DE3242072C2

DE3242072C2 - Verbindungsanordnung für metallische Rohre eines Wärmetauschers mit einem Boden eines Wasserkastens

Info

Publication number: DE3242072C2
Application number: DE3242072A
Authority: DE
Inventors: Reinhold 7035 Waldenbuch Kuchelmeister
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1982-11-13
Filing date: 1982-11-13
Publication date: 1985-10-24
Also published as: ES526160A0; EP0108958A2; DE3362711D1; DE3242072A1; EP0108958A3; ES8405509A1; EP0108958B1

Abstract

Bei Wärmetauschern mit Wasserkästen, bei denen der Boden aus Kunststoff besteht und integraler Bestandteil des Wasserkastens ist, werden die Wärmetauscherrohre üblicherweise mit jeweils einer Gummidichtung zur Abdichtung gegenüber dem Rohrboden versehen. Diese Ausführung ist aufwendig und benötigt zur mechanischen Festigkeit des Wärmetauschers entsprechende Bauteile, die die Wasserkästen mit dem Wärmetauscherblock verspannen. Zum Erreichen einer einfacheren und zuverlässigeren Verbindungsanordnung ohne zusätzliche Dichtungs- und Befestigungsmittel wird daher vorgeschlagen, die Rohre mittels axialem Einpressen in Öffnungen des Bodens am Wasserkasten zu befestigen und gleichzeitig abzudichten. Dabei weisen die Öffnungen vor dem Einpressen der Rohre zumindest in einem Teilbereich einen geringeren Durchmesser als den Rohraußendurchmesser auf. Durch das axiale Einpressen der Rohre in die Öffnungen des Bodens wird ein starker Preßsitz erzeugt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsanordnung für metallische Rohre eines Wärmetauschers mit einem Boden eines Wasserkastens der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Ein Wärmetauscher dieser Gattung ist aus der DE-OS 32 33 913 bekannt Dieser Wärmetauscher umfaßt einen Rohrboden aus Kunststoff mit Öffnungen zur Aufnahme der Rohrenden der Wärmetauscherrohre. Die Öffnungen im Rohrboden besitzen einen geringfügig größeren Durchmesser als die Rohre, so daß letztere leicht in die Öffnungen eingeführt werden können. Zur Befestigung der Rohre in dem Boden v/erden in die Rohrenden Dorne eingeführt, die gegenüber den Rohren ein Übermaß besitzen, so daß diese bei Einführen des Dornes aufgeweitet werden, so daß sich eine Preßsitzverbindung zwischen Boden und Rohrenden ergibt. Nach dem Befestigen der Rohrenden im Boden wird der Wasserkasten auf den Baden aufgesetzt und mittels Ultraschallschweißung an diesem befestigt. Eine derartige Verbindung von Rohren und Boden ist jedoch nur möglieh, weil der Wasserkasten später auf den Boden aufgesetzt und mit diesem verbunden wird. Die Benutzung eines Wasserkastens mit Boden als einstückiges Spritzgußteil aus Kunststoffmaterial ist dabei nicht möglich.
Aus der DE-AS 24 35 632 ist ein Wärmetauscher bekannt, bei dem die Wasserkästen aus einem rohrförmigen Kunststoffteil bestehen, wobei der Rohrboden integraler Bestandteil des Wasserkastens ist. Der Wasserkasten weist eine Vielzahl von Öffnungen auf, die jeweils mit einer Gummidichtung versehet ^,ind, in die die Enden der Wärmetauscherrohre gesteckt sind. Die Dichtungen haben dabei lediglich die Aufgabe, einen Austritt des Wärmetauscherfluids zu verhindern; der Wasserkasten wird dadurch jedoch nicht auf dem Wärmetauscherblock befestigt. Zur Befestigung der Wasserkästen sind seitliche Befestigungselemente in Form von Rahmenteilen vorgesehen, die die Wasserkästen und den dazwischenliegenden Wärmetauscherblock miteinander verspannen.
Ganz abgesehen davon, daß bei derartigen Gummidichtungen besondere Anforderungen an die Alterungsbeständigkeit gestellt werden, bringen die zusätzlichen Teile (Gummidichtungen und Befestigungsmittel) Kosten für die Herstellung dieser Teile sowie für Lagerhaltung und Montage mit sich, was insbesondere bei einer Großserienfertigung von Nachteil ist.

Es sind ferner Verbindungsanordnungen für Wärmetauscherrohre mit einem Wasserkasten bekannt, bei denen die Rohre durch radiales Aufweiten in einem metallischen Rohrboden befestigt und abgedichtet sind (DE-OS 24 48 332). Diese Maßnahme ist jedoch nur dann möglich, wenn der Rohrboden ein separates Teil des Wasserkastens ist und der Wasserkasten erst nach Herstellung der Verbindung aufgesetzt wird. Bei einer solchen Ausführung ist jedoch der Wasserkasten nicht als einstückiges Spritzgußteil aus Kunststoffmaterial herstellbar.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Verbindungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1

bezeichneten Gattung zu schaffen, die neben einer zuverlässigen Abdichtung auch eine hohe mechanische Festigkeit ohne separate Befestigungsmittel gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einer Verbindungsanordnung für metallische Rohre eines Wärmetauschers mit einem Boden eines Wasserkastens dtr gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei wird nicht nur die Verwendung eines kostengünstig im Spritzgußverfahren einstückig herstellbaren Wasserkastens erreicht, es sind darüber hinaus für die Abdichtung der Rohre und die Befestigung der Wasserkästen am Wärmetauscherblock keine zusätzlichen Bauteile erforderlich. Der Wärmetauscher weist somit ein Minimum an erforderlichen Komponenten auf, was schließlich zu einer Verringerung der Herstellungskosten führt.

Für die Gestaltung der Öffnungen gibt es verschiedene Möglichkeiten, so können die Öffnungen zum Beispiel zylindrisch ausgebildet und an ihrem außen liegenden Ende mit einem Anlaufkonus versehen sein; sie können jedoch auch in Richtung auf den innenraurn des Wasserkastens konisch verjüngt ausgebildet j^in. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Öffnungen eine oder mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Rille bzw. Rillen aufweisen. Diese Rillen tragen einerseits zur Erzeugung mehrerer Dichtkanten bei; sie können aber andererseits auch als Sammelräume für ein aushärtbares Dichtungsmittel dienen.

Zum Erreichen mehrerer Dichtkanten der Verbindungsanordnung ist es zweckmäßig, die im Boden des Wasserkastens befindlichen Rohrenden an der Mantelfläche sägezahnförmig auszubilden. Die sägezahnförmige Struktur ergibt sich durch entsprechende, in Umfangsrichtung verlaufende Vorsprünge und Rillen. Hierbei wirkt sich besonders günstig die Werkstoffpaarung von metallischem Rohr und Kunststoffwasserkasten aus, da das Kunststoffmaterial aufgrund seiner größeren Elastizität die Rillen teilweise oder ganz ausfüllt.

Vorzugsweise werden die Materialien und die Abmessungen der Teile so ausgewählt, daß durch das Einpressen der Rohre die Rohrenden elastisch eingeschnürt und gleichzeitig die Öffnungen im Boden elastisch aufgeweitet sind. Hierbei ist es besonders zweckmäßig, das Rohrende soweit in den Boden des Wasserkastens einzupressen, daß es auf der Innenseite des Wasserkastens ein kleines Stück aus dem Boden ragt und dort aufgrund der Elastizität des Materials wieder in seine ursprüngliche, im Durchmesser erweiterte Form zurückfedert. Dadurch bildet das auf der Innenseite des Wasserkastens liegende Ende der Öffnung eine Dichtkante, an der sich durch das elastisch wieder aufgeweitete Ende eine verstärkte Pressung ergibt. Die Verformung des Bodens und der Rohre muß nicht im rein elastischen Bereich liegen, es wird auch dann eine große Festigkeit und gute Abdichtung erreicht, wenn eines der beiden Teile plastisch bzw. elastisch-plastisch verformt ist. Dies hat den Vorteil, daß größere Fertigungstoleranzen der Rohraußendurchmesser und der Öffnungen zulässig sind und trotzdem eine einwandfreie Verbindung erreicht wird.

Es kann zweckmäßig sein, die Rohrenden und/oder die Öffnungen vor dem Einpressen mit einem Gleit- und/oder aushärtbaren Dichtungsmittel zu versehen. Ein solcher Auftrag eines Gleit- und/oder Dichtungsmittels erfolgt vorzugsweise in mikroverkapselter Form, wobei die Mikrov;.rkapselung durch das axiale Einpressen zerstört wird. Das Gleit- oder Dichtungsmittel verteilt sich nach Austreten aus den Kapseln an der Verbindungsfläche und sammelt sich beispielsweise in Unebenheiten der Rohrmantelfläche oder der Öffnungswandung.

Zur Versteifung des Wasserkastens und zu dessen Abstützung während des Einpressens der Rohre weist der Wasserkasten Bauteile, zweckmäßigerweise in Form von Materialverdickungen auf, die beispielsweise durch Trennwand oder Vorsprünge gebildet werden.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch einen Wasserkasten mit eingepreßten Wärmetauscherrohren,

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit Z in Fig. 1,

F i g. 3 eine Ausführungsvariante zu F i g. 2,

Fig.4 einen Schnitt durch einen Wasserkasten mit eingepreßten Wärmetauscherrohren in perspektivischer Darstellung,

Fig.5 eine vergrößerte Darstellung einer Öffnung des Bodens und eines Rohres vor dem Einpressen und mikroverkapseltem Gleit- und Dichtungsmittel in der

Öffnung,

F i g. 6 eine Darstellung der Rohr/Boden-Verbindung gemäß F i g. 5 im fertigen Zustand.

In F i g. 1 ist ein aus einem Kunststoff bestehender Wasserkasten 1 dargestellt, dessen Boden 2 integraler Bestandteil des Wasserkastens 1 und nit diesem einstückig ist. Die Dicke des Bodens 2 ist wesentlich größer als die Wandstärke des übrigen Wasserkastens 1. Im Innern des Wasserkastens 1 befindet sich eine senkrechte Trennwand 3, durch die im Wasserkasten 1 zwei Kammern, nämlich eine Zulaufkammer 4 und eine Rücklaufkammer 5 gebildet werden. Die Trennwand 3 dient außerdem zur Versteifung des Wasserkastens 1. Im Boden 2 befinden sich öffnungen 6, in die die Rohrenden 7 von gabelförmigen Rohren 8 eingepreßt sind.

Diese Rohrgabeln aus den Rohren 8 bilden zusammen mit einer Vielzahl von quer angeordneten Rippen 9 einen vVärmetauscherblock 10. Der Wasserkasten 1 weist an einigen vorbestimmten Stellen Vorsprünge 11 und 12 auf, die zum Einspannen des Wasserkastens zum axialen Einpressen der Rohrenden 7 des Wärmetauscherblocks 10 dienen. Die Abstützkraft, deren Richtung durch die Pfeile 13 dargestellt ist, wirkt auf die Vorsprünge 11. Die Vorsprünge 11 und 12 tragen außerdem zur Versteifung des Wasserkastens 1 bei.

In Fig.2 ist die Einzelheit Zaus Fig. 1 vergrößert dargestellt. Der Boden 2 hat eine zylindrische Öffnung 6 mit einem konischen Anlauf 14, der das Einführen der Rohrenden 7 der Rohrgabel 8 erleichtern soll. Jedes Rohrende 7 weist an seiner Mantelfläche eine sägezahnförmige Struktur auf, die durch entsprechend geformte Vorsprünge 15 und Rillen 16, die jeweils in Umfangtrichtung verlaufen, gebildet ist. Da der Außendurchmesser der Rohrgabeln 8 ursprünglich größer ist als der Durchmesser der Öffnung 6, wird beim axialen Einpressen des Rohrendes 7 in dem Boden 2 das Rohrende 7 elastisch eingeschnürt und die öffnung 6 elastisch aufgeweitet. Die Verformung des Bodens bzw. der Öffnungen oder der Rohre kann auch im plastischen bzw. elastisch-plastischen Bereich liegen. Durch das axiale Einpressen der Rohre wird ein starker Preßsitz zwischen den Rohren und dem Boden des Wasserkastens erzeugt. Durch die Vorsprünge 15 wird erreicht, daß mehrere Dichtkanten zwischen Rohrende 7 und dem Boden 2

gebildet werden, wobei die zwischen den jeweiligen Dichtkanten liegenden und durch die Rillen 16 gebildeten Hohlräume mit einem Dichtungsmittel gefüllt sein können. Das äußerste Ende T des Rohrendes 7 ragt ein kleines Stück in die Zulaufkammer 4, wobei dieses aus dem Boden 2 hervorstehende Ende T aufgrund der Elastizität des Materials wieder in seine ursprüngliche, im Durchmesser erweiterte Form zurückfedert. Dadurch bildet das auf der Innenseite des Wasserkastens liegende Ende der öffnung 6 eine Dichtkante 17, an der sich durch das aufgefederte äußerste Ende T eine verstärkte Pressung ergibt.

In F i g. 3 ist eine Ausführungsvariante zu F i g. 2 dargestellt, wobei im Boden 2 wiederum eine zylindrische Öffnung 6 dargestellt ist. Die öffnung 6 besitzt einen gegenüber Fig. 2 längeren Anlaufkonus 14', der bezogen auf die Mittelachse den öffnungswinkel λ besitzt. Gemäß F i g. 3 besitzt das Rohrende 7 eine glatte Mantelfläche, die über ihre gesamte axiale Länge dicht an der Wandung der Öffnung 6 im Boden 2 anliegt. Beim Einpressen wird — ebenso wie in Fig. 2 — das Rohrende 7 elastisch eingeschnürt und die öffnung 6 elastisch aufgeweitet, wobei die Verformung eines der beiden Teile auch im plastischen bzw. elastisch-plastischen Bereich liegen kann. Das in die Zulaufkammer 4 ragende äußerste Ende T nimmt aufgrund der Elastizität des Materials wieder seine ursprüngliche Form ein, wodurch das auf der Innenseite des Wasserkastens liegende Ende der öffnung 6 eine Dichtkante 17 bildet, an der sich durch das aufgefederte Ende T eine verstärkte :o Pressung ergibt.

In F i g. 4 ist ein Schnitt durch einen Wasserkasten mit eingepreßten Wärmetauscherrohren gezeigt, wobei der Wasserkasten 1 mit einem Boden 2 als einstückiges Kunststoffteil hergestellt ist. Im Boden 2 sind konische, zum Innenraum des Wasserkastens hin verjüngende öffnungen 6 angeordnet, in die Rohrenden 7 von Wärmetauscherrohren 18 eingepreßt sind. Beim Einpressen der Rohrenden 7 in den Boden 2 erfolgt aufgrund der konischen Ausbildung der öffnungen 6 eine zunehmende Einschnürung der Rohrenden 7 und eine ansteigende elastische Verformung des Bodens 2, wobei die Verformung eines der beiden Teile auch im plastischen bzw. elastisch-plastischen Bereich liegen kann. Die Rohrenden 7 werden soweit eingepreßt, daß sie ein in den Wasserkasteniniienraum ragendes äußerstes Ende T aufweisen, das aufgrund der vorangegangenen elastischen Einschnürung, die bei Durchtritt in den Innenraum aufgehoben ist, wieder in seine ursprüngliche Form zurückfedert. Auch in diesem Fall ergibt sich am inneren Ende der öffnung 6 eine Dichtkante 17 wie in Fig. 3.

In F i g. 5 ist ein Ausschnitt des Wasserkastenbodens 2 mit konischer Öffnung 6 dargestellt Die konische öffnung 6 weist drei in Umfangsrichtung verlaufende RiI- !en 19 auf. Die Wand der öffnung 6 und die Rillen 19 sind mit einem Gleit- und Dichtungsmittel 20 überzogen, wobei das Gleit- und Dichtungsmittel 20 in mikroverkapselter Form aufgetragen ist. F i g. 6 zeigt den Ausschnitt des Wasserkastenbodens gemäß Fig. 5, jedoch mit eingepreßtem Rohrende 7.

Beim axialen Einpressen des Rohres werden aufgrund der einwirkenden Kräfte die Mikrokapseln zerstört und das Gleit- und Dichtmittel verteilt sich an der Verbindungsfiäche und sammelt sich schließlich in den aufgrund von Unebenheiten der Rohroberfläche gebildeten Hohlräumen zwischen der Mantelfläche des Rohres und der Wandung der Öffnung 6. Wie in den bereits beschriebenen Anordnungen, so erfolgt auch beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und 6 beim Einpressen des Rohrendes 7 in den Boden 2 eine elastische Einschnürung des Rohrendes 7 und eine elastische Aufweitung der Öffnung 6, wobei die Verformung eines der beiden Teile auch im plastischen bzw. elastisch-plastischen Bereich liegen kann. Das in den Innenraum des Wasserkastens ragende äußerste Ende T des Rohrendes 7 ist ebenfalls aufgrund der Elastizität des Materials in seine ursprüngliche, aufgeweitete Form zurückgefedert, wodurch an der Dichtkante 17 eine verstärkte Pressung erzeugt wird.

Neben der Mikroverkapselung gibt es auch andere Möglichkeiten, ein Gleit- und/oder Dichtungsmittel aufzutragen. Die Mikroverkapselung bietet jedoch den Vorteil, daß das Dicht- und Gleitmittel wie eine Trokkensubstanz aufgetragen wird, ohne daß das in den Kapseln enthaltene Mittel einer chemischen Veränderung, beispielsweise durch Alterung oder Reaktion, unterliegt. Die Mikroverkapselung ermöglicht es somit, die öffnungen im Wasserkastenboden bereits bei der Herstellung des Wasserkastens mit einem Gleit- und/ oder Dichtmittel zu versehen, auch wenn der Wasserkasten bis zur Verbindung mit dem Wärmetauscherblock über längere Zeit gelagert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verbindungsanordnung für metallische Rohre eines Wärmetauschers mit einem Boden eines Wasserkastens, wobei der Boden aus Kunststoff besteht und die Rohre mittels Preßsitzverbindung in Öffnungen des Bodens befestigt und abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2) mit dem Wasserkasten (1) einstückig ausgeführt ist und die Öffnungen (6) im Boden (2) vor dem Einpressen der Rohre (8,18) zumindest in einem Teilbereich einen geringeren Durchmesser als den Rohraußendurchmesser aufweisen und der Preßsitz durch das axiale Einpressen der Rohrenden (7) in die Öffnungen (6) erzeugt wird.

2. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6) zylindrisch ausgebildet und an ihren außen liegenden Enden mit eüifcm Anlaufkonus (14) versehen sind.

3. Verbindungsanordnung nach Anspruch {, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6) in Richtung auf den Innenraum des Wasserkastens (1) konisch verjüngt ausgebildet sind.

4. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (6) eine oder mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Rille (19) bzw. Rillen (19) aufweisen.

5. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Boden (2) d:~, Wasserkastens (1) befindlichen Rohrenden (7) an der Mantelfläche sägezahnförmig ausgebildet ist.

6. Verbindungsanordnung na^h einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Einpressen der Rohre die Rohrenden (7) elastisch eingeschnürt und die öffnungen (6) im Boden (2) elastisch aufgeweitet sind.

7. Verbindungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (7) oder die öffnungen (6) auch plastisch verformt sind.

8. Verbindungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende (7') der Rohre (8, 18) auf der Innenseite des Wasserkastens (1) aus dem Boden (2) ragt und dort aufgrund der Elastizität des Materials wieder in seine ursprüngliche Form zurückgefedert ist.

9. Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (7) und/oder die Öffnungen (6) vor dem Einpressen mit einem Gleitmittel versehen sind.

10. Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (7) und/oder die Öffnungen (6) vor dem Einpressen mit einem aushärtbaren Dichtungsmittel versehen sind.

11. Verbindungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleit- und/oder Dichtungsmittel in mikroverkapselter Form aufgebracht ist.

12. Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserkasten (1) Bauteile (Trennwand 3, Vorsprünge 11,12) zur Versteifung und Abstützung während des Einpressens der Rohre (8,18) aufweist.

13. Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserkasten (1) aus einem Polyamid mit

30% Glasfaser-Anteil besteht.

14. Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (7) zum leichteren Einpressen eine Verjüngung aufweisen.