DE60110872T2

DE60110872T2 - Wärmetauscheranordnung

Info

Publication number: DE60110872T2
Application number: DE2001610872
Authority: DE
Inventors: Andrew John Belch
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: GB0023050D0; GB2371505A; DE60110872D1; EP1191298A3; EP1191298A2; EP1191298B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauscherkonstruktion. Die Konstruktion eignet sich besonders für die Herstellung von Wärmetauschern für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, z.B. Wärmetauscher für Kühler und Kondensatoren für Klimaanlagen; die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Anwendungen beschränkt.
Wärmetauscher der Art, welche die vorliegende Erfindung betrifft, haben Kühlerkästen, an welchen eine Vielzahl von Kühlerröhrchen angeschlossen sind. Die Kühlerröhrchen haben in der Regel Rippen, die zwischen den Röhrchen angebracht sind, und zusammen bilden die Röhrchen und die Kühlrippen einen Wärmetauscherkern. Vom Kühlerkasten fließt Kühlmittel durch die Röhrchen, und wenn das Kühlmittel durch die Kühlerröhrchen fließt, befindet es sich in einer Wärmeaustauschbedingung mit einem anderen Medium, das um die Röhrchen fließt. Bei einem typischen Kraftfahrzeug-Kühlkreislauf fließt das Kühlmittel durch den Fahrzeugmotor, und seine Temperatur steigt dabei an. Danach fließt es durch den Kühler, wobei es durch den oberen Kühlerkasten in den Kühler eintritt und dann durch die Kühlerröhrchen fließt, wo Luft um die Röhrchen streicht und dabei dem durch diese strömenden Kühlmittel Wärme entzieht und dessen Temperatur senkt, bevor das Kühlmittel wieder dem Fahrzeugmotor zugeleitet wird.
In herkömmlichen Kühlerkonstruktionen sind die Kühlerröhrchen zusammen mit den zwischen den Röhrchen angeordneten Wärmetauscherrippen mit einer Kopfplatte verbunden, die sich über alle Röhrchen an einem oder an beiden Enden des Kühlers erstreckt, und es wird eine mediendichte Verbindung zwischen der Kopfplatte und den Röhrchen z.B. durch Lötnähte hergestellt. Danach wird ein separat geformter Kühlerkasten auf die Kopfplatte montiert. Der Kühlerkasten ist oft ein Kunststoffgußteil mit einer offenen Seite, die an der Kopfplatte befestigt wird. Im allgemeinen wird eine Kopfdichtung zwischen Kühlerkasten und Kopfplatte eingesetzt, und der Kühlerkasten wird durch Bördeln bzw. Falzen der Ränder der Kopfplatte um die Ränder des Kühlerkastens befestigt.
Dieses Verfahren ergibt zwar ein befriedigendes Endprodukt, es ist aber zeitaufwendig in der Herstellung und erfordert drei getrennte Bauteile, nämlich die Kopfplatte, eine Dichtung und einen Kühlerkasten sowie mehrere verschiedene Herstellungsschritte.
Die japanische Patentschrift JP-11 270994 A offenbart eine Kühlerkasteneinheit für mehrere Wärmetauscher.
Der Erfindung zufolge wird eine Kühlerkasteneinheit für eine Wärmetauschereinheit gestellt, welche wenigstens zwei Wärmetauscher beinhaltet, wobei die Kühlerkasteneinheit wenigstens einen ersten und einen zweiten Kühlerkasten aufweist, worin jeder Kühlerkasten einen röhrenförmigen Körper mit einer Vielzahl von Öffnungen für Kühlerröhrchen hat, dadurch gekennzeichnet, daß jeder röhrenförmige Körper aus einem einzigen länglichen Werkstoffblech geformt ist, das derart abgekantet wird, daß die Längsränder des Bleches in zwei parallelen, einander berührenden Ebenen liegen, wobei ein Endstück eines der Ränder eine Reihe von im Abstand von einander angeordneten Lappen aufweist, wobei der erste und der zweite Kühlerkasten so zueinander ausgerichtet sind, daß die Lappen des ersten Kühlerkastens und die Lappen des zweiten Kühlerkastens abwechselnd aufeinander folgen, und worin die Lappen des ersten Kühlerkastens um die Ränder des zweiten Kühlerkastens geschlagen werden und umgekehrt, und eine Falznaht hergestellt wird, die die beiden Kühlerkästen miteinander verbindet und so die besagte Einheit herstellt.
Die Kühlerkästen werden vorzugsweise mit Abschlußkappen aus demselben Werkstoff versehen, nachdem die Kühlerkästen abgekantet und die Falznähte hergestellt worden sind. Jeder Kühlerkasten kann aus einem ursprünglich flachen länglichen Werkstoffblech geformt werden, indem ein Verfahren zur Anwendung gebracht wird, das die Schritte der Ausbildung von Öffnungen für die Kühlerröhrchen entlang der Länge des Werkstoffbleches beinhaltet, das Abkanten des Bleches derart, daß die Längsränder in Anlage an einander liegen, und die Bildung einer Falznaht zwischen den Rändern derart, daß ein röhrenförmiger Körper gebildet wird, sowie das Schließen der Enden des röhrenförmigen Körpers.
Der röhrenförmige Körper kann einen vierkantigen Querschnitt aufweisen, einen runden Querschnitt, einen ovalen Querschnitt oder jede beliebige andere Röhrenform.
Der Werkstoff ist Metall, vorzugsweise eine Aluminiumlegierung mit einem Hartlötflußmittelüberzug.
Die umgeschlagene und umgefalzte Kühlerkastennaht kann zur völligen Abdichtung des Kastens gelötet werden.
Teile des Bleches sind vorzugsweise der Ebene des Bleches gegenüber ausgebuchtet, um dem abgekanteten Blech auf diese Weise Steifigkeit zu verleihen.
Die Längsränder können in zwei parallelen, einander berührenden Ebenen liegen, wobei ein Endabschnitt eines Randes um den Endabschnitt des anderen Randes herumgelegt wird. Die Falznaht kann mit drei übereinanderliegenden Lagen des Bleches gebildet und mechanisch gequetscht werden.
Die Erfindung liefert auch eine Wärmetauschereinheit mit wenigstens zwei Wärmetauschern, in welcher jeder Wärmetauscher einen Wärmetauscherkasten aufweist, und wo die Wärmetauscherkästen eine Kasteneinheit bilden, welche Kasteneinheit wie oben beschrieben ist.
Der Wärmetauscher kann z.B. ein Kraftfahrzeugkühler sein, ein Kraftfahrzeug-Kondensator für eine Klimaanlage, oder ein Zwischenkühler für ein Kraftfahrzeug.
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden; dabei zeigt:
1: eine isometrische Darstellung von einem Ende eines Wärmetauschers aus gesehen;
2: ein Detail einer Falznaht, wie sie in der Kühlerkasteneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung kommt;
3: eine perspektivische Darstellung eines Endes einer zweiten Ausführungsform eines Wärmetauschers;
4: eine Endansicht, welche eine Kühlerkasteneinheit für zwei miteinander verbundene Wärmetauscher im Einklang mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
5: eine Ansicht der miteinander verbundenen Wärmetauscher aus 4, in einem vergrößerten Maßstab, welche die eingesetzten Abschlußkappen darstellt;
6: eine Ansicht ähnlich 4, die jedoch eine andere Kühlerkasteneinheit zeigt;
7: noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Wärmetauscher unterschiedliche Querschnittsformen haben; und
8: eine Anordnung, in der drei Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander verbunden sind.
1 zeigt eine Ecke eines Wärmetauschers mit einem Kühlerkasten, der allgemein mit 10 bezeichnet ist, sowie mit einer Reihe von allgemein mit 12 bezeichneten Kühlerröhrchen. Alle Kühlerröhrchen verlaufen parallel zueinander. Wenngleich diese in der Zeichnung nicht dargestellt sind, so sind doch herkömmliche Wärmeaustauschrippen vorhanden, welche sich zwischen den Röhrchen 12 erstrecken.
Die Röhrchen 12 laufen in offenen Enden 14 aus, welche durch den Boden 16 des Kühlerkastens 10 reichen. Im oberen Teil 18 jedes Röhrchens 12 ist ein Übergangsbereich dargestellt, wo sich der Querschnitt des Röhrchens zwischen einem für eine Wärmeaustauschströmung durch die Röhrchen 11 optimierten Querschnitt und einem für die Einfügung in den Boden 16 des Kühlerkastens erweiterten Querschnitt glockenförmig erweitert. Der in 1 dargestellte Kühlerkasten 10 hat einen allgemein quadratischen Querschnitt und ist aus einem einzelnen abgekanteten Metallblech, vorzugsweise aus Aluminium, geformt. Vor dem Abkanten werden in denjenigen Teil des Bleches, der nachher den Boden 16 bildet, Löcher für die oberen Enden 14 der Röhrchen 12 gestanzt.
Die Längsränder des Bleches treffen sich in einer Falznaht 20, die weiter im einzelnen aus 2 ersichtlich ist. Einer der Ränder 22 ist im rechten Winkel zu der Oberfläche, von der er absteht, nach oben aufgestellt. Der andere Rand 24 ist um den Rand 22 herumgeschlagen. Die Wandfläche 23 weist eine Sicke oder Stufe 26 unterhalb der Falznaht 20 auf, so daß nach unten auf die Oberseite 21 des Kühlerkastens wirkende Drucklasten nicht dazu führen, die Falznaht 20 aufzubrechen, und eine Fläche 25.
Nach dem Umlegen und der Herstellung des gegenseitigen Eingriffes der Ränder 22 und 24 zur Erzielung der in 2 dargestellten Situation erfolgen noch zwei weitere Schritte. Zunächst wird an der Naht eine mechanische Quetschkraft angelegt, indem Kräfte in den durch die Pfeile A angedeuteten Richtungen aufgebracht werden, so daß die Materialteile ineinandergedrückt werden. Als zweites findet in einem späteren Verarbeitungsschritt ein Hartlötvorgang statt, und das Lot füllt dann alle Hohlräume aus, die nicht durch den Quetschvorgang verschlossen wurden, so daß eine mediendichte Naht hergestellt wird.
3 zeigt, daß der Flansch 24 in regelmäßigen Abständen entlang der Länge des Teils unterbrochen sein kann, so daß ein Kronensteg 28 gebildet wird, wo die Längsränder des Bleches aneinanderstoßen. Diese Kronenform kann, wie in den nachfolgenden Figuren zu sehen ist, dazu verwendet werden, die Kühlerkästen von zwei oder mehr Wärmetauschern miteinander zu verbinden.
4 zeigt zwei Kühlerkästen 30 und 32. Es ist zu erkennen, daß beide Kühlerkästen eingeprägte Einbuchtungen 34 unterschiedlicher Gestalt und Form haben, die in jeder Fläche des Kastens eingearbeitet sind, um den sonst glatten ebenen Flächen Steifigkeit zu verleihen. Die Kühlerkästen haben auch Schlitze 36, in welche Kühlerröhrchen 12 in der in 1 dargestellten Art und Weise eingesetzt werden.
Die Kühlerkästen sind entlang des Steges 28 miteinander verbunden. Von dem im Vordergrund der Zeichnung dargestellten offenen Ende aus gesehen im ersten Abschnitt des Steges 28 hat der Kühlerkasten 30 hochstehende Ränder 122 und 125, aber der umgelegte Flansch 24 ist hier nicht vorhanden. Der Kühlerkasten 32 hat Ränder 222 und 225, wobei der Rand 225 in einem Flansch 224 ausläuft, der über beide Ränder 122 und 125 geschlagen wird.
Im nächsten Abschnitt des Steges 28 trägt der Rand 125 einen Flansch 124, und der Rand 225 ist flanschlos. Flansch 124 ist über die Ränder 222 und 225 geschlagen.
Dieses Muster wiederholt sich über die Länge des Steges 28, so daß abwechselnd immer ein Flansch von einem Kühlerkasten über die Ränder des anderen Kühlerkastens geschlagen und mit diesem verquetscht wird, und umgekehrt.
Wie weiter oben schon erwähnt, wird der so gefalzte Rand anschließend mechanisch verschlossen und dann gelötet.
Die 1 bis 4 zeigen Kühlerkästen mit vierkantigem Querschnitt mit jeweils offenen Enden. Es ist zwar möglich, die Enden zusammenzukneifen und zu verquetschen, so daß sie ähnlich wie bei einer Tube Zahnpasta verschlossen werden, vorgezogen wird jedoch, die Enden der Kühlerkästen durch Einsetzen von Endkappen zu verschließen, wie es in 5 dargestellt ist. Diese Figur zeigt eine einzelne Abschlußkappe 38, welche aus demselben Blech wie der Rest des Kühlerkastens besteht und beide Kühlerkästen 30 und 32 verschließt. Die Abschlußkappe hat Platten 40, 42. Platte 40 hat Endflansche 44, die sich passend in den Querschnitt des Kühlerkastens 30 einfügen, und die Platte 42 hat Endflansche 46, die sich passend in den Querschnitt des Kühlerkastens 32 einfügen. Die Platten 40 und 42 sind über einen hutförmigen Abschnitt 48 miteinander verbunden, der die parallelen, einander benachbarten Seitenwände der Kühlerkästen 30 und 32 überbrückt. Die Abschlußkappe wird mit den Wänden des Kühlerkastens verlötet, so daß eine mediendichte Naht gebildet wird. Der hutförmige Abschnitt 48 hilft auch, die beiden Kühlerkästen 30, 32 in der richtigen Relativlage zueinander zu halten.
5 zeigt ebenfalls die Ränder 122, 222, die mit Längsrippen 50 ausgebildet sind, welche zur Bildung einer mechanisch robusten Naht entlang dem Steg 28 nach Abschluß des Falz- und Quetschvorganges beitragen.
6 zeigt eine weitere Kühlerkasteneinheit, wo keiner der Ränder 322, 324, 422, 424 umgeschlagene Flansche aufweist. Statt dessen ist ein separater Flanschstreifen 300 über die ganze Länge der aneinanderliegenden Ränder 322, 324, 422, 424 mit diesen verquetscht und verlötet. Ein Vorteil eines separaten Falzstreifens ist, daß ein Teil 302 des Streifens als externer Befestigungsflansch ausgebildet werden kann. In 6 ist dieser Flansch als volles flaches Teil dargestellt, es ist jedoch selbstverständlich, daß es sehr viele Formen annehmen kann, z.B. auch Bohrungen für Befestigungselemente o.ä. aufweisen kann, und daß diese Formen durch Preßformen oder ähnliches in den Flanschstreifen integriert werden können, bevor dieser mit dem Kühler verquetscht wird.
7 zeigt zwei miteinander verbundene Kühlerkästen 500, 600. Kasten 500 ist ein Oberkasten für einen Kühler, und Kasten 600 ist für einen Kondensator bestimmt. Der Kondensatorkasten muß bei höheren Innendrücken arbeiten als der Kühlerkasten und ist deshalb aus einem dickeren Material hergestellt. Trotz diesem Einsatz einer anderen größeren Materialstärke sind die Kühlerkästen weiterhin in der mit Bezug auf die 3 und 4 beschriebene Art und Weise miteinander verbunden. Es kann nun wünschenswert sein, die Enden der Kühlerkästen 500, 600 mit getrennten Abschlußkappen statt mit einer einzigen Abschlußkappe zu verschließen.
7 zeigt auch, daß die Querschnittsgestalt der Kühlerkästen nicht kritisch ist. Jeder Kühlerkasten muß wahrscheinlich einen geraden Längsrand aufweisen, um die Bildung einer Naht entlang des Steges 28 in der beschriebenen Weise zu ermöglichen.
Schließlich zeigt 8 eine Wärmetauschereinheit, in der drei separate Wärmetauscher kombiniert sind, d.h. ein Kühler 700, ein Kondensator 800 für eine Klimaanlage, und ein Zwischenkühler 900. Der Zwischenkühler und der Kühler können aus vergleichsweise dünnem Blech geformt werden und sind deshalb mit eingeprägten Versteifungsrippen und – Ausbuchtungen versehen. Der Kondensator 800 ist aus stärkerem Material hergestellt und hat im Querschnitt gesehen gerundete Wände, so daß er keine Einprägungen zur Versteifung erfordert.
Der für die erfindungsgemäßen Kühlerkästen verwendete Werkstoff ist vorzugsweise eine Aluminiumlegierung mit einem geeigneten Hartlötmittelüberzug. Dieselbe beschichtete Legierung kann für alle Teile des Wärmetauschers verwendet werden, d.h. nicht nur für den Tank und ggf. Abschlußkappen, sondern auch für die Kühlerröhrchen und die Wärmetauscherrippen.
Wenn im Innern des Kühlerkastens Prallbleche erforderlich sind, können diese an den Innenwänden des Kühlerkastens angebracht werden, bevor der Kasten in seine Röhrenform gefaltet wird, und können im Verlauf des abschließenden Lötvorganges im Kühlerkasten festgelötet werden.
Die Kühlerkästen sind mit Einlaß- und Auslaßstutzen versehen, wie sie bei 502 (7) dargestellt sind. Beim ursprünglichen Preßvorgang des Blechrohlings kann an dem Rohling ein hochstehender Bund angeformt werden, und ein vorgeformter Stutzen 502 kann dann in diesen Bund eingelötet werden.
Durch die Herstellung des Kühlerkastens aus demselben Blech, wie es in einer herkömmlichen Kühlerkopfplatte verwendet wird, können mehrere Verarbeitungsschritte eingespart werden. Die Technologie und Ausrüstung für das Pressen, Abkanten und Löten des Kühlerkastens sind in Kühlerfabriken vorhanden, und der abschließende Lötvorgang kann zusammen mit dem Verlöten der Rippen und des Kühlerkerns stattfinden.
Die Erfindung vereinfacht auch die erwünschte Herstellung von "Ganz-Aluminium-Kühlern" für Kraftfahrzeuge.

Claims

Kühlerkasteneinheit für eine Wärmetauschereinheit mit wenigstens zwei Wärmetauschern, welche Kühlerkasteneinheit wenigstens einen ersten (30) und einen zweiten (32) Kühlerkasten aufweist, wobei jeder Kühlerkasten einen röhrenförmigen Körper mit einer Vielzahl von Öffnungen (36) für Kühlerröhrchen darin aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder röhrenförmige Körper aus einem einzelnen länglichen Materialblech geformt ist, welches so abgekantet wird, daß die Längsränder des Bleches in zwei parallelen, einander berührenden Ebenen liegen, wobei ein Endteil eines der Ränder eine Reihe von im Abstand von einander geformten Lappen (124) hat, wobei der erste (30) und der zweite (32) Kühlerkasten so zueinander ausgerichtet sind, daß die Lappen (124) des ersten Kühlerkastens (30) und die Lappen (224) des zweiten Kühlerkastens (32) abwechselnd aufeinander folgen, und die Lappen (124) des ersten Kühlerkastens (30) um die Ränder (222, 225) des zweiten Kühlerkastens (32) geschlagen werden, und umgekehrt, und daß so eine Falznaht (28) gebildet wird, welche die Kühlerkästen zu besagter Einheit miteinander verbindet.
Kühlerkasteneinheit nach Anspruch 1, worin das Material Metall ist.
Kühlerkasteneinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Material eine Aluminiumlegierung mit einer Beschichtung von Hartlötflußmittel ist.
Kühlerkasteneinheit nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin die Falznaht (28) gelötet wird, um die Kühlerkästen dicht abzuschließen.
Kühlerkasteneinheit nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin Teile (34) des Bleches aus der Ebene des Bleches heraus verformt sind, um dem abgekanteten Blech Steifigkeit zu verleihen.
Kühlerkasteneinheit nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin die Falznaht (28) mit drei sich überlagernden Lagen von Materialblech gebildet wird.
Kühlerkasteneinheit nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin die Falznaht mechanisch gequetscht wird.
Kühlerkasteneinheit nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin die Kühlerkästen Abschlußkappen (38) haben.
Wärmetauschereinheit mit wenigstens zwei Wärmetauschern, worin jeder Wärmetauscher einen Kühlerkasten aufweist, welche Kühlerkästen eine Kühlerkasteneinheit bilden, welche Kühlerkasteneinheit einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche entspricht.
Wärmetauschereinheit nach Anspruch 9, worin einer der Wärmetauscher ein Kühler für ein Kraftfahrzeug ist.
Wärmetauschereinheit nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, worin einer der Wärmetauscher ein Kondensator für eine Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug ist.
Wärmetauschereinheit nach einem beliebigen der Ansprüche 9 bis 11, worin einer der Wärmetauscher ein Zwischenkühler für ein Kraftfahrzeug ist.