitt der Rohre eine beträchtliche Länge aufweist, über die demgemäß keine Rippen angeordnet werden können, die Wirksamkeit eines Wärmetauschers aber von der Tauscherfläche abhängt, also insbesondere von der Zahl und Größe der Rippen. Hierdurch ergibt sich bei solchen Wärmetauschern ein relativ ge­ ringer Wirkungsgrad.

Die DE-AS 25 09 717 betrifft einen Wärmetauscher mit einem Rohr zylindrischen Querschnittes. Dieses Rohr ist unter Zwischenlage von Dichtungsmaterial in eine mit Durchbrüchen versehene Wand eines Rohrbodens einsetzbar, welcher einen umlaufenden, als Sicke bezeichneten, u-för­ migen Rand aufweist. Mit Abstand zur Wand und insbe­ sondere zur umlaufenden Sicke sind auf dem Rohr Luft­ leitbleche aufgesetzt. Nachteilig bei solchen, über ihre gesamte Länge hin zylindrischen Rohren ist ihre relativ geringe Kontaktfläche zum diese umspülenden Luftvolumen bei gegebenem Querschnittsdurchmesser.

Aus der DE-PS 7 21 466 ist ein Wärmetauscher mit mehreren Rohren bekannt, die einstückig mit Rippen ausgebildet sind. Der Querschnitt der Rohre ist über die gesamte Länge hin konstant. Der Zusammenhalt von einstückig mit Rippen versehenen Rohren und einem Rohrboden bzw. der Wandung des Kollektorraumes erfolgt über die Rippen.

Es wurde vorgeschlagen, Rohre mit länglichem Querschnitt zu verwenden, im hierdurch ihre Kontaktfläche mit der Luft, die sie umspült, zu vergrößern, ohne daß eine Vergrößerung des aerodynamischen Widerstandes des Wärmetauschers notwendig ist. Weiterhin wurde vorge­ schlagen, um das Zusammensetzen derartiger Rohre mit Wänden mit kreisförmigen Löchern zu erlauben, die Rohr­ enden zum Einsetzen von einem länglichen Querschnitt zu einem Absatz mit kreisförmigem Querschnitt umzuformen.

Dieses Ausformen oder Ausgestalten der Rohrenden mit einem länglichen Querschnitt zeigt darüber hinaus Vor­ teile in anderer Hinsicht. Denn beispielsweise sind die Rohre mit länglichem Querschnitt dazu bestimmt, mit Rohren mit kreisförmigem Querschnitt verbunden zu werden, wie dies beispielsweise bei Verdampfern der Fall ist. Diese Verbindung geschieht durch Verschweißen oder Ver­ schrauben.

Die GE-PS 214 877 zeigt ein solches Wärmetauscherrohr mit länglichem Hauptabschnitt und im wesentlichen kreis­ förmigem Rohrende mit einem kurzen Übergangsbereich zwischen dem Hauptabschnitt und dem Rohrende. Der Wärme­ tausch erfolgt über das Wärmetauscherrohr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen, verbesserten Wärmetauscher zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Wärmetauscher, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, gelöst.

Die Erfindung erlaubt es, einen Wärmetauscher mit Rippen auf den Rohren auszubilden, die herkömmlicher Art sind, ohne daß ein Zwischenstück oder dergleichen zwischen dem Rand des Rohrendes für die Rohre und der letzten Rippe erforderlich wäre. Die Rippe liegt am Rohrboden des Wärmetauschers an. Die dem Rohrboden nächste Rippe ist kraftschlüssig auf den Übergangsabschnitt des Rohrendes aufgepreßt und liegt an dem Rand der Umfangswand an. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung platz­ sparend und ermöglicht einen optimalen Wärmeaustausch zwischen einem im Rohr zirkulierenden Fluid und der am Rohr entlang streichenden Luft.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß der mittlere Umfang des Rohrendes über dem mittleren Umfang des Haupt­ körpers des Rohres liegt. Eine weitere bevorzugte Ausge­ staltung sieht vor, daß der äußere Durchmesser des Rohr­ endes geringer ist als die größte Querschnittsabmessung des Rohres im Hauptkörper länglichen Querschnitts. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß das Verhältnis zwi­ schen der größten Querschnittsabmessung und der kleinsten Querschnittsabmessung des Hauptkörpers länglichen Quer­ schnitts zwischen 1,5 und 2,5 liegt.

Es wurde festgestellt, daß die Verwirklichung der letzten Bedingung sich erlaubt, den Wärmetausch zwischen der in den Rohren umlaufenden Flüssigkeit und der die Rohre transversal, d. h. parallel zur Richtung der größten Abmessung des Rohrquerschnitts vorbeistreichenden Luft zu optimieren.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil eins erfindungsgemäßen Wärmetauschers;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII der Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines für die Erfindung geeigneten Rohres; und

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Rohr eines erfindungs­ gemäßen Wärmetauschers in einer Projektion senkrecht zur Achse des Rohres.

Ein Rohr 1 eines Wärmeaustauschers weist einen Hauptteil oder Hauptkörper 2 mit ovalem Querschnitt und mindestens ein zylindrisches Rohrende 5 auf, die durch einen Übergangsabschnitt 10, 11, 21, 22 mit einer geringen Länge l miteinander verbunden sind. Der ovale Querschnitt des Hauptkörpers 2 des Rohres 1 weist eine große Achse bzw. eine größte Querschnittsabmessung b und eine kleine Achse a bzw. eine kleinste Querschnitts­ abmessung (siehe Fig. 3) auf, die zueinander senkrecht stehen. Auf dem Rohr 1 sind Rippen 20₁, 20₂ etc. aufgesetzt.

Der Übergangsabschnitt 10, 11, 21, 22 weist dabei die Form einer Schulter oder Abschrägung auf. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist diese Abschrägung oder Schulter 10, 11 folgendermaßen ausgestaltet: In der Projektion auf einer Ebene senkrecht zur Achse des Rohres 1 ergibt sich ein Oval 2a, das der äußeren Fläche des Rohres 1 ent­ spricht und einen Kreis 5b, der Flächen 8, 9 eines den Übergangsabschnitt 10, 11 herstellenden Werkzeuges 6, 7 entspricht. Der Kreis 5a zeigt zwei Bögen 5c und 5d im Inneren des Ovals 2a und zwei Bögen 5e und 5f außerhalb.

Die Bögen 5e und 5f entsprechen den Flächen 8, 9 auf ihrer gesamten Länge oder Höhe des Werkzeugs. Dagegen entsprechen in dieser dargestellten Projektion die Schulter oder Abschrägungen 10, 11 Bögen mit Krümmungen wie 2b und 2c, die zwischen dem Oval 2a und dem Kreis 5b liegen.

Das Rohrende 5 weist eine kreisförmige Zylinderform mit einem vergrößerten Durchmesser auf. Der mittlere Umfang ist vorzugsweise um 1% größer als der mittlere Umfang des Hauptkörpers 2. Die elastischen Grenzen des das Rohr 1 bildenden Metalls werden nicht überschritten. Weiterhin ist vorgesehen, daß der äußere Durchmesser des Rohrendes 5 geringer ist als die Länge der großen Achse b der äußeren Fläche bzw. die größte Querabmessung des Rohres in dem Hauptkörper 2 länglichen Querschnitts, so daß der Übergangsabschnitt bzw. die Schultern 10, 11, 21, 22 ausge­ bildet sind, die Anschläge für die Ringe 20₁ bilden.

Die Länge l des Übergangsabschnittes 10, 11, 21, 22, über die das Rohr 1 progressiv von einem länglichen Quer­ schnitt zu einem kreisförmigen Querschnitt übergeht, kann ausreichend kurz sein. Diese Länge ist weniger als 0,2 der großen Achse b (siehe Fig. 3) des länglichen Quer­ schnitts bzw. der größten Querschnittsabmessung b des Hauptkörpers oder 0,5 der kleinen Achse a dieses längli­ chen Querschnitts bzw. der kleinsten Querschnitts­ abmessung a des Hauptkörpers 2. Derart kann man Wärme­ tauscher mit herkömmlichen Kollektoren herstellen, die Rohrböden 24 mit kreisförmigen Löchern 25 aufweisen, ohne daß Distanzringe zwischen dem Rand 34 des Rohrbodens 24 und der letzten bzw. ersten Rippe 20₁ des Rippen­ bündels zwischengesetzt werden müssen.

Der Hauptkörper 2 des Rohres 1 weist insbesonders einen ovalen Querschnitt auf, der im folgenden unter Bezug­ nahme auf die Fig. 3 beschrieben ist.

Man zieht oder zeichnet zwei Kreise 60 und 61 mit glei­ chem Radius und Mittelpunkten 62, 63, die auf einer Linie 64 im Abstand zueinander liegen. Die Linie 64 bestimmt dabei die größte Abmessung des Querschnitts des Haupt­ körpers 2 des Rohres 1. Der Abstand, der die beiden Mittelpunkte voneinander trennt, liegt deutlich über dem Durchmesser jedes der Kreise 60 und 61. Man zieht bzw. zeichnet sodann zwei Kreisbögen 65, 66, die die Kreise 60, 61 beidseitig der Linie 64 tangieren. Die Zentren 68, 69 der beiden Kreise 65, 66 befinden sich dabei auf der Mittelsenkrechten 70 der die Punkte 62 und 63 verbinden­ den Linie 64 und liegen symmetrisch zu diesem Segment. Die Radien dieser Kreise 65, 66 liegen deutlich oberhalb der Radien der Kreise 60 und 61.

Die große Achse bzw. größte Querschnittsabmessung der Länge b der so erhaltenen Kurve und die kleine, hierzu senkrechte Achse der kleinsten Querschnittsabmessung der Länge a haben ein Verhältnis von b durch a zwischen etwa 1,5 und 2,5. Dieses Verhältnis ist optimal für die Wärme­ tauschung zwischen einer im Rohr 1 zirkulierenden Flüssigkeit und der am Rohr 1 entlang streichenden Luft, die vorzugsweise parallel der Linie 64 entlang streicht.

Wie aus der Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, ist das Rohr 1 mit seinem Rohrende 5 in die entsprechenden Löcher 25 des Rohrbodens 24 des Kollektors dichtend eingesetzt. Die Löcher 25 im Rohrboden 24 des Kollektors sind außerhalb der Kollektorkammer 36 durch zylindrische Kragen 26 umrandet. Der die Löcher 25 aufweisende Rohrboden 24 des Kollektors ist im Inneren der Kollektorkammer 36 durch eine Folie 27 aus Kautschuk, Gummi oder ähnlichem be­ deckt, die Löcher 28 aufweist, die mit den Löchern 25 fluchten. Darüber hinaus ist der Rohrboden 24 des Kollek­ tors durch Hülsen 29 umrandet, die einen integralen Teil der Folie 27 bilden. Weiterhin ist ein Teil 30 kurzer Länge vorgesehen, der zur Kollektorkammer 36 hin vor­ springt und ein Teil 31 der Folie 27 mit einer größeren Länge, der in die Kragen 26 eingeführt ist und in einem Wulst 32 endet, der seine Verbindung mit einem Teil eines Randes 33 bedingt, der zum Endabschnitt des Kragens 26 reicht.

Ein u-förmiger Rand 34 des Rohrbodens 24, der zum Äußeren der Kollektorkammer 36 hervorspringt, bildet den Boden einer Nut, die einen Rand 35 der Gummifolie aufnimmt.

Zur Befestigung des Rohrbodens 24 mit der Folie 27 an den Rohrenden 5 sind die Hülsen 29 vorgespannt, wobei der Durchmesser ihrer Innenfläche im freien Zustand geringer ist als der Durchmesser der Außenfläche der Rohrenden 5. Die Rohrenden 5 werden durch die Rohrböden 24 hindurchge­ führt, bis auf jeder Seite die Ränder 34 in Kontakt mit einer ersten Rippe 20₁ stehen. Die Vorspannung wird sodann entfernt, woraufhin Stempel oder Dorne (nicht gezeigt) gleichzeitig in die Enden der Rohre derart eingeführt werden, daß sie eine neue Ausformung durch­ führen, damit das Rohrende 5 eine Erweiterung 5f erhält, deren äußerer Durchmesser leicht über dem inneren Durch­ messer des Kragens 26 liegt. Derart wird der Rohrboden 24 mit den Rohren 1 zusammengesetzt. Der Kontakt zwischen dem Rand 34 und der ersten Rippe 20₁ trägt ebenfalls zum Zusammenhalt bei. Dies kann selbstverständlich auch in dem Fall verwendet werden, in dem die Abdichtung jedes Rohrendes im Bereich des Kollektors nicht nur durch eine einzige Verbindung, sondern durch eine Vielzahl von Verbindungen sichergestellt ist. Dies kann auch für den Fall angewendet werden, bei dem das Einführen der Rohre in den oder die Verbindungen im Bereich des Kollektors durch eine kraftschlüssige Schrumpf- oder Preßverbindung erreicht wird.

Die Ausgestaltung der Rohrenden der Rohre mit einem Hauptkörper länglichen Querschnitts entsprechend der Erfindung erlaubt darüber hinaus, eine Dichtigkeit im Bereich des Rohrbodens sicherzustellen, wenn man keine Verbindungen verwendet, d. h. also, wenn die Enden der Rohre in direktem Kontakt mit dem Metall des Rohrbodens stehen.

Bei einer ausreichend exakten, kreisförmigen Form des Rohrendes wird ebenfalls die Verbindung durch Schrauben oder Schweißen der Rohrenden mit anderen Rohren gleichen kreisförmigen Querschnittes erleichtert, wie es bei­ spielsweise bei Verdampfern der Fall ist.

Claims (4)

1. Wärmetauscher, insbesondere für den Kühlkreislauf eines Motors oder für eine Heiz- oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit Rohren (1), die einen Hauptkörper (2) länglichen, ovalen Querschnitts, ein zylindrisches Rohrende (5) und einen Übergangsab­ schnitt (10, 11, 21, 22) aufweisen, der eine solche Länge (1) hat, die höchstens dem 0,2fachen der größten Querschnittsabmessung (b) oder dem 0,5fa­ chen der kleinsten Querschnittsabmessung (a) des Hauptkörpers (2) des Rohres (1) entspricht, wobei auf die Rohre (1) Rippen (20₁, 20₂, . . . ) in der Art aufgesetzt sind, daß die erste Rippe (20₁) in direktem Kontakt mit dem u-förmigen Rand (34) eines Rohrbodens (24) steht.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Umfang des Rohrendes (5) über dem mittleren Umfang des Hauptkörpers (2) des Rohres (1) liegt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser des Rohrendes (5) geringer ist als die größte Querschnittsabmessung (b) des Rohres (1) in dem Hauptkörper (2) länglichen Quer­ schnitts.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der größten Quer­ schnittsabmessung (b) und der kleinsten Quer­ schnittsabmessung (a) des Hauptkörpers (2) längli­ chen Querschnitts zwischen 1,5 und 2,5 liegt.