DE3720483C3 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Ein solcher Wärmetauscher ist der DE-OS 23 02 769 zu entnehmen. Er weist zwei parallel zueinander angeordnete Endkästen und eine Vielzahl von sich zwischen den Endkästen erstreckenden Rohren auf, die mit ihren gegenüberliegenden Endbereichen an den Endkästen derart befestigt sind, daß die Innenräume der Rohre Verbindung zu den Innenräumen der Endkästen haben. Die Endkästen haben jeweils in den Wandungen, die von den Rohren durchstoßen werden, abgeschlossene Räume, die die Rohrenden umschließen. Diese Räume sind dazu bestimmt, daß eine Dichtungsfüllmasse eingespritzt wird, die sich um die Rohrenden verteilt und so für eine Abdichtung sorgt.

Bei dem bekannten Wärmetauscher sind die abgeschlossenen Räume in den Böden der Endkästen eingeformt. Hierzu bestehen die Endkästen jeweils aus einem von den Rohren durchsetzten Boden und einem daran anschließenden Deckel. Dabei sind die Endkästen zweigeteilt. Bei einer ersten Ausführungsform bestehen die Endkästen aus zwei vertikal geteilten Hälften (Fig. 2 bis 5), während in einer zweiten Ausführungsform die Böden und Deckel separate Teile darstellen (Fig. 6 und 7). Nach Einpressen von Nuten und dem Zusammenbau der Einzelteile entstehen die abgeschlossenen Räume für die Dichtungsfüllmasse.

Die mehrteilige Ausbildung der Endkästen hat nicht nur hohe Fertigungskosten zur Folge, sondern wirft auch Abdichtungsprobleme an den aneinanderliegenden Flächen der einzelnen Teile auf. Zwar ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 6 und 7 versucht worden, dieses Problem zu lösen. Hierzu muß jedoch in einem aufwendigen Verfahren eine entsprechende Ringnut in den Boden eingeformt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Endkästen für einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie leicht herstellbar und ohne großen Aufwand abdichtbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Endkästen aus einem extrudierten Aluminiumformteil bestehen, dessen Enden durch Endplatten verschlossen sind. Nach der Erfindung bestehen also die Endkästen aus einem im Querschnitt geschlossenen Strangpreßprofil, dessen Innenraum durch eine Trennwand in einen wasserführenden Hohlraum und in einen Raum für die Dichtungsfüllmasse aufgeteilt ist. Über die gesamte Länge der Endkästen gibt es im Unterschied zum vorbekannten Wärmetauscher keine abzudichtenden Fugen. Lediglich die Enden der Endkästen müssen mit Endplatten geschlossen werden, was einfach abzudichten ist. Die Herstellungskosten eines solchen Wärmetauschers sind wesentlich geringer als bei dem vorbekannten Wärmetauscher, weil das Einformen der geschlossenen Räume für die Dichtungsfüllmasse und das Zusammenfügen der einzelnen Teile der Endkästen entfällt.

Zwar ist es durch die DE-OS 23 02 769 auch bekannt, Endkästen im Strangpreßverfahren herzustellen, jedoch nicht im Zusammenhang mit dem gattungsgemäßen Wärmetauscher.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers, fertiggestellt für den Einbau als Kühler für Automobile;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Verbindung zwischen Endkasten und Rohren;

Fig. 3 eine Frontansicht der Verbindung zwischen Endkasten und Rohren mit einer Teilschnittdarstellung;

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Ebene (4)-(4) in Fig. 3;

Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Ebene (5)-(5) in Fig. 3,;

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Ebene (6)-(6) in Fig. 3;

Fig. 7 einen Querschnitt entlang der Ebene (7)-(7) in Fig. 3;

Fig. 8 einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen Endkasten und Rohren einer anderen Version;

Fig. 9 einen Querschnitt der Verbindung zwischen Endkasten und Rohren in einer weiteren Version;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines anderen Wärmetauschers mit Teilschnittdarstellungen für die Verwendung als Kondensator in Autokühlungen;

Fig. 11 eine perspektische Ansicht der Verbindung der Endkästen und der Rohre des Wärmetauschers gemäß Fig. 10 in Explosionsdarstellung;

Fig. 12 einen Querschnitt entlang der Ebene (12)-(12) in Fig. 10;

Fig. 13 eine Darstellung des Fließschemas des Kühlmittels bei dem Wärmetauscher gemäß Fig. 10;

Fig. 14 einen Querschnitt durch eine modifizierte Version eines Wärmetauschers;

Der in den Fig. 1 bis 7 dargestellte Kühler hat einen Wärmeaustauschbereich (23), der aus einer Vielzahl von Rohren (21) und gewellten Rippenelementen (22) aufgebaut ist, die abwechselnd zueinander angeordnet sind. Den jeweils gegenüberliegenden, äußeren Rippenelementen (22) liegen Seitenplatten (24) benachbart, während die Rohre (21) an ihren gegenüberliegenden Enden über Endkästen (25) verbunden sind.

Die Rohre (21) sind aus Aluminium gefertigt und elektrisch genahtet. Jedes Rohr (21) weist einen flachen oder plattenförmigen Abschnitt (21a) im Mittenbereich und aufgeweitete, zylindrische Abschnitte (21c) an den gegenüberliegenden Enden mit dazwischen angeordneten, sich verjüngenden Abschnitten (21b) auf, wie dies aus den Fig. (2) und (3) zu ersehen ist.

Die Endkästen (25) bestehen aus extrudiertem Aluminiumguß in der Form eines länglichen Körpers, wie Fig. 2 zeigt. Die Endkästen (25) haben einen speziellen Querschnitt, wie er vor allem aus Fig. 6 hervorgeht. Danach werden drei Seiten von gewöhnlichen Flachwandungen (25a) gebildet, während die weitere Seite vollständig eingezogen ist und eine erste Bodenwandung (25b) und eine zweite Bodenwandung (25d) hat. Die Bezugsziffer (25c) bezeichnet eine Vorderwandung, die ein Loch (26) zur Aufnahme des Rohrs (21) umgibt.

Wie aus Fig. (6) weiterhin zu sehen ist, umfaßt der Endkasten (25) drei Räume (26, 27, 28), wobei der Raum (27) mit einer Dichtungsfüllmasse ausgefüllt ist und der Raum (28) den Hauptquerschnitt für die Aufnahme des Kühlmittels bildet. Die erste und zweite Bodenwandung (25b) bzw. (25c) sind mit Öffnungen (29) versehen, die entsprechend der Entfernung zwischen zwei benachbarten Rohren (21) beabstandet sind, wobei jede Öffnung (29) einen Durchmesser hat, der im wesentlichen demjenigen des zylindrischen Abschnittes (21c) des Rohrs (21) entspricht. Das Rohr (21) ist in die Öffnung (29) soweit eingeschoben, daß sein zylindrischer Abschnitt (21c) bündig in der zweiten Bodenwandung (25d) zu liegen kommt, so daß sich das Rohr (21) in den Raum (28) öffnet. Die Dichtungsfüllmasse (30) befindet sich in dem Raum (27), um darin das Rohr (21) zu halten. Dies geschieht deshalb, um sicherzustellen, daß der zylindrische Abschnitt (21c) jedes Rohres (21) sich zwischen der ersten und zweiten Bodenwandung (25b) bzw. (25d) befin­ det und daß der sich verjüngende Abschnitt (21b) in dem Raum (26) eingepaßt ist.

Der zylindrische Abschnitt (21c) des Rohres (21) ist in der aus Kunststoff bestehenden Dichtungsfüllmasse (30) eingebettet. Diese Dichtungsfüllmasse (30) ist zunächst flüssig und wird in den Raum (27) durch eine geeignete Öffnung eingespritzt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dies durch ein in einer Endplatte (31) hergestelltes Loch (32), wie in Fig. 2 zu sehen ist.

Die gewellten Rippenelemente (22) werden durch Biegen eines Aluminiumbleches in Wellenform hergestellt, wobei vorzugsweise in jedem Streifen ein Raster vorgesehen ist. Der Streifen hat eine Länge, die etwas größer ist als der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Rohren (21), wobei die Gesamtlänge des Rippenelementes (22) im wesentlichen dem des flachen Abschnittes (21a) des Rohres (21) entspricht.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, sind die Rippenelemente (22) jeweils zwischen den flachen Abschnitten (21a) von zwei benachbarten Rohren (21) angeordnet, ausgenommen die gegenüberliegenden äußeren Rippenelemente (22), die zwischen den flachen Abschnitten (21a) und den jeweiligen Seitenplatten (24) liegen. Die Rippenelemente (22) sind derart zwischen den jeweils benachbarten Rohren (21) angeordnet, daß Luft durch die Rippenelemente (22) in zur Fließrichtung des Kühlmittels senkrechter Richtung durch die Rohre (21) strömt.

In Fig. 3 bezeichnet der Buchstabe (P ) einen Bereich, in dem die Rippenelemente (22) nicht hineinreichen. Nachstehend wird dieser Bereich als rippenfreier Bereich (P ) bezeichnet. Dieser rippenfreie Bereich (P ) wird durch die Vorderwände (25c) und die in dem Endkasten (25) befestigten Rohre (21) eingeschlossen, wodurch vermieden wird, daß Luft den Wärmeaustauschbereich (23) durch diesen rippenfreien Bereich passieren kann, ohne einen Beitrag zu dem beabsichtigten Wärmeaustausch zu leisten. Es wird jeder Luftverlust vermieden, was zu einer verbesserten Wärmeaustauschwirkung führt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der rippenfreie Bereich (P ) durch die Vorderwandungen (25c) und die Rohre (21) verdeckt wird, wodurch ein gutes Erscheinungsbild des Wärmeaustausches erhalten wird.

Wie aus Fig. 3 ferner zu ersehen ist, bildet die Seitenplatte (24) eine kastenförmige Strebe, die einen Bodenabschnitt (24a) und Seitenabschnitte (24b) mit gebogenen Kanten (24c) aufweist. Der Bodenabschnitt (24a) umfaßt Zungenelemente (24d) an beiden Enden, wobei die Zungenelemente (24d) ein Loch (24e) aufweisen. Das Zungenelement (24d) ist für das Einschieben in einen Schlitz (34) vorgesehen, der sich im Endkasten (25) befindet. Die Seitenplatte (24) besteht gleichfalls aus Aluminium. Das Zungenelement (24c) ist in der Dichtungsfüllmasse (30) eingebettet und an dem Endkasten (25) befestigt, wobei das Loch (24e) von der Dichtungsfüllmasse (30) ausgefüllt wird. Hierdurch wird die Verbindung zwischen der Seitenplatte (24) und dem Endkasten (25) gesichert. Falls gewünscht, können zwei oder mehr Löcher (24e) vorgesehen sein, wobei verschiedene Formgebungen, beispielsweise runde, rechteckige oder dreieckige, in Frage kommen.

Wie wiederum aus Fig. 1 zu ersehen ist, ist der Endkasten (25) mit einem Gewindeauge (35) versehen, um darin einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Kühlmittels befestigen zu können. Die Endkästen (25) weisen ferner ein Einlaßrohr (36), ein Auslaßrohr (37), einen Füllstutzen (38) und Befestigungsbügel (39) auf. Diese werden an den Endkästen (25) befestigt, bevor die Rohre (21) und die Endkästen (25) miteinander verbunden werden.

Zur Verbindung der Rohre (21) mit den Endkästen (25) werden erstere in die Öffnungen (29) eingeschoben. Gleichzeitig werden auch die Zungenelemente (24d) in die Schlitze (34) eingesetzt. Dann werden die Rippenelemente (22) zwischen den jeweils benachbarten Rohren (21) bzw. zwischen den äußeren Rohren (21) und den Seitenplatten (24) plaziert. Spannvorrichtungen oder Befestigungsbänder sind nicht notwendig. Schließlich wird die endgültige Verbindung der Teile untereinander durch Löten oder Hartlöten hergestellt. Das Zusammensetzen der Teile ist jedoch nicht auf das vorbeschriebene Verfahren beschränkt.

Am Schluß wird die Dichtungsfüllmasse (30) in den Raum (27) des Endkastens (25) eingespritzt, und zwar durch das Loch (32) in der Endplatte (31). Die Dichtungsfüllmasse (30) ist zunächst flüssig, härtet jedoch nach dem Einspritzen in den Endkasten (25) aus, notfalls durch Anwendung von Wärme. Die Dichtungsfüllmasse (30) sichert eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den Rohren (21) und dem Endkasten (25), ohne daß es hierzu der bekannten Endkastenplatten und O-Ringe bedarf.

Fig. 8 zeigt einen modifizierten Endkasten (125), bei dem die erste Bodenwandung (25b) des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels weggelassen und durch eine einzige Bodenwandung (125d) ersetzt worden ist. Entsprechend ist ein Raum (127) zum Einfüllen einer Dichtungsfüllmasse (130) vorgesehen.

Das Rohr (121) ist mit einem Gewinde (141) in seinem zylindrischen Abschnitt (121c) versehen, so daß die Dichtungsfüllmasse (130) in das Gewinde (141) eindringen kann, wodurch man eine feste Verbindung zwischen den Rohren (121) und dem Endkasten (125) erhält. Anstatt eines wendelförmigen Gewindes können auch ringförmige Nuten, wie sie in Fig. 9 dargestellt sind, vorgesehen sein. Auch mehrere andere Ausnehmungen können anstatt des Gewindes (141) bzw. der Nuten (241) vorgesehen sein.

Fig. 9 zeigt einen weiteren modifizierten Endkasten (225), in dem ein Raum (227) zum Einfüllen einer Dichtungsfüllmasse (230) bereitgestellt ist. Dieser Raum (227) ist durch eine Trennwandung (225d ) in zwei Sektionen aufgeteilt. Die Dichtungsfüllmasse (230) ist in die beiden getrennten Räume (227) durch Löcher (224) in dem Endkasten (225) und der Trennwandung (225d) eingespritzt worden. Der rippenfreie Bereich wird von Vorderwandungen (225c) und den Rohren (221) eingeschlossen.

Die Fig. 10 bis 12 zeigen eine Ausgestaltung, wie die vorliegende Erfindung bei einem Kondensator bei einer Autokühlung anwendbar ist. Wie am besten aus Fig. 11 zu ersehen ist, sind ein oberer Endkasten (301) und ein unterer Endkasten (302) vorgesehen. Beide Endkästen (301, 302) sind über Rohre (303) miteinander verbunden. Zwischen benachbarten Rohren (303) und zwischen den äußeren Rohren (303) und Seitenplatten (305) sind gewellte Rippenelemente (304) angeordnet. Die Endkästen (301, 302) bestehen ebenfalls aus Aluminiumguß.

Jeder Endkasten (301, 302) ist mit Trennwandungen (306, 307) versehen, die die Innenräume in Füllräume (310, 311) zum Einspritzen von Dichtungsfüllmasse und in Kühlmittelwege (308, 309) zum Hindurchführen eines Kühlmittels aufteilen. Die Füllräume (310, 311) liegen den Rohren (303) benachbart. Der obere Endkasten (301) ist mittels Deckeln (312) verschlossen, während der untere Endkasten (302) mit einer Einlaßöffnung (313) und einer Auslaßöffnung (314) versehen ist, damit das Kühlmittel durch das System hindurchgeführt werden kann. Der Kühlmittelweg (309) im unteren Endkasten (302) ist in einen Vorderraum (309a) und einen Hinterraum (309b) mittels einer Trennwand (315) aufgeteilt. Der Hinterraum (309b) ist durch einen Vorsprung (316) der Seitenplatte (305) geschlossen, so daß das eintretende Kühlmittel allein in den Vorderraum (309a) eintreten kann. Dieser ist an der Auslaßseite durch einen Vorsprung (316) der anderen Seitenplatte (305) verschlossen.

Die aus Aluminiumguß bestehenden Rohre (303) sind an den Endkästen (301, 302) mit ihren gegenüberliegenden Enden befestigt. Sie sind dabei in Schlitze (317) eingesetzt, die in die Außenwandung der Endkästen (301, 302) und in die Trennwände (306, 307) eingeformt sind. Auf diese Weise sind die Rohre (303) zu den Kühlmittelwegen (308, 309) hin offen. Die eingesetzten Rohre (303) sind in die Dichtungsfüllmasse (318) eingebettet, die in die Füllräume (310, 311) eingespritzt ist. Vorzugsweise sind die Rohre mit Ausnehmungen (319) versehen, beispielsweise Nuten oder runde Vertiefungen im Endbereich, so daß sie mehr Dichtungsfüllmasse (318) auf ihrer Oberfläche aufnehmen. Die flüssige Dichtungsfüllmasse (318) wird über Löcher (320) (Fig. 10) in den Außenwandungen der Endkästen (301, 302) eingefüllt. Die Dichtungsfüllmasse (318) ist vorzugsweise ein Epoxitharz.

Der Innenraum (321) in jedem Rohr (303) ist gleichfalls in einen Vorderraum (321a) und einen Hinterraum (321b) durch eine zentrale Trennwand (322) aufgeteilt. Diese Trennwand (322) steht in luftdichtem Kontakt mit der Trennwand (315) in dem unteren Endkasten (302). Hierdurch stehen die zwei Vorderräume (309a) und (321a) miteinander in Verbindung. Entsprechendes gilt für die ebenfalls in Verbindung stehenden Hinterräume (309b) und (321b).

Wie in Fig. 10 dargestellt, sind die Kühlmittelwege (308, 309) in jedem der beiden Endkästen (301, 302) mit Sperrplatten (325, 326 bzw. 327, 328) versehen. Die Sperrplatten (325, 326 bzw. 327, 328) sind in dem oberen und dem unteren Endkasten (301, 302) derart angeordnet, daß sie in ihrer Position zueinander korrespondieren. Im oberen Endkasten (301) sind die halbkreisförmigen Sperrplatten (325, 327) so angeordnet, daß sie den Kühlmittelweg (308) in drei gleiche Sektionen aufteilen. In dem unteren Endkasten (302) blockiert die Sperrplatte (326) den Vorderraum (309a) des Kühlmittelweges (309) und die Sperrplatte (328) den Hinterraum (309b). Aufgrund der Sperrplatten (325, 326, 327, 328) hat der gesamte Kühlmittelweg (C) ein Fließmuster, wie es in Fig. 13 dargestellt ist. Die Rohre (303) sind dabei in drei Gruppen I, II und III aufgeteilt. Das Kühlmittel fließt durch diese drei Gruppen von Rohren (303) von der Einlaßöffnung (313) zur Auslaßöffnung (314). In jeder Gruppe ist das Kühlmittel gezwungen, durch einen vorderen und durch einen hinteren Weg zu fließen.

Die Sperrplatten (325, 326, 327, 328) sind in Schlitze (329) eingesetzt, die in die Außenwandungen der betreffenden Endkästen (301, 302) eingeformt sind. Die Sperrplatten (325, 326, 327, 328) weisen Befestigungsbügel (330, 331, 332, 333) auf, deren Enden umgebogen sind und mit Befestigungslöchern (334) versehen sind, die dazu bestimmt sind, den Wärmeaustauscher innerhalb eines Systems, beispielsweise eines Automobils, zu befestigen.

Die Rippenelemente (304) sind an den Rohren (303) und an den Seitenplatten (305) angelötet bzw. hartgelötet.

Die Seitenplatten (305) weisen Boden- und Seitenwandungen auf, die sich von den beiden Kanten erstrecken, wobei der Boden einen oberen Überstand (305a) und einen unteren Überstand (305b) aufweist, die dazu bestimmt sind, in Schlitze (335) in den jeweiligen Endkästen (301, 302) eingesetzt zu werden. Die Überstände (305a, 305b) sind an diesen angelötet bzw. hartgelötet.

Fig. 14 zeigt weiter modifizierte Endkästen (341, 342), die auf die Rohre (343) gerichtete, flache Seiten aufweisen. In dem oberen Endkasten (341) ist eine obere Trennwand (346) und eine untere Trennwand (347) angeordnet. Den Rohren (343) benachbart sind Füllräume (340), die durch die untere Trennwand (347) in zwei Sektionen aufgeteilt sind und in die Dichtungsfüllmasse (318) unabhängig voneinander eingefüllt wird, um die darin eingeschobenen Rohre (343) zu befestigen. Die anderen Komponenten sind dieselben, wie sie in den Fig. 10 und 11 gezeigt und durch die entsprechenden Bezugsziffern gekennzeichnet sind.

Claims (8)

1. Wärmetauscher mit zwei parallel zueinander angeordneten Endkästen und einer Vielzahl von sich zwischen den Endkästen erstreckenden Rohren, die mit ihren gegenüberliegenden Endbereichen an den Endkästen befestigt und dort über eine Dichtungsfüllmasse abgedichtet sind, wobei zur Aufnahme der Dichtungsfüllmasse innerhalb der Endkästen ein abgeschlossener Raum vorgesehen ist, der die Rohrenden umschließt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Endkästen (25, 125, 225; 301, 302; 341, 342) aus einem extrudierten Aluminiumformteil bestehen, dessen Enden durch Endplatten (31, 313) verschlossen sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (21, 121, 221, 303, 343) flach ausgebildet sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre zylindrische Endbereiche (21c, 121c, 221c) aufweisen.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkästen (25, 225) Frontwandungen (125c, 225c) aufweisen, die die zylindrischen Endbereiche (21c, 221c) der Rohre (21, 221) umgeben.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (121, 221, 303, 343) an ihren Endbereichen (121c, 221c) zumindest eine Ausnehmung (141, 241, 319) zur Verhinderung des Herausrutschens aus den Endkästen (125, 225; 301, 302; 341, 342) aufweisen.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsfüllmasse (30, 130, 230, 318) aus einem Epoxidharz besteht.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zu den äußeren Rohren (21) jeweils eine Seitenplatte (24) angeordnet ist, wobei die Seitenplatten (24) in den zweiten Raum (27) des jeweiligen Endkastens (25) eingesetzt und dort durch die darin befindliche Dichtungsfüllmasse (30) befestigt sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenplatten (24) zur Verbesserung ihrer Einbettung in der Dichtungsfüllmasse (30) Löcher (24e) in den Bereichen aufweisen, die jeweils für den zweiten Raum (27) der Endkästen (25) vorgesehen sind.