DE4237672A1

DE4237672A1 - Heat-exchanger with flat tubes in stack - has inlet and outlet plenum chambers formed in stackable shaped components sealed to tube ends and connected to each other

Info

Publication number: DE4237672A1
Application number: DE4237672A
Authority: DE
Inventors: Otto Reifenscheid; Wolfgang Ellinger; Hans Dipl Ing Kiesel; Rolf Dipl Ing Sieber
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; Behr Industrieanlagen GmbH and Co KG; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Mahle Behr Industry GmbH and Co KG; Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1992-11-07
Filing date: 1992-11-07
Publication date: 1994-05-11

Abstract

The chambers (16) are formed by stackable shaped components (2) sealed to the inlets and outlets of the tubes (1). They are connected by passages (9) to those in adjacent components. The second medium flows through the gaps between the tubes and at right angles to the first one. The components can be of sheet-metal bent into a U-shape, sealed at the sides by plates of the same material. Alternatively they can be castings, while the flat tubes can be extruded. ADVANTAGE - Low cost, and can be formed into stacks of different heights.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit Flachrohren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der DE 30 11 011 C2 als bekannt hervorgeht.The invention relates to a heat exchanger with flat tubes the preamble of claim 1 as it is from DE 30 11 011 C2 emerges as known.

In der eingangs genannten DE 30 11 011 C2 ist ein Wärmetauscher mit in einem Stapel angeordneten Flachrohren aufgezeigt, die in Form von Stegdoppelplatten ausgebildet und im Strangpreßverfahren hergestellt sind. Die von den Wandungen der Profile eingeschlossenen Hohlräume sind von einem ersten Medium durchflossen. In den von zwei benachbarten Flachrohren gebildeten Zwischenräumen fließt parallel zum ersten Medium ein zweites Medium. Zur Bildung der Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Flachrohren sind die Außenwände mit in Strömungsrichtung verlaufenden Außenrippen ausgebildet. An den Außenrippen und seitlichen Verbindungsblöcken liegen die Flachrohre in Kontakt aneinander. Die Verbindungsblöcke sind beispielsweise durch Hartlöten mit den Flachrohren verbunden. Zum Zu- und Abführen der Strömungsmedien sind die die Strömungskanäle seitlich begrenzenden Stege bzw. Rippen in einem Querschnitt durchbrochen. Über die so gebildeten Querkanäle können die Strömungsmedien von der Seite des Wärmetauschers her zu- und abgeführt werden. Zur Bildung der Verteiler- und Sammelkanäle ist eine spanende Bearbeitung der Strangpreßteile nötig, was kostenintensiv ist. Ungünstig ist auch, daß Metallspäne in die Strömungskanäle hineingelangen und daraus mühevoll wieder entfernt werden müssen. Schließlich sind auch Aufwendungen notwendig, um die an den Enden offenen Strangpreßteile dicht zu verschließen. Ein derartiger, für den Betrieb im Gegenstrom ausgebildeter Wärmetauscher erscheint in fertigungstechnischer Hinsicht wenig kostengünstig.In the aforementioned DE 30 11 011 C2 is a heat exchanger shown with flat tubes arranged in a stack, which in Formed from double-wall sheets and in Extrusion processes are made. The walls of the Profiles enclosed cavities are from a first medium flowed through. In the of two neighboring flat tubes Interstices formed flow parallel to the first medium second medium. To form the gaps between two neighboring flat tubes are the outer walls with in Formed flow ribs outer ribs. To the Outer ribs and side connecting blocks are the Flat tubes in contact with each other. The connection blocks are connected to the flat tubes, for example by brazing. They are the ones for supplying and removing the flow media Flow channels laterally delimiting webs or ribs in one Cross-section broken. Via the cross channels thus formed can flow media from the side of the heat exchanger be fed in and out. To form the distribution and Collecting channels is a machining of the extruded parts necessary, which is expensive. It is also unfavorable that Metal chips get in and out of the flow channels have to be laboriously removed. Finally, too Expenses necessary to keep the ends open Seal extruded parts tightly. One for which Operation in counter flow trained heat exchanger appears in little cost in terms of manufacturing technology.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher in Stapelbauweise aufzuzeigen, der in verschiedenen Stapelhöhen in kostengünstiger Weise herstellbar ist.The invention has for its object in a heat exchanger To show stack construction, which in different stack heights in is inexpensive to manufacture.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Kammern, die zum Verteilen und Sammeln des durch die Hohlräume der Flachrohre hindurchströmenden Mediums dienen, sind aus Formteilen gebildet, die sich entlang der Ein- und Austrittsbereiche jeden Flachrohres erstrecken. Die Formteile sind strömungsführend untereinander verbunden und nach Anspruch 2 kostengünstig durch Biegen aus Blechen herstellbar. Diese im wesentlichen U-förmig ausgebildeten Blechformteile sind auf den Seiten mit Randblechen versehen. Nach Anspruch 3 sind die Formteile als Gußteile ausgebildet. Die Ränder der Formteile sind ringsum mit den Flachrohren verbunden, zum Beispiel durch Löten, Kleben, Elektronenstrahlschweißen oder Stumpfschweißen. Die aus Formteil und Flachrohr bestehenden Stapelelemente des Wärmetauschers werden in der notwendigen Anzahl entsprechend der gewünschten Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers zusammengefügt und zwischen Endplatten montiert. Da unabhängig von der Stapelhöhe jeder Wärmetauscher mit den gleichen Bausteinen hergestellt werden kann, wird eine wirtschaftliche Fertigung auch von kleinen Stückzahlen einer Baureihe möglich. Die Flachrohre lassen sich in kostengünstiger Weise nach Anspruch 4 im Stangpreßverfahren herstellen. Für einen druckfesten Verband sind die Flachrohre nach Anspruch 5 zweckmäßigerweise mit Druckstegen versehen. Flachrohre mit wellenförmiger Ausbildung nach Anspruch 6 begünstigen die Verwirbelung des darüber hinwegströmenden Mediums, wodurch die Wärmeübergangszahl erhöht wird. Zweckmäßig ist es nach Anspruch 7, die Beabstandung der Flachrohre im Bereich der Formteile an gegenüber der Höhe der Flachrohre vorspringenden Anlageflächen vorzunehmen. Nach Anspruch 8 sind die Stapelelemente des Wärmetauschers im Bereich der Formteile miteinander verschraubt. Es ist aber auch möglich, die Formteile im Bereich der Anlageflächen miteinander zu verlöten, wie in Anspruch 9 dargestellt. Durch Bilden nebeneinanderliegender, getrennter Kammern in den Formteilen mit Trennwänden, beispielsweise in Form von Mittelblechen, kann nach Anspruch 10 das in den Hohlräumen der Flachrohre strömende Strömungsmedium im Kreuzgegenstrom geführt werden.This task is performed by a generic device the characterizing features of claim 1 solved. The Chambers used to distribute and collect the through the cavities the medium flowing through the flat tubes are made of Molded parts formed along the input and Extend outlet areas of each flat tube. The molded parts are connected to each other in a flow-carrying manner and according to claim 2 can be produced inexpensively by bending sheet metal. This in essential U-shaped sheet metal parts are on the Provide sides with edge plates. According to claim 3 are Molded parts designed as castings. The edges of the molded parts are connected all around with the flat tubes, for example by Soldering, gluing, electron beam welding or butt welding. The stacking elements of the molded part and flat tube of the Heat exchangers are made in the necessary number according to the desired performance of the heat exchanger put together and mounted between end plates. Because regardless of the Stack height of each heat exchanger with the same building blocks can be manufactured becomes economical manufacturing also possible in small quantities of a series. The Flat tubes can be inexpensively used according to claim 4 manufacture in the extrusion process. For a pressure-resistant bandage the flat tubes according to claim 5 are expediently with Provide pressure bars. Flat tubes with wave-shaped design according to claim 6 favor the swirling of the above flowing medium, reducing the heat transfer coefficient is increased. It is useful according to claim 7, the spacing of the flat tubes in the area of the molded parts compared to the height of the flat tubes projecting contact surfaces. To Claim 8 are the stacking elements of the heat exchanger in the area the molded parts screwed together. But it is also possible the molded parts together in the area of the contact surfaces solder as shown in claim 9. Through education juxtaposed, separate chambers in the molded parts with Partition walls, for example in the form of middle sheets, can Claim 10 flowing in the cavities of the flat tubes Flow medium are guided in cross-countercurrent.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung beschrieben und wird im folgenden näher erläutert; es zeigen:An embodiment of the invention is in the drawing described and will be explained in more detail below; show it:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers; Figure 1 is a partial perspective view of the heat exchanger according to the invention.

Fig. 2 zwei Blechformteile des Wärmetauschers in einer perspektivischen Ansicht; Figure 2 shows two sheet metal parts of the heat exchanger in a perspective view.

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines in einem Wärmetauscher eingebauten Blechformteils; Fig. 3 is a cross-sectional view of a built-in heat exchanger sheet metal part;

Fig. 4 eine Teilansicht eines Blechformteils und eines damit verbundenen Flachrohrs in Richtung der Schnittlinien IV-IV der Fig. 3 gesehen; Fig. 4 is a partial view of a sheet metal part and a flat tube connected thereto in the direction of section lines IV-IV of Fig. 3;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Flachrohres in Richtung der in Fig. 4 eingezeichneten Schnittlinien V-V gesehen; FIG. 5 is a sectional view of a flat tube in the direction of the section lines VV shown in FIG. 4;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines in einem Wärmetauscher eingebauten, gegossenen Formteils. Fig. 6 is a cross-sectional view of a molded part installed in a heat exchanger.

Der in Fig. 1 in einer perspektivischen Teilansicht dargestellte Wärmetauscher findet beispielsweise als Ladeluftkühler für eine aufgeladene Brennkraftmaschine Verwendung. Der Wärmetauscher ist als Stapelkühler ausgebildet mit Stapelelementen, die aus Flachrohren 1 und damit verbundenen Formteilen 2 bestehen. Die Formteile 2 sind als Blechformteile oder als Gußformteile ausgebildet. Die Flachrohre 1 sind vorzugsweise im Strangpreßverfahren hergestellt. Im Falle des Ladeluftkühlers wird beispielsweise Wasser als Kühlmittel verwendet, das durch die Hohlräume innerhalb der Flachrohre 1 hindurchströmt. Zu den Hohlräumen gelangt das Kühlmittel über Kammern 16 innerhalb der Formteile 2. Die Kammern 16 dienen zum Sammeln und Verteilen des Kühlmittels. Sie sind untereinander über Durchgänge 9 verbunden. Das Kühlmittel wird über einen Zufluß 19 zu- und über einen Abfluß 20 abgeführt. Zufluß 19 und Abfluß 20 bestehen aus Öffnungen in einer Platte 6, die den oberen Abschluß des Wärmetauschers bildet. Die Formteile 2 der Fig. 1 sind als im wesentlichen U-förmig gebogene Blechstreifen ausgebildet, die entlang ihren Längsrändern mit den Flachrohren 1 durch Löten, Kleben, Elektronenstrahlschweißen oder Stumpfschweißen verbunden sind. Den seitlichen Abschluß bilden Randbleche 3, die mit den Blechformteilen verbunden sind. Die aneinander an Anlageflächen 18 (Fig. 3 und Fig. 6) anliegenden Blechformteile sind in der Höhe derart bemessen, daß benachbarte Flachrohre 1 jeweils auf Abstand zueinander liegen. Durch die durch die Beabstandung entstandenen Zwischenräume hindurch strömt entlang der Außenflächen der Flachrohre 1 im Querstrom zu dem durch die Hohlräume innerhalb der Flachrohre strömenden ersten Medium das zweite Medium, im Falle eines Ladeluftkühlers die zu kühlende Ladeluft. Die Ladeluft wird über Kästen zu den Zwischenräumen zwischen den Flachrohren zu- und abgeführt, von denen einer mit strichpunktierten Linien angedeutet ist. Die Stapelelemente liegen zwischen zwei Platten 6 und 7, die im Bereich von Eckstützen 14 durch durchgehende Schrauben 15 verbunden sind. Die Stapelelemente können im Bereich der Anlageflächen 18 der Formteile 2 miteinander verlötet oder verschraubt sein. Beim in Fig. 1 dargestellten Wärmetauscher liegen Zufluß 19 und Abfluß 20 auf der gleichen Seite des Wärmetauschers. Die auf der anderen Seite des Wärmetauschers befindlichen Formteile 2, die jedoch nicht dargestellt sind, dienen dann nur zur Umlenkung des Strömungsmediums und müssen untereinander nicht strömungsführend verbunden sein. Die in den Fig. 1 und 2 eingezeichneten Pfeile 9 _E und 9 _A geben die Strömungsrichtungen an. Die mit dem Zufluß 19 verbundenen Kammern 16 sind durch Trennwände 8 von den mit dem Abfluß 20 verbundenen Kammern 16 getrennt.The heat exchanger shown in a partial perspective view in FIG. 1 is used, for example, as a charge air cooler for a supercharged internal combustion engine. The heat exchanger is designed as a stack cooler with stacking elements, which consist of flat tubes 1 and associated molded parts 2 . The molded parts 2 are designed as sheet metal molded parts or as molded parts. The flat tubes 1 are preferably manufactured in the extrusion process. In the case of the charge air cooler, for example, water is used as the coolant, which flows through the cavities within the flat tubes 1 . The coolant reaches the cavities via chambers 16 within the molded parts 2 . The chambers 16 serve to collect and distribute the coolant. They are interconnected via passages 9 . The coolant is supplied via an inlet 19 and discharged via an outlet 20 . Inlet 19 and outlet 20 consist of openings in a plate 6 which forms the upper end of the heat exchanger. The molded parts 2 of FIG. 1 are designed as sheet-metal strips bent essentially in a U-shape, which are connected along their longitudinal edges to the flat tubes 1 by soldering, gluing, electron beam welding or butt welding. The lateral end form edge plates 3 , which are connected to the sheet metal parts. The together at contact surfaces 18 (Fig. 3 and Fig. 6) adjacent sheet metal parts are sized in height so that adjacent flat tubes 1 are each at a distance to each other. Through the spaces created by the spacing, the second medium flows along the outer surfaces of the flat tubes 1 in a cross flow to the first medium flowing through the cavities within the flat tubes, and in the case of a charge air cooler the charge air to be cooled. The charge air is fed in and out via boxes to the spaces between the flat tubes, one of which is indicated by dash-dotted lines. The stacking elements lie between two plates 6 and 7 , which are connected in the area of corner supports 14 by continuous screws 15 . The stacking elements can be soldered or screwed together in the area of the contact surfaces 18 of the molded parts 2 . In the heat exchanger shown in Fig. 1, inlet 19 and outlet 20 are on the same side of the heat exchanger. The molded parts 2 located on the other side of the heat exchanger, which are not shown, however, only serve to deflect the flow medium and do not have to be connected to one another in a flow-guiding manner. The arrows 9 _E and 9 _A shown in FIGS. 1 and 2 indicate the flow directions. The chambers 16 connected to the inlet 19 are separated from the chambers 16 connected to the outlet 20 by partitions 8 .

In Fig. 2 sind in einer perspektivischen Ansicht zwei benachbarte, aus Blechen geformte Formteile 2 dargestellt. Die nicht dargestellten Flachrohre 1 sind hier mit wellenförmigen Oberflächen auszubilden. Eine wellenförmige Oberfläche begunstigt die Verwirbelung der darüber hinwegströmenden Luft, wodurch bessere Wärmeübergangszahlen erreicht werden. Die Formteile 2 sind mit Randblechen 3 und Trennwänden 8 dargestellt, die die seitlichen Abschlüsse zweier nebeneinanderliegender Kammern 16 für die Führung des Strömungsmittels innerhalb jedes Flachrohrs im Gegenstrom bilden. Das Kühlmittel tritt über die Durchgänge 9 in Richtung des Pfeils 9 _E in die so gebildeten Kammern 16 ein und in Richtung des Pfeils 9 _A aus.In Fig. 2 are adjacent in a perspective view two, shown from sheet metal shaped mold parts 2. The flat tubes 1 , not shown, are to be designed here with undulating surfaces. A wavy surface favors the swirling of the air flowing over it, which results in better heat transfer coefficients. The molded parts 2 are shown with edge plates 3 and partitions 8 , which form the lateral ends of two adjacent chambers 16 for guiding the fluid within each flat tube in countercurrent. The coolant enters through the passages 9 in the direction of arrow 9 _E into the chambers 16 thus formed and out in the direction of arrow 9 _A.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines im eingebauten Zustand dargestellten Blechformteils. Das Blechformteil und ein Flachrohr 1 sind im Überlappungsbereich miteinander verbunden, beispielsweise verlötet. Bei welliger Ausbildung der Flachrohre 1, wie nach Fig. 2, sind die Ränder der Blechformteile gewellt auszubilden. Die in der Fig. 3 dargestellten Flachrohre 1 sind mit ebenen Wandungen ausgebildet. Zur Verwirbelung der an den Außenflächen der Flachrohre vorbeiströmenden Luft sind Stolperkanten 13 vorgesehen. Als Stolperkanten 13 dienen angeformte Rippen. Die einzelnen von den Blechformteilen gebildeten Kammern 16 sind über Durchgänge 9 miteinander verbunden. Die Durchgänge 9 sind durch elastomere Dichtringe 12 abgedichtet. Fig. 3 shows a cross-sectional view of a sheet metal part shown in the installed state. The sheet metal part and a flat tube 1 are connected to one another in the overlap area, for example soldered. If the flat tubes 1 are wavy, as shown in FIG. 2, the edges of the sheet metal parts are to be corrugated. The flat tubes 1 shown in FIG. 3 are formed with flat walls. Trip edges 13 are provided for swirling the air flowing past the outer surfaces of the flat tubes. Molded ribs serve as stumbling edges 13 . The individual chambers 16 formed by the sheet metal parts are connected to one another via passages 9 . The passages 9 are sealed by elastomeric sealing rings 12 .

In Fig. 4 ist eine Draufsicht auf ein Blechformteil im Bereich einer Ecke des Wärmetauschers in Richtung der Schnittlinie IV-IV der Fig. 3 gesehen. Es ist das Randblech 3 dargestellt, das ein Formteil 2 seitlich abschließt. Randbleche 3 und die durch Bleche gebildeten Trennwände 8 können außerdem zur Aussteifung der Blechformteile dienen, wozu sie dann in entsprechender Wandstärke auszubilden sind. FIG. 4 shows a plan view of a sheet metal part in the area of a corner of the heat exchanger in the direction of section line IV-IV in FIG. 3. The edge plate 3 is shown, which closes a molded part 2 laterally. Edge sheets 3 and the partition walls 8 formed by sheets can also serve to stiffen the sheet metal parts, for which purpose they are then to be formed with the appropriate wall thickness.

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines als Strangpreßteil ausgebildeten Flachrohrs 1 in Richtung der Schnittlinie V-V der Fig. 4 gesehen. Die Wandungen des Flachrohres sind eben ausgeführt. Im Flachrohr verlaufen in Strömungsrichtung des Strömungsmediums Druckstege 11. Die Druckstege 11 sorgen für eine hohe Druckfestigkeit, was bei Ladeluftkühlern von besonderer Wichtigkeit ist. Die Stolperkanten 13 stehen erhaben in den von den Zwischenräumen zwischen zwei benachbarten Flachrohren gebildeten Strömungsraum. FIG. 5 shows a cross-sectional view of a flat tube 1 designed as an extruded part in the direction of the section line VV of FIG. 4. The walls of the flat tube are flat. In the flat tube extend in the direction of flow of the flow medium pressure webs. 11 The pressure bars 11 ensure a high pressure resistance, which is of particular importance for charge air coolers. The trip edges 13 are raised in the flow space formed by the gaps between two adjacent flat tubes.

In der Fig. 6 sind in einer Querschnittsansicht Stapelelemente des Wärmetauschers mit aus Gußformteilen gefertigten Formteilen 2 zur Bildung der Kammern 16 dargestellt. Die Gußformteile sind über Durchgänge 9 strömungsführend miteinander verbunden. Die Abdichtung erfolgt durch elastomere Dichtringe 12. Die Ränder der Gußformteile sind mit entsprechenden Rändern der Flachrohre verbunden. Die Strömungsrichtung des zu den Flachrohren zufließenden Kühlmittelstroms ist durch Pfeile dargestellt. Die Flachrohre 1 sind beispielsweise entsprechend Fig. 5 ausgebildet.In FIG. 6 of the heat exchanger are shown with mold parts made from mold parts 2 to form the chambers 16 in a cross-sectional view of stack elements. The mold parts are connected to one another in a flow-guiding manner through passages 9 . Sealing takes place by means of elastomeric sealing rings 12 . The edges of the mold parts are connected to corresponding edges of the flat tubes. The direction of flow of the coolant flow flowing to the flat tubes is shown by arrows. The flat tubes 1 are designed, for example, in accordance with FIG. 5.

Claims

1. Heat exchanger with flat tubes, several of which, spaced apart from one another, are arranged in a stack, the cavities within the flat tubes being flowed through by a first medium which is distributed and collected via chambers which communicate with the cavities of the flat tubes and one Inflow and outflow are connected, and furthermore a second medium flows through the intermediate spaces between two adjacent flat tubes, characterized in that the chambers ( 16 ) are formed by cavities in stackable molded parts ( 2 ) in such a way that the molded parts ( 2 ) along the entry and exit areas of each flat tube ( 1 ) extend that the shaped parts ( 2 ) are connected at their edges all around with corresponding edges of the flat tubes ( 1 ) to form a stacking element that the chambers formed by the shaped parts ( 2 ) ( 16 ) through passages ( 9 ) between adjacent molded parts ( 2 ) flowing together are connected, and that the second medium is guided in cross flow to the first medium.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the chambers ( 16 ) of cavities in substantially U-shaped parts ( 2 ) made of sheet metal with side endings from edge sheets ( 3 ) are formed.

3. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the chambers ( 16 ) are formed by cavities in the form of molded parts ( 2 ).

4. Heat exchanger according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the flat tubes ( 1 ) are made in the extrusion process.

5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the flat tubes ( 1 ) are formed with pressure bars ( 11 ) which extend within the flat tubes ( 1 ) in the direction of flow.

6. Heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized in that the flat tubes ( 1 ) in the flow direction of the through the gaps between adjacent flat tubes ( 1 ) flowing through the second medium are formed with a wavy surface.

7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that the spacing of the flat tubes ( 1 ) in the region of the molded parts ( 2 ) to the flat tubes ( 1 ) in the height-superior contact surfaces ( 18 ).

8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterized in that the stack of elements formed of flat tubes (1) and mold parts (2) are screwed together in the region of the mold parts (2).

9. Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterized in that the stack of elements formed of flat tubes (1) and mold parts (2) in the region of the contact surfaces (18) are soldered to the mold parts (2) together.

10. Heat exchanger according to one of claims 1 to 9, characterized in that the shaped parts ( 2 ) for guiding the medium flowing through the cavities of the flat tubes ( 1 ) in cross-countercurrent with adjacent, by partitions ( 8 ) separate chambers ( 16 ) are formed .