DE4122961A1 - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher und ein Ver­ fahren zum flüssigkeitsdichten Verbinden von Schalen zu den Wärmeaustauscher bildenden Scheibenkörpern gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Das Bauprinzip eines derartigen Wärmetauschers ist aus der DE-OS 31 48 941 bekannt. Dabei ist dieser Wärmetauscher aus Blech gefertigt und wird als wassergekühlter Ölkühler eingesetzt. Um den Wärmetauscher gegen Korrosion, insbe­ sondere durch Wasser und Sauerstoff zu schützen, müssen die Blechplatten allseitig korrosionsgeschützt ausgebildet sein. Dazu werden die Blechplatten im allgemeinen aus Edelstahl gefertigt. Zudem weist ein derartig hergestell­ ter Wärmeaustauscher ein nicht unerhebliches Gewicht auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und darüber hinaus einen Wärmeaustauscher be­ reitzustellen, der insgesamt kostengünstiger ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schalen aus Leichtmetall gefertigt sind und zwischen den Scheibenkörpern Lamellen angeordnet sind. Die Verwendung von Aluminiumschalen zur Herstellung des Wärmetauschers ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Gewichtes, was insbesondere beim Einsatz im Fahrzeugbau vorteilhaft ist. Zudem können aufwendige Korrosionsschutzmaßnahmen entfal­ len, da entsprechend korrosionsbeständige Aluminiumlegie­ rungen zur Verfügung stehen. Die beidseitige Platierung oder Belegung mit Lötfolie oder Bestreichung mit Lötpulver der Schalen ermöglicht eine kostengünstige Herstellung des Wärmeaustauschers, da die Schalen vor dem Zusammenlöten nicht speziell behandelt werden müssen. In einer vorteil­ haften Weiterbildung ist das zu kühlende Medium zumindest einen Zusatz enthaltendes Wasser und der Wärmeaustauscher wird von dem Kühlmedium Luft durchströmt. Damit ist ein Luft-Wasser-Wärmeaustauscher geschaffen, der bei geringem Gewicht kostengünstig herstellbar ist und darüber hinaus eine gute Haltbarkeit aufweist.

In Weiterbildung der Erfindung bestehen die Strömungsleit­ körper aus vorzugsweise geradlinigen in die Schalen einge­ prägten Sicken, die einen flachen Boden aufweisen. Diese Ausgestaltung ermöglicht den Einsatz einfach herstellbarer Prägewerkzeuge. Zudem gewährleistet der flache Boden eine sichere Verbindung der zu Scheibenkörpern zusammenzu­ setzenden Schalen. Es ist im Rahmen der Erfindung aber auch vorgesehen, die Sicken beispielsweise gebogen auszu­ führen.

Die Strömungsleitkörper sind vorteilhaft in die Schalen jeweils klappsymmetrisch zu deren Längsmittelachse einge­ prägt. Durch diese symmetrische Ausbildung der Schalen können diese alle gleich gefertigt werden und es sind Mon­ tagefehler durch die sonst denkbare falsche Zusammenfügung von Schalen ausgeschlossen. Dabei ist weiterhin erfin­ dungsgemäß vorgesehen die Strömungsleitkörper in die Scha­ len beidseits deren Längsmittelachse in Reihen nebeneinan­ der anzuordnen. Dadurch wird eine klare und übersichtliche Kontur des Wärmeaustauschers geschaffen und weiterhin eine insgesamt sehr gleichmäßige Wärmeverteilung durch die ge­ zielte und gleichmäßige Durchströmung des Wärmeaustau­ schers gewährleistet.

Die Strömungsleitkörper sind mit einem Anstellwinkel von 3° bis 14°, vorzugsweise 8° zu der Längsachse der Schalen angeordnet. Dabei sind in Weiterbildung unmittelbar auf­ einander folgende Strömungsleitkörper einer Reihe zu ab­ wechselnden Seiten der Längsachse der Schale ausgerichtet. Hierdurch und durch die ebenfalls in Weiterbildung vorge­ sehene unterschiedlich ausgerichteten Strömungsleitkörper von benachbarten Reihen wird eine insgesamt verlustarme Durchströmung des Wärmeaustauschers bei gleichzeitig hohen Wärmeübergangswerten erzielt.

Die weiterhin erfindungsgemaß vorgesehenen maximalen und minimalen Abstände von benachbarten Strömungsleitkörpern haben in mehrerlei Hinsicht erfindungsgemaße Vorteile.

Einerseits hat sich herausgestellt, daß der vorgegebene minimale Abstand nicht unterschritten werden darf, um bei der Fertigung der Scheibenkörper diese möglichst einfach fertigen zu können. Dabei ist allen angegebenen Verfahren gemeinsam, daß nach dem Lötvorgang überflüssiges Lot aus den Scheibenkörpern herausfließen kann, ohne daß sich zwischen benachbarten Strömungsleitkörpern aufgrund eines zu geringen Abstandes Stopfen durch nicht abfließendes und erstarrendes Lot bilden. Andererseits darf der Abstand zwischen benachbarten Reihen von Strömungsleitkörpern nicht zu groß werden, da dann eine wirkungsvolle Umlenkung und damit gute Wärmetauschwerte ausbleiben. Für den mini­ malen Abstand von benachbarten Strömungsleitköpern hat sich ein Wert von dem 0,65fachen der Länge eines Strö­ mungsleitkörpers als besonders vorteilhaft erwiesen, während der Wert für den maximalen Abstand bei dem 0,9fachen der Länge eines Strömungsleitkörpers liegt. Ebenfalls soll der minimale Abstand von einem Strömungs­ leitkörper zu einer Seitenumrandungsrippe als günstigsten Wert das 0,65fache der Länge eines Strömungsleitkörpers betragen. Die Höhe einer in eine Schale eingeprägten Sicke beträgt vorzugsweise das 0,065fache der Länge eines Strö­ mungsleitkörpers, so daß sich insgesamt ein Abstand von zwei zu einem Scheibenkörper zusammengesetzten Schalen von dem 0,13fachen der Länge eines Strömungsleitkörpers er­ gibt. Dabei haben sich in dem angegebenen Wertebereichen insbesondere mit den bevorzugten Werten gute Wärmeüber­ gangsleistungen bei sicher vermiedener Verstopfungsgefahr beim Lötvorgang herausgestellt.

In Weiterbildung der Erfindung reichen die Strömungsleit­ körper bis an den Bereich des Zulaufs und Ablaufs heran. Dadurch ist insbesondere in diesen Bereichen großer mate­ rialgeschwächter Öffnungen eine sichere Verbindung von einzelnen Schalen gewährleistet, so daß durch das in der Regel unter Überdruck stehende zu kühlende Medium hervor­ gerufene Verformungen der Scheibenkörper vermieden werden. Dabei ist insbesondere, wenn die Breite des Zulaufs und des Ablaufs angenähert der Breite durch den Scheibenkörper entspricht, in Richtung der Längsmittelachse eine Verstär­ kungsrippe in den Zulauf und den Ablauf eingesetzt. Eine derartige Rippe beeinflußt die Durchströmung nicht nach­ weisbar, sorgt aber für eine wesentlich höhere Stabilität des Wärmeaustauschers und verhindert insbesondere ein Aus­ bauchen von Zulauf und Ablauf.

Im übrigen ist der Zulauf und Ablauf so gestaltet, daß sich in diesen Bereichen keine Totwassergebiete bilden können. Dies ist insbesondere beim Befüllen oder Entleeren des Wärmeaustauschers wichtig. Gegebenenfalls kann bei­ spielsweise bei senkrechter Anordnung der Schalen an der tiefsten und höchsten geodätischen Stelle des Wärmeaus­ tauschers im Bereich des Zulaufs und/oder des Ablaufs eine Entlüftungsleitung vorgesehen sein.

Wie schon zuvor ausgeführt, sind die in Weiterbildung der Erfindung angegebenen Verfahren zum flüssigkeitsdichten Verbinden von Schalen allesamt daraufhin ausgerichtet, eine kostengünstig herstellbare Lötverbindung anzugeben, die eine sichere Verbindung von aufeinanderliegenden Scha­ len gewährleistet, wobei aber andererseits Verstopfungen durch nicht abfließendes Lot vermieden werden.

Weitere Vorteile der Erfindung sind der Zeichnungsbe­ schreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren darge­ stelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben ist.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer erfin­ dungsgemäß ausgestalteten Schale eines Wärmeaus­ tauschers,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Fig. 1.

Jeweils zwei erfindungsgemäß ausgestaltete Schalen 1 wer­ den zu einem Scheibenkörper zusammengesetzt, die wiederum paketförmig unter Einfügung von Luftleitkörpern aufeinan­ der geschichtet zu einem Wärmeaustauscher zusammengesetzt werden. Die Schalen 1 weisen einen Zulauf 2 und einen ent­ sprechend ausgebildeten Ablauf auf der nicht dargestellten gegenüberliegenden Seite der Schale 1 auf. Der Zulauf 2 wie auch der Ablauf weisen eine Strömungsbreite auf, die angenähert der Strömungsbreite durch den Scheibenkörper entspricht. Die Strömungsbreite in dem Scheibenkörper wird von einer umlaufenden Seitenumrandungsrippe 3 festgelegt, wobei in die Schalen 1 eingeprägte Sicken die Strömungs­ breite stellenweise verringern. Der Zulauf 2 wie auch der Ablauf ist von einer in der Richtung der Längsmittelachse entlang der Schale ausgerichtete Verstärkungsrippe 5 durchschnitten. Der Strömungsquerschnitt des Zulaufs 2 und des Ablaufs ist so bemessen, daß er dem Strömungsquer­ schnitt von mehreren Scheibenkörpern entspricht.

Die Strömungsleitkörper 4, die von jeweils zwei miteinan­ der verlöteten Sicken gebildet werden und bis unmittelbar an den Zulauf und den Ablauf heranreichen, sind in einem Winkel von vorzugsweise 8° zu der Längsachse der Schalen angestellt. Dabei sind aufeinanderfolgende Strömungsleit­ körper 4 wie auch in einer Reihe nebeneinander angeordnete Strömungsleitkörper 4 jeweils zu unterschiedlichen Seiten entlang der Längsachse der Schale 1 ausgerichtet. Bei einer Länge einer Sicke 4 von beispielsweise 16 mm beträgt in einer bevorzugten Ausführung der minimale Abstand von benachbarten Strömungsleitkörpern 10,4 mm und der maximale Abstand zwischen benachbarten Strömungsleitkörpern 4, 14,4 mm.

In die Seitenumrandungsrippe 3 sind Ausnehmungen eingelas­ sen, in die Nasen 6 eingreifen. Dabei sind die zu den Na­ sen 6 zugehörenden Ausnehmungen an dem gegenüberliegenden Ende der Schale 1 angeordnet. Gleichzeitig ist der Ablauf an dem gegenüberliegenden Ende der Schale 1 so ausgebil­ det, daß ein Vorsprung 7 in die Ablauföffnung hineinragt. Der Vorsprung 7 greift beim Zusammensetzen von Scheiben­ körpern entsprechend in die anliegende Schale des benach­ barten Scheibenkörpers ein und stellt somit eine Fixierung von zwei benachbarten Scheibenkörpern dar.

Die aus jeweils zwei Platten bestehenden Scheibenkörper, die unter Einfügung von Lamellen 8 zu einem kompletten Wärmeaustauscher zusammengesetzt werden, werden in einem Vakuumofen oder in einem Luftofen oder in einem Flußmit­ telbad miteinander verlötet.

Claims (18)

1. Wärmeaustauscher für eine Brennkraftmaschine mit mehreren, zu flüssigkeitsdichten Scheibenkörpern zusammen­ gesetzten Schalen aus Metall, wobei die Scheibenkörper pa­ ketförmig und mit gegenseitigem Abstand aufeinander ge­ schichtet angeordnet sind und in Strömungsverbindung mit einem Zulauf und einem Ablauf für ein den Wärmeaustauscher durchströmendes und von Strömungsleitkörpern gelenktes, zu kühlendes Medium stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (1) aus Leichtme­ tall gefertigt und zwischen den Scheibenkörpern Lamellen (8) angeordnet sind.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Medium zumin­ dest einen Zusatz enthaltendes Wasser ist, und daß der Wärmeaustauscher von dem Kühlmedium Luft durchströmt wird.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitkörper (4) aus beliebig geformten, vorzugsweise geradlinigen in die Schalen (1) eingeprägten Sicken bestehen, die einen fla­ chen Boden aufweisen.

4. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitkörper (4) in die Schalen jeweils klappsymmetrisch zu deren Längsmittel­ achse eingeprägt sind.

5. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Anspru­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitkörper (4) in die Schalen (1) beidseits deren Längsmittelachse in Reihen nebeneinander angeordnet sind.

6. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitkörper (4) mit einem Anstellwinkel von 3° bis 14°, vorzugsweise 8° zu der Längsachse der Schalen (1) angeordnet sind.

7. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar aufeinanderfolgen­ de Strömungsleitkörper (4) einer Reihe zu abwechselnden Seiten der Längsachse ausgerichtet sind.

8. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nebeneinanderlie­ gende Strömungsleitkörper (4) von benachbarten Reihen zu unterschiedlichen Seiten der Längsachse ausgerichtet sind.

9. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Abstand von be­ nachbarten Strömungsleitkörpern (4) dem 0,6- bis 1,4fa­ chen, vorzugsweise dem 0,9fachen der Länge eines Strö­ mungsleitkörpers (4) beträgt.

10. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Abstand von be­ nachbarten Strömungsleitkörpern (4) dem 0,4- bis 0,9fa­ chen, vorzugsweise dem 0,65fachen der Länge eines Strö­ mungsleitkörpers (4) beträgt.

11. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Abstand von einem Strömungsleitkörper (4) zu einer Seitenumrandungsrippe (3) einer Schale (1) das 0,4- bis 0,9fache, vorzugsweise das 0,65fache der Länge eines Strömungsleitkörpers (4) be­ trägt.

12. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe einer in eine Schale (1) eingeprägten Sicke dem 0,04- bis 0,1fachen, vorzugs­ weise dem 0,065fachen der Länge eines Strömungsleitkör­ pers (4) beträgt.

13. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitkörper (4) bis an den Bereich des Zulaufs (2) und Ablaufs heranrei­ chen.

14. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsbreite des Zu­ laufs (2) und des Ablaufs angenähert der Strömungsbreite durch den Scheibenkörper entspricht.

15. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß in der Richtung der Längsmit­ telachse eine Verstärkungsrippe (5) den Zulauf (2) und Ab­ lauf durchschneidet.

16. Verfahren zum flüssigkeitsdichten Verbinden von Schalen zu Scheibenkörpern eines Wärmeaustauschers für eine Brennkraftmaschine, wobei die Scheibenkörper paket­ förmig und mit gegenseitigem Abstand aufeinander geschich­ tet angeordnet sind und in Strömungsverbindung mit einem Zulauf und einem Ablauf für ein den Wärmeaustauscher durchströmendes und von Strömungsleitkörpern gelenktes, zu kühlendes Medium stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (1) aus Leichtme­ tall gefertigt sind und beidseitig platiert oder mit Löt­ folie belegt oder mit Lötpulver bestrichen sind.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (1) in einem Luft­ ofen miteinander verlötet werden.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (1) in einem Fluß­ mittelbad miteinander verlötet werden.