DE3803599A1

DE3803599A1 - Roehrenwaermetauscher und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3803599A1
Application number: DE19883803599
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl Ing Rudolph
Original assignee: Happel & Co GmbH
Current assignee: GEA Happel Klimatechnik GmbH
Priority date: 1988-02-06
Filing date: 1988-02-06
Publication date: 1989-08-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher, insbesondere zur Motorkühlung und/oder Beheizung des Fahrgastraums von Kraftfahrzeugen, die mit flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren ausgerüstet sind, mit einem Wasserkasten unter Verwendung von Leichtmetall-Strangpreßprofilen, an dem Wärmetauscherrohre befestigt sind.

Bei Wärmetauschern dieser Art besteht nicht nur das Problem ausreichender Wärmeübertragungsleistung bei möglichst reduziertem Gewicht. Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Notwendigkeit einer Massenproduktion, ohne daß der Kostenaufwand für die Fertigungseinrichtung zu hoch wird. Bisher sind zum Beispiel für Kunststoffdeckel und Bodenplatten der Wasserkästen teure Spritzwerkzeuge erforderlich, oder es sind bei Wasserkästen aus Metall ebenso teure Tiefzieh-, Loch- und Beschneidewerkzeuge und Löteinrichtungen notwendig. Darüber hinaus muß für jede Wärmetauschergröße ein eigener Werkzeugsatz hergestellt werden. Ebenso aufwendig und problematisch ist dann die flüssigkeitsdichte Befestigung der Rohrenden in den Bodenplatten sowie eine ebensolche Verbindung der Deckelteile mit den Bodenplatten.

Je mehr Fertigungsschritte letztlich vorhanden sind, um so mehr sind dann noch kostenträchtige Prüfeinrichtungen erforderlich. Mit welchem Aufwand an diese Fragen herangegangen wird, zeigen z. B. die deutschen Patentschriften 23 02 769 und 23 02 770. Sie zeigen Rohrbündelwärmetauscher, deren Wasserkästen vollständig aus Kunststoffspritzteilen gefertigt sind und bei denen die Wärmetauscherrohre mit Hilfe eines spritzfähigen, erhärtbaren, elastischen Dichtungsmaterials in der Bodenplatte befestigt werden sollen. Bei der zuerst genannten PS wird zusammen mit den Rohrenden auch das Deckelteil mit der Bodenplatte verbunden. Ferner ist es notwendig, ein hochviskoses Dichtungsmaterial durch zahlreiche enge und verzweigte Kanäle gleichmäßig und ohne Lunkerstellen an die vorgesehenen Dichtstellen zu führen. Dies mag für Versuchsteile gelingen, in einer Großserienfertigung ist das hier gezeigte Befestigungs- und Dichtverfahren nicht, oder nur mit großem Aufwand zu beherrschen.

Die als bekannter Stand der Technik anzusehenden Rohrverbindungsarten mit einem Wasserkastenboden in mehr oder weniger komplizierter Form durch Aufweiten der Rohre, durch Verlöten im Schutzgasofen oder Vakuum, DE-OS 31 43 333, mit elastischem Material oder durch Kleben, sind zahlreich. Eines ist all diesen Konstruktionen (mit Einschränkung bei den Lötverbindungen) gemeinsam, nämlich eine hohe Undichtigkeitsquelle bei der Fertigung. Dies hat Ausschuß oder Nacharbeit zur Folge.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und die Herstellung von Wärmetauschern der hier in Frage kommenden Art, was die Einrichtungskosten betrifft, wesentlich zu verbilligen sowie den Fertigungsaufwand durch konstruktive und verfahrenstechnische Maßnahmen zu verringern.

Dies wird durch zwei Hauptmaßnahmen gemäß der Erfindung erreicht. Erstens wird die unrationelle Vielfalt von teuren Werkzeugen für jede Wärmetauscherform und -größe durch die Verwendung von wenigen Formen von Leichtmetall-Stranggießprofilen ersetzt, zu deren Herstellung Werkzeuge erforderlich sind, deren Kosten in keinem Vergleich zu den hohen Kosten von z. B. Kunststoffspritzwerkzeugen stehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher zu schaffen, der eine einwandfreie metallische Verbindung zwischen Leichtmetallrohren und Leichtmetallwasserkasten ohne aufwendige Schutzgaslötanlage ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der (die) den Wärmetauscherrohren zugewendete(n) Bodenteil(e) des Profils doppelwandig ausgeführt ist (sind).

Um die erfindungsgemäße Befestigung und Abdichtung der Rohre im Wasserkasten zu erreichen, werden die dünnwandigen Leichtmetall-Strangpreßprofile derart ausgeführt, daß der den Wärmetauscherrohren zugewendete Bodenteil des Profils doppelwandig ausgeführt ist, und zwar so, daß ein vom eigentlichen Flüssigkeitsraum des Wasserkastens abgetrennter Kanal von geringer Höhe, vorzugsweise weniger als 5 mm, über die Breite des Wasserkastenprofils entsteht, der durch fluchtend in beiden Bodenwänden angeordnete Lochungen hindurch von den Rohren durchdrungen ist. Zur genauen Führung der Rohre sind beide Bodenwände für den jeweiligen Rohrquerschnitt passend gelocht.

Die Verwendung von Strangpreßprofilen erlaubt es mit wenigen Profilformen und unterschiedlich abgeschnittenen Längen, zahlreiche Wärmetauschergrößen mit einem Bruchteil der Werkzeugkosten gegenüber der bisher üblichen Praxis herzustellen.

Erfindungsgemäß sind die Rohrenden durch die zugehörigen Lochpaare so weit eingeführt, daß sie geringfügig, vorzugsweise z. B. zwei bis vier Rohrwandstärken weit, in den flüssigkeitsführenden Raum des Wasserkastenprofils hineinragen. Die Stirnseiten des Wasserkastenprofils sind mit Endplatten verschlossen, die im flüssigkeitsführenden Bereich Bohrungen enthalten können, falls Flüssigkeitsein- und -austrittsrohre angebracht werden müssen.

Die Stirnseiten im Bereich der doppelten Bodenwände sind mit Platten verschlossen, die Bohrungen zur Zufuhr des Dichtmediums bzw. zur Entlüftung beim Füllen aufweisen. Die Endplatten werden mittels an sich bekannter Verfahren automatisch aufgeschweißt, z. B. Laserschweißung.

Wenn Flüssigkeitseintritt und -austritt nicht an den Stirnseiten liegen, wird das Strangpreß-Profil an den vorgesehenen Stellen entsprechend gelocht.

Um die Lochungen zum Einführen der Rohre von außen her durch beide Bodenwände hindurch vornehmen zu können, ohne daß das Wandmaterial nachgibt, werden beide Wände während des Lochens durch Einlagen (z. B. aus Stahl) gestützt, die Aussparungen für die Lochstempel enthalten.

Zusätzliche Stege zwischen den Bodenwänden können zur Stabilität beim Lochen dienlich sein.

Wenn die Stirnseiten des Strangpreßprofils verschlossen und die beiden Bodenwände gelocht sind, werden die Wärmetauscherrohre in folgender Weise mit dem Wasserkasten verbunden:

Die Rohre werden gegebenenfalls bereits mit Lamellen versehen, durch die Lochpaare in den Bodenwänden hindurch so weit eingesteckt, wie bereits angegeben. Der Wärmetauscher wird so gedreht, daß der Wasserkasten senkrecht steht.

Durch die unteren Bohrungen zwischen den Bodenwänden wird ein flüssiges Metall oder eine flüssige Metallegierung eingeführt, deren Schmelzpunkt niedriger ist als der des Wasserkasten-Strangpreßprofils.

Es kann z. B. eine homogenisierte Zink-Aluminium-Legierung eingebracht werden mit einem Zinkanteil von 95 Vol.-%. Es wird solange gefüllt, bis die eingebrachte Metallegierung mindestens die obenliegenden Bohrungen erreicht hat.

Nach dem Abkühlen ist eine dichte, mechanisch äußerst stabile Verbindung zwischen Rohren und Wasserkasten hergestellt, bei der auch alle Schwierigkeiten wegen unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten vermieden sind.

Vorstehend ist lediglich auf die wichtigsten Merkmale der Erfindung eingegangen worden, um die nachfolgende Erläuterung von Ausführungsbeispielen zu vereinfachen.

Es sind zusätzlich noch erfindungsgemäß Merkmale vorhanden, auf die anschließend nur kurz eingegangen wird. Für einen Fachmann ist es jedoch ohne weiteres ersichtlich, daß das als erfinderisch Offenbarte ohne weiteres für andere, abgewandelte Konstruktionen gemäß der vorliegenden Erfindung gelten kann.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele von Wärmetauschern gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Wärmetauscher mit einem seitlichen Wasserkasten, mit Mehrkanalflachrohren und Umkehrung der Strömungsrichtung in den Rohren an den Rohrenden,

Fig. 2 einen Wärmetauscher wie in Fig. 1, jedoch mit Elementen zur Oberflächenvergrößerung zwischen den Flachrohren,

Fig. 3 einen Wärmetauscher mit einem seitlichen Wasserkasten, jedoch mit haarnadelförmig gebogenen Rundrohren, die mit Lamellen zur Oberflächenvergrößerung versehen sind,

Fig. 4-Fig. 6 je einen Wärmetauscher mit einem Wasserkasten in der Mitte und und Rohrausführungen wie in den Fig. 1-3,

Fig. 7 und Fig. 8 zeigen Querschnitte eines Strangpreßprofils mit Lochung der doppelten Wand im Bodenbereich,

Fig. 9 zeigt vereinfacht die Füllung des Bodenkanals eines Strangpreßprofils mit einem flüssigen, metallischen Dichtmedium.

In den Fig. 1 bis 3 sind Wärmetauscher gemäß der Erfindung dargestellt, die sich lediglich durch die Art der Berohrung und durch unterschiedliche, oberflächenvergrößernde Elemente 16, 18, 19, 20 unterscheiden.

Die Wasserkästen aus Strangpreßprofil 1 sind bei diesen Ausführungsbeispielen nur auf einer Seite angeordnet. Die Rohre sind so gestaltet, daß in ihnen eine Flüssigkeitsströmung vom Wasserkasten weg und nach einer Richtungsumkehrung wieder zu diesem hin erzeugt wird.

Selbstverständlich können, was hier nicht besonders dargestellt ist, auch zwei einander gegenüberliegende, an beiden Rohrenden angeordnete, Wasserkästen vorhanden sein, die beide erfindungsgemäß gestaltet und mit den Rohren verbunden sind.

Jedes Wasserkastenprofil 1 hat an dem den Rohrenden zugewendeten Bereich 6 zwei im Strangpreßprofil mitgeformte Wände 2 und 3, die einen Kanal 5 bilden, der vorzugsweise eine Höhe 5 a von 5 mm oder weniger aufweist und über die gesamte Breite des darüberliegenden flüssigkeitsführenden Raumes 7 reicht.

Die Stirnseiten des Strangpreßprofils 1 sind in Fig. 1 und Fig. 3 jeweils mit einer Deckplatte 12 verschlossen, die mit dem Profil 1 verschweißt ist, z. B. mittels Laserschweißung. Natürlich sind auch andere geeignete Mittel zur Befestigung der Deckplatten einsetzbar, auch können die Deckplatten unterschiedlich zur hier gezeigten Form ausgebildet sein (z. B. als vorgeformtes Guß-, Zieh-, oder Preßteil).

Erforderliche Zwischenwände 4 zur Flüssigkeitstrennung oder zur Abstützung 9 sind ebenfalls Bestandteil des Strangpreßprofils. Die Deckplatten 12 auf jeder Stirnseite werden mit einer oder mehreren Bohrungen 15 a, 15 b im Bereich 6 versehen, die zur Füllung mit dem verflüssigten, metallischen Dichtmedium bzw. zur Entlüftung während des Füllvorgangs dienen.

Um die dem Wasserkasten gegenüberliegenden Rohrenden der Einzelrohre 16 zu halten, werden sie von einer gelochten Endplatte 19 gehalten, die von den Rohrenden durchdrungen und mit diesen verbunden sind.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der der flüssigkeitsführende Teil 7 und der Kanal 3 jeweils eine eigene Deckplatte 13, 14 aufweisen.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen mit den gleichen Varianten wie bei den Fig. 1 bis 3 eine Wärmetauscherausführung, bei der der Wasserkasten in der Mitte angebracht ist. Hier hat das Strangpreßprofil 1 auf jeder den Enden der Rohre 18 zugewendeten Seite einen Bereich 6 a bzw. 6 b, in dem das Strangpreßprofil zwei Wände 2 und 3 aufweist, die Kanäle 5 bilden, die sich über die Höhe des zwischen ihnen gebildeten flüssigkeitsführenden Raumes erstrecken. Die weitere Ausführung ist analog zu den Fig. 1 bis 3 gestaltet.

Mit 10, 11 und 11 a sind die erforderlichen Anschlüsse angedeutet.

Fig. 7 und 8 zeigen an einem perspektivischen Schnitt eines erfindungsgemäßen Strangpreßprofils 1 und als Beispiel für ein Flachrohr 16 mit Mittelsteg die Anordnung der fluchtend angeordneten Lochungen 8 in den Wänden 2 und 3 im Bereich 6.

Ein gegebenenfalls gewünschter Stützsteg 9 ist gestrichelt angedeutet. Um die Rohre bei dieser Ausführungsform durch die fluchtenden Lochungen 8 in den Wänden 2, 3 einschieben zu können, wird ein Teil des Mittelsteges 17 am Rohrende herausgenommen. Die Rohre werden vorzugsweise so weit eingeschoben, daß die Rohrenden 16 a zwei bis vier Rohrwandstärken weit in den flüssigkeitsführenden Raum 7 des Strangpreßprofils 1 hineinragen.

Die Füllung der Kanäle 5 mit einem flüssigen, metallischen Dichtmedium kann, vergleiche Fig. 9, folgendermaßen erfolgen:

In die Bohrungen 15 a und 15 b der Deckplatten der Bereiche 6 werden Leichtmetallrohre 24, 25 von wenigen Zentimetern Länge fest eingepreßt.

Eine Verlötung oder Verschweißung ist hier nicht erforderlich. Der Wärmetauscher wird vorgewärmt so eingespannt, daß der Wasserkasten senkrecht steht. Die Vorwärmung geschieht zweckmäßig jedoch erst, wenn der vorher, besonders im Inneren des Wasserkastens, gut entfettete Wärmetauscher zum Füllen montiert ist. Das Füllrohr 24 wird lösbar mit einer Einrichtung zur Verflüssigung und dosierten Zufuhr des geschmolzenen, metallischen Dichtmediums 27 verbunden, die mit den Bezugszeichen 21, 22, 23 nur angedeutet ist und bei der auch die Zuführungsleitung 22 und das Absperrorgan 23 über die Schmelztemperatur des Dichtmediums beheizt sind.

Das Absperrorgan 23 kann mit einer Dosiereinrichtung kombiniert sein. Das Entlüftungsrohr 25 wird lösbar mit einem Überschlagsicherungsbehälter 26 verbunden, der verhindert, daß eventuell flüssiges Dichtmedium in eine an die Leitung 27 angeschlossenen Absaugeinrichtung gelangt, die einen Unterdruck im Kanal 5 erzeugt, um ein gleichmäßiges und schnelles Füllen zu bewirken.

Das eingefüllte Dichtmedium soll einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als das Metall des Strangpreßprofils 1. Wenn dieses Profil aus Aluminium besteht, wird vorzugsweise eine homogenisierte Zink-Aluminium-Legierung 95/5 verwendet.

Man kann auch andere Dichtmedien einsetzen, z. B. das gleiche Material wie beim Strangpreßprofil. In diesem Fall wird das Strangpreßprofil nicht vorgewärmt und das flüssige Dichtmedium muß sehr schnell mit Überdruck und eventuell höherem Unterdruck auf der Entlüftungsseite "eingeschossen" werden.

Nach dem Erstarren des flüssigen Dichtmediums werden die Verbindungen der Rohre 24 und 25 mit dem Absperrorgan 23 bzw. dem Überschlagsicherungsbehälter 26 gelöst und anschließend die Rohre 24 und 25 unmittelbar am Deckel abgetrennt.

Die abgetrennten, mit erstarrtem Dichtmedium gefüllten Rohrstücke können der Schmelze 27 zugegeben werden, deren Zusammensetzung in bekannter Weise in einem engen Schmelzpunktbereich gehalten wird.

Claims

1. Wärmetauscher, insbesondere zur Motorkühlung und/oder Beheizung des Fahrgastraumes von Kraftfahrzeugen, die mit flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren ausgerüstet sind, mit einem Wasserkasten unter Verwendung von Leichtmetall-Strangpreßprofilen, an dem Wärmetauscherrohre befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Wärmetauscherrohren (16, 18) zugewendete(n) Bodenteil(e) (6) des Profils doppelwandig ausgeführt ist (sind).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder doppelwandig ausgeführte Bodenteil (6) des Strangpreßprofils (1) einen vom Flüssigkeitsraum (7) abgetrennten Kanal (5) bildet, dessen Höhe (5 a) einen Bruchteil der Gesamthöhe des Wasserkastens, vorzugsweise weniger als 5 mm beträgt, und der mindestens über die Breite des wasserführenden Teils (7) des Strangpreßprofils reicht.

3. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelwandige Teil (6) des Bodens durch beide Wände (2, 3) hindurch derart gelocht ist, daß für jedes Rohr ein fluchtendes Lochpaar (8) vorhanden ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Lochpaare (8) der Rohrform angepaßt sind.

5. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten mit Metallplatten (12) verschlossen sind.

6. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stirnseite mit zwei Metallplatten (13, 14) verschlossen ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatten (12, 13, 14) durch Schweißen, vorzugsweise Laserschweißen, befestigt sind.

8. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre durch die zugehörigen Lochpaare so weit eingesteckt sind, daß die Rohrenden (16 a) geringfügig, vorzugsweise zwei bis vier Rohrwandstärken weit, in den flüssigkeitsführenden Teil (7) des Strangpreßprofils hineinragen.

9. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Deckplatten des Strangpreßprofils im Bereich (6) zwischen den doppelten Bodenwänden mit Bohrungen (15 a, 15 b) versehen sind.

10. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der sich zwischen den doppelten Bodenwänden erstreckende Kanal (5) Stützstege (9) zwischen den Wänden aufweist.

11. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Flachrohren, ohne zwischen den Rohren liegende, eingelötete, oberflächenvergrößernde Elemente, die dem Wasserkasten gegenüberliegenden Enden der Einzelrohre von einer gelochten Endplatte (19) gehalten werden, die von den Rohrenden durchdrungen und mit diesen verbunden ist.

12. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei senkrecht gestellten Wasserkästen durch die Bohrungen (15 a) im Bereich des zwischen den Bodenwänden angeordneten unteren Deckenteils ein flüssiges, metallisches Dichtmedium eingefüllt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Dichtmedium einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das metallische Material des Strangpreßprofils für den Wasserkasten.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als metallisches Dichtmedium eine Zink-Aluminium-Legierung eingefüllt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als metallisches Dichtmedium eine homogenisierte Zink-Aluminium-Legierung mit 95 Vol.-% Zink und 5 Vol.-% Aluminium eingefüllt wird.

16. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Dichtmedium so weit eingefüllt ist, daß mindestens die kongruenten Bohrungen (15 b) der oberen Deckelplatte erreicht werden.

17. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß über die Entlüftungsbohrungen (15 b) während des Füllens ein Unterdruck erzeugt wird.

18. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze (27) des metallischen Dichtmediums aus dem Schmelztrog (21) über eine über Schmelztemperatur erhitzte Rohrleitung (22) zu einem oder mehreren ebenso erhitzten Absperrorgan(en) (23) geführt wird, welches(e) unterhalb der für die Füllung vorgesehenen Bohrungen (15 a) in den Deckelplatten angeordnet ist (sind).

19. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in die Füll- und Entlüftungsbohrungen (15 a, 15 b) Aluminiumrohrstücke (24, 25) eingepreßt sind.

20. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Füllrohre mit den beheizten Absperrorganen (23) lösbar verbunden werden.

21. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Entlüftungsrohre (24) mit einem Überschlagsicherungsbehälter (26) einer Absaugeinrichtung lösbar verbunden werden.

22. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllrohre nach dem Erstarren des metallischen Dichtmediums gelöst und unmittelbar an den Deckplatten abgetrennt werden.