DE4442038A1 - Wärmetauscher sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Einlaß und einem Auslaß, am Einlaß und am Auslaß vorgesehenen Sammlern und die Sammler miteinander verbindenden, von Wellrippen umgebenen Flachrohren, wobei die Wellrippen von parallel zu den Flachrohren verlaufenden Seitenteilen begrenzt sind und die Sammler und die Seitenteile den Rahmen des Wärmetauschers bilden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung derartiger Wärmetauscher.

Wärmetauscher sind z. B. in Kühlanlagen von stationären oder mobilen Verbrennungsmotoren hinreichend bekannt. Diese Aggregate weisen in der Regel Rundrohre auf, die Kühllamellen durchsetzen. Die Rundrohre werden nach dem Einschieben in die Kühllamellen bzw. nachdem die Kühllamellen auf die Rohre aufgeschoben worden sind mit den Kühllamellen dadurch verbunden, daß die Rohre entweder aufgeweitet oder mit den Lamellen verlötet werden. Auf diese Weise wird einerseits ein fester Sitz der Lamellen auf den Rohren, andererseits eine gute Wärmeleitung erzielt. Derartige Rundrohre weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie eine sehr kurze Überströmlänge besitzen. Dieser Nachteil wird dadurch vermieden, daß anstelle von Rundrohren Ovalrohre oder Flachrohre verwendet werden, die bis zum Abreißen der Strömung eine größere Überströmlänge aufweisen (DE-A-40 31 577). Derartige Oval- oder Flachrohre weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie sich sowohl bei der Berstdruckprüfung als auch während des Betriebs des Aggregats verformen, indem sie ihren Querschnitt in Richtung eines runden Querschnitts verändern. Die Rohre bauchen sich also auf. Diese Querschnittsänderung bewirkt jedoch eine Verformung des gesamten Aggregats in eine ballige Form, die unter Umständen zu Funktionsstörungen oder mitunter sogar zu Undichtigkeiten führt.

An der US-A-4,719,967 ist ein Wärmetauscher bekannt, der von einem Metallband umschlungen ist. Dieses Metallband soll einer Ausbeulung entgegenwirken.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der zumindest bei der Berstdruckprüfung eine geringere Neigung zum Verformen aufweist. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmetauschers bereitzustellen.

Die zuerst gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Seitenteile des Wärmetauschers eine bezüglich dessen Außenkontur im wesentlichen konkave, z. B. V-förmige, bogenförmige oder ballige Versteifung aufweisen.

Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenteils mit einer konkaven Versteifung, d. h. mit einer in Richtung der Wellrippen zeigenden Ausbauchung, bewirkt, daß eine beginnende Verformung der Flachrohre, was sich in einer nach außen gerichteten Lageveränderung der Wellrippen äußert, sofort durch die konkave Versteifung der beiden einander gegenüberliegenden Seitenteile aufgefangen bzw. abgestützt wird. Die beiden Seitenteile wirken als Kniehebel und stützen sich ihrerseits an den die Rohrenden aufnehmenden Rohrböden bzw. an im Bereich der Rohrböden sich befindenden Gehäuseteilen ab. Da die Durchbiegung eines konkav versteiften Seitenteils wesentlich höhere Kräfte erfordert als die Verformung eines herkömmlichen, eben ausgebildeten Seitenteils, können wesentlich höhere Betriebsdrücke bzw. Prüfdrücke bei der Berstprüfung herrschen, ohne daß das Aggregat Schaden nimmt. Unter Umständen können sogar die einzelnen Rohre der Aggregate mit einer geringeren Wandstärke versehen werden.

Die Erfindung soll nicht auf Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge beschränkt sein sondern soll gleichermaßen auch Wärmetauscher für stationäre Anlagen umfassen. Auch wenn in einzelnen Aggregaten während des Betriebs kein Überdruck sondern eher ein Unterdruck herrscht, so werden derartige Aggregate doch mit einem Überdruck auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft, so daß zumindest für diese Überdruckprüfung gewährleistet ist, daß sich das Aggregat nicht verformt.

Bevorzugte Ausgestaltungen einer konkaven Versteifung ist eine ballige, bogenförmige oder V-förmige Versteifung, wobei bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Spitze der V-förmigen oder bogenförmigen Ausgestaltung des Seitenteils sich im wesentlichen im Bereich der Mitte zwischen den Sammlern befindet und die Schenkel zu den Sammlern weisen. Diese Ausgestaltung hat den wesentlichen Vorteil, daß an dem Ort, wo die maximalen Verformungen zu erwarten sind, nämlich in der Mitte zwischen den beiden Sammlern, sich die Spitze der konkaven Versteifung befindet, und auf diese Weise optimal die die Verformung bewirkenden Kräfte abgestützt werden können.

Mit Vorzug weist das Seitenteil einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf. Dabei liegen die beiden U-Schenkel im wesentlichen parallel zueinander und jeder Schenkel ist im wesentlichen V-förmig gebogen. Zwar liegen die Schenkel nach wie vor jeweils in einer Ebene, wobei die Ebenen parallel zueinander sind, jedoch besitzt jeder Schenkel einen Knick, der sich im wesentlichen in der Mitte zwischen den beiden Sammlern befindet. Dieser Knick bewirkt die V-Stellung oder Krümmung der Schenkel.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die konkave Form in das Seitenteil eingeprägt. Diese Seitenteile unterscheiden sich äußerlich nicht von herkömmlichen Seitenteilen, besitzen jedoch insbesondere an ihrem an den Wellrippen anliegenden Abschnitt eine konkave Einprägung.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt das Seitenteil direkt am benachbarten Flachrohr an. Auf diese Weise können die die Verformung bewirkenden Kräfte direkt am Flachrohr abgestützt werden. Bevorzugt ist dabei das Seitenteil mit in Richtung auf das benachbarte Flachrohr vorstehenden Sicken bzw. Vorsprüngen versehen, wobei die Höhe der Sicken von den Enden des Seitenteils in Richtung dessen Mitte abnimmt. Die Spitzen der bogenförmigen oder ebenfalls V-förmigen Sicken liegen dabei in einer Ebene. Auf diese Weise kann das konkave Seitenteil indirekt an das benachbarte, jedoch gerade ausgestaltete Flachrohr angelegt werden, wobei das Flachrohr über seine ganze Länge gleichmäßig und an einer Vielzahl von Stellen abgestützt wird.

Bei einer anderen Ausführungsform liegt zwischen dem konkaven Seitenteil und dem benachbarten Flachrohr eine zur konkaven des Seitenteils komplementär ausgebildete Wellrippe. Über diese Wellrippe kann der keilförmige Spalt zwischen dem Seitenteil und dem benachbarten Flachrohr überbrückt und ausgefüllt werden, so daß auch hier das Flachrohr gleichmäßig über dessen Länge und an vielen Stellen abgestützt wird.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Wellrippen des Wärmetauschers eine zur konkaven Form des Seitenteils komplementäre Form des Seitenrandes aufweist. Dieses Rippenpaket weist also eine Form auf, das zwei Einschnürungen an den Seitenrändern besitzt, wobei die Einschnürungen komplementär zur Form des Seitenteils ist, so daß die Seitenteile paßgenau in diese Einschnürungen eingreifen kann.

Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers mit jeweils einem einen Einlaß bzw. einen Auslaß aufweisenden Sammler, die Sammler miteinander verbindenden, von Wellrippen umgebenen Flachrohren und die Wellrippen parallel zu den Flachrohren verlaufenden Seitenteilen dadurch gelöst, daß die Seitenteile nach dem Fügen der einzelnen Bauelemente in ihrem mittleren Bereich in Richtung zueinander vorgespannt werden und danach die Bauelemente miteinander verlötet werden.

Durch die Vorspannung der Seitenteile in ihrem mittleren Bereich zwischen den beiden Sammlern wird der zwar gefügte jedoch noch nicht verlötete Wärmetauscher in seinem mittleren Bereich eingeschnürt, wobei diese Einschnürung durch die Verlötung fixiert wird. Ein derartiges Aggregat hat den wesentlichen Vorteil, daß die Einschnürung bzw. die konkave Ausgestaltung im mittleren Bereich einer Ausballung entgegenwirkt.

Bevorzugt werden die mittleren Bereiche der Seitenfläche bezüglich der Breite des ganzen Aggregats um 0,5% bis 2% vorgespannt. Weist das Aggregat eine Breite von 300 mm auf, so werden die mittleren Bereiche zum Beispiel um 2 mm vorgespannt. Dies genügt, um einem Ausbeulen gezielt entgegenwirken zu können.

Ein besonderer Verfahrensschritt sieht vor, daß bei der Herstellung des Aggregats Seitenteile verwendet werden, die bezüglich der Außenkontur konkav geformt sind. Auf diese Weise kann die Wirkung verstärkt werden, indem einerseits Seitenteile verwendet werden, die durch ihre Form einer Ausbeulung entgegenwirken, andererseits durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zusätzlich einer Ausbeulung entgegengewirkt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen dargestellt ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten und im Text erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich und in einer beliebigen Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt I gemäß Fig. 3, die linke untere Ecke eines Kühlers zeigend;

Fig. 2 eine Ansicht II gemäß Fig. 1 auf ein Seitenteil des Kühlers; und

Fig. 3 eine schematisierte Prinzipdarstellung des Kühlers.

In der Fig. 1 ist die linke untere Ecke eines insgesamt mit 1 bezeichneten Kühlers für ein Kraftfahrzeug in vergrößerter Darstellung wiedergegeben. In diesem Ausschnitt I sind eine Vielzahl paralleler Rohre 2 erkennbar, die (in der Zeichnung nicht dargestellt) einen ovalen bzw. länglichen Querschnitt aufweisen. Die lange Halbachse des Querschnitts liegt orthogonal zur Bildebene. Der Kühler 1 wird von Luft durchströmt, deren Strömungsrichtung ebenfalls orthogonal zur Bildebene ist. Zwischen den einzelnen Rohren 2 befindet sich die Berippung 3, die aus einer Vielzahl von Lamellen oder Wellrippen 4 aufgebaut ist. Die unteren Enden der Rohre 2 münden in einen Rohrboden 5, auf den ein nicht dargestellter Sammler 25 oder Wasserkasten aufgesetzt ist. Der Sammler 25 ist mit einer Einlaßöffnung 6 (Fig. 3) versehen. Die oberen Enden der Rohre 2 münden ebenfalls in einen Rohrboden 7, auf den ein Sammler 27 aufgesetzt ist, welcher mit einer Auslaßöffnung 8 versehen ist. Den beiden äußeren Rohren 2 sind Seitenteile 9 und 10 benachbart, die in der Fig. 3 lediglich schematisch wiedergegeben sind. Die beiden Rohrböden 5 und 7 sowie die beiden Seitenteile 9 und 10 bilden einen Rahmen für die Rohre 2 mit Berippung 3. Die beiden Seitenteile 9 und 10 sind bei 11 in nicht dargestellter Weise mit dem Rohrboden 5 bzw. Sammler 7 verbunden. Diese Verbindung kann z. B. eine Verschweißung, Verlötung, eine Bördelung oder dgl. sein oder die Seitenteile können auch eingehängt sein. Eine andere Möglichkeit der Verbindung ist in US-A-3,228,461 offenbart, wo die Seitenteile 9 und 10 von einem abgekröpften Rand bzw. einer Bodensicke des Rohrbodens 5 bzw. 7 hintergriffen werden. Der Rohrboden wirkt somit als Zuganker in Verbindung mit einem Seitenteil auf der gegenüberliegenden Seite. Diese Rohrböden 5 und 7 üben Kräfte auf die Seitenteile 9 und 10 aus, die in Richtung der Pfeile 24 (Fig. 3) wirken. Auf jeden Fall muß sicher gestellt sein, daß die Enden der Seitenteile 9 und 10 nicht entgegen der Richtung des Pfeils II ausweichen können. Außerdem sind die Wellrippen 4 mit den Rohren 2 verlötet.

In den Fig. 1 und 2 ist lediglich das linke Seitenteil 9 dargestellt und nachfolgend wird auch nur auf dieses Seitenteil 9 Bezug genommen, wobei jedoch das Seitenteil 10 entsprechend ausgebildet ist. Der Querschnitt des Seitenteils 9 ist im wesentlichen U-förmig, was dem Seitenteil eine gewisse Steifigkeit verleiht. Außerdem ist erkennbar, daß der die beiden Schenkel 12 und 13 miteinander verbindende Rückenabschnitt 14 mit einer Vielzahl von Sicken 15 oder Einprägungen oder dgl. versehen ist. Die Sicken verlaufen in der Darstellung der Fig. 1 orthogonal zur Bildebene und erstrecken sich entlang dem benachbarten Rohr 2, d. h. liegen an diesem an. Außerdem ist in Fig. 1 erkennbar, daß der untere Abschnitt des Seitenteils 9 unter einem Winkel a zum benachbarten Rohr 2 steht. Dies ist auch deutlich aus Fig. 3 erkennbar. Ebenso schließt der obere Abschnitt des Seitenteils 9 einen Winkel α′ (Fig. 3) zum benachbarten Rohr 2 ein, 50 daß die beiden Abschnitte ein V-förmig geformtes Seitenteil 9 bilden, wobei der Öffnungswinkel dieses V-förmigen Seitenteils 180°-α-α′ beträgt. Die Spitze 16 der V-Form des Seitenteils 9 kann dabei, wie in Fig. 1 dargestellt, am benachbarten Rohr 2 anliegen oder kann, wie in Fig. 3 dargestellt, einen Abstand zu diesem aufweisen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind die Seitenteile 9 und 10 gebogen ausgeführt.

Der im wesentlichen keilförmige Zwischenraum 17 zwischen dem Seitenteil 9 und dem benachbarten Rohr 2 wird von den Sicken 15 überbrückt. Diese weisen, ausgehend vom unteren Ende des Seitenteils 9 bis zu der Spitze 16 eine abnehmende Höhe auf. Anstelle der Sicken 15 könnte auch eine Wellrippe im keilförmigen Zwischenraum 17 angeordnet sein, deren Höhe entsprechend abnimmt. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß das Rohr 2 über seine gesamte Länge an einer Vielzahl von Positionen vom Seitenteil 9 abgestützt wird. Die Spitzen der Wellrippen 4 können, wie in Fig. 1 dargestellt, spitz zulaufen, sie können aber auch gerundet sein.

Wird der Kühler 1 bei der Berstprüfung mit einem hohen Prüfdruck von z. B. 3 bar oder mehr beaufschlagt, dann neigen die ovalen bzw. länglichen Rohren 2 dazu, sich in Richtung des Pfeils 18 auszubauchen. Dies führt dazu, daß Kräfte auf die Sicken 15 und somit auf das Seitenteil 9 entgegen der Pfeilrichtung des Pfeils II ausgeübt werden. Das Seitenteil 9 verformt sich dabei derart, daß es eine Lage einnehmen kann, wie sie in der Fig. 1 mit gestrichelter Linie 19 dargestellt ist. Dabei übt das Seitenteil 9 Kräfte in Richtung der Pfeile 20 und 21 auf den Rohrboden 5 bzw. 7 aus. Da die Rohrböden jedoch einerseits fest mit den Seitenteilen 9 und 10, andererseits fest mit den Enden der Rohre 2 verbunden sind, werden das Seitenteil 9 und somit auch das Seitenteil 10 im wesentlichen starr abgestützt. Auf diese Weise kann das Seitenteil 9 bzw. 10 erheblich höhere Kräfte aufnehmen als Seitenteile, die keine konkave Form besitzen. Einer Ausweitung bzw. Ausbauchung oder Ausballung des Kühlers 1 in Richtung der Pfeile 22 und 23 wird daher effektiv entgegengewirkt.

Diese Versteifung des Kühlers 1 kann bereits bei der Herstellung des Kühlers erzielt werden, indem nach dem Fügen der einzelnen Bauteile die Seitenteile 9 und 10 in dem durch das Bezugszeichen 16 bezeichneten Bereich, d. h. im wesentlichen in der Mitte zwischen den Sammlern 5 und 7 entgegen der Richtung der Pfeile 22 und 23 verspannt werden. Durch diese Verspannung weisen die beiden Seitenteile 9 und 10 ebenfalls eine konkave oder V-Form auf, auch wenn sie vor der Verspannung eben waren. Werden nun nach der Verspannung des Kühlers 1 die einzelnen Bauteile miteinander verlötet oder auf andere Weise aneinander befestigt, dann behält der Kühler 1 die vorgegebene Form bei, insbesondere behalten die Seitenteile 9 und 10 die aufgeprägte konkave Form bei. Ein derart hergestellter Kühler 1 besitzt eine höhere Steifigkeit als herkömmliche Kühler und einer Ausbauchung in Richtung der Pfeile 22 und 23 wird effektiv entgegengewirkt.

Die obige Beschreibung betrifft den Aufbau bzw. Herstellung eines Kühlers, wobei die Erfindung nicht auf einen Kühler beschränkt sein soll, sondern ebenfalls Verdampfer und Kondensatoren umfassen soll.

Claims (14)

1. Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Einlaß (6) und einem Auslaß (8), am Einlaß (6) und am Auslaß (8) vorgesehenen Sammlern (5 und 7) und die Sammler (5 und 7) miteinander verbindenden, Wellrippen (3) umgebenen Flachrohren (2), wobei die Wellrippen (3) von parallel zu den Flachrohren (2) verlaufenden Seitenteilen (9 und 10) begrenzt sind und die Sammler (5 und 7) und die Seitenteile (9 und 10) den Rahmen des Wärmetauschers (1) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenteile (9 und 10) eine bezüglich der Außenkontur im wesentlichen konkave, z. B. V-förmige oder bogenförmige Versteifung aufweisen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (16) der konkaven Ausgestaltung des Seitenteils (9 bzw. 10) sich im wesentlichen im Bereich der Mitte zwischen den Sammlern (5 und 7) befindet und die Schenkel zu den Sammlern (5 und 7) weisen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenteil (9 bzw. 10) einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden U-Schenkel (12 und 13) parallel zueinander liegen und jeder Schenkel (12 und 13) im wesentlichen konkav ausgebildet ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Form in das Seitenteil (9 bzw. 10) eingeprägt ist.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenteil (9 bzw. 10) direkt am benachbarten Rohr (2) anliegt.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenteil (9 bzw. 10) mit in Richtung auf das benachbarte Rohr (2) vorstehenden Sicken (15) versehen ist, wobei die Höhe der Sicken (15) von den Enden des Seitenteils (9 bzw. 10) in Richtung zu dessen Mitte abnimmt.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen der Sicken (15) in einer Ebene liegen und insbesondere V-förmig oder bogenförmig ausgebildet sind.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem konkaven Seitenteil (9 bzw. 10) und dem benachbarten Rohr (2) eine zur konkaven Form des Seitenteils (9 bzw. 10) komplementär ausgebildete Wellrippe (4) liegt.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berippung (3) des Wärmetauschers (1) eine zur konkaven Form des Seitenteils (9 bzw. 10) komplementäre Form des Seitenrandes aufweist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (1), Verdampfers oder Kondensators mit jeweils einem einen Einlaß (6) bzw. einen Auslaß (8) aufweisenden Sammler (5 und 7), die Sammler (5 und 7) miteinander verbindenden, von Wellrippen (3) umgebenen Flachrohren (2) und die Wellrippen (3) parallel zu den Flachrohren (2) begrenzenden Seitenteile (9 und 10), dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenteile (9 und 10) nach dem Fügen der einzelnen Bauteile in ihrem mittleren Bereich in Richtung zueinander vorgespannt werden und dann die Bauteile miteinander verlötet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Bereiche der Seitenteile (9 und 10) bezüglich der Breite des gesamten Wärmetauschers um 0,5% bis 2% vorgespannt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher nach dem Verlöten ausgespannt wird und in seinem mittleren Bereich geringfügig eingeschnürt ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenteile (9 und 10), die bezüglich der Außenkontur konkav ausgebildet sind, vorgespannt werden.