DE69311652T2 - Wärmetauscher - Google Patents

Wärmetauscher

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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23P15/00Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02Header boxes; End plates
    • F28F9/0243Header boxes having a circular cross-section
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verteilerteil- und Behältervorrichtungen zur Verwendung in einem Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Heutige Wärmetauscher-Bauarten weisen häufig zwei zueinander beabstandete Verteilerteil- und Behältervorrichtungen (sog. Wasserkästen) auf. Diese Verteilerteil- und Behältervorrichtungen sind durch im wesentlichen parallel verlaufende, endseitig offene Röhren verbunden, die mit dem Inneren jeder dieser Vorrichtungen in Strömungsverbindung stehen. Quer zu diesen Röhren erstrecken sich zwischen den Verteilerteil- und Behältervorrichtungen oft mehrere flache oder schlangenförmig verlaufende Rippen. Typischerweise werden solche Wärmetauscher z.B. in Fahrzeugkühlern und Kondensatoren, aber auch in zahlreichen anderen Anwendungen eingesetzt.
  • Die Montage von Wärmetauschern durch Einführen endseitig offener Röhren in die Öffnungen gegenüberliegender Verteilerteile der Verteilerteil- und Behältervorrichtungen hat sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen. Diese Röhren sind häufig aus relativ weichen Werkstoffen hergestellt und können daher beim Einführen in die Verteilerteile leicht beschädigt werden, insbesondere bei der Fertigung unter Großserienbedingungen. Derartige Schäden können u.a. Verformungen der Rohrwandungen oder Rohrenden umfassen, wodurch der Flüssigkeitsstrom durch die Röhre behindert wird.
  • Schwierig ist nicht nur die Montage der Verteilerteil- und Behältervorrichtung, sondern auch die präzise Positionierung der röhrenförmigen Elemente sowie die Aufrechterhaltung des richtigen Abstandes zwischen diesen Elementen.
  • JP-A-2309196, die als der Erfindung naheliegendster Stand der Technik gilt, beschreibt einen Aufbau für einen Wärmetauscher, der ein geschlitztes Element sowie einen Rohraufbau mit in diese Schlitze hineinreichenden Teilen umfaßt. Der Rohraufbau weist mehrere in Längsrichtung zueinander beabstandete, langgestreckte Schlitze zur Aufnahme von Röhrenkörpern, mehrere zwischen jeweils einem Schlitzpaar angeordnete Mittelteile sowie in die Schlitze hineinragende Wandteile auf. Die Mittelteile verfügen über einen Scheitelteil sowie in Umfangsrichtung verlaufende Seitenteile, die in Längsrichtung des Aufbaus im wesentlichen flach sind und sich jeweils ausgehend von einem Scheitelteil in Querrichtung erstrecken.
  • US-A-5052480 beschreibt ein Verteilerrohr für einen Wärmetauscher mit einer Röhrenkörper-Aufnahmefläche sowie einer Grundfläche, wobei diese Röhrenkörper- Aufnahmefläche mehrere in Längsrichtung zueinander beabstandete, langgestreckte Schlitze zur Aufnahme von Röhrenkörpern des Wärmetauschers sowie zwischen einem Schlitzpaar jeweils einen Mittelteil aufweist und diese Mittelteile mit einem im wesentlichen flachen Umfangsteil ausgestattet sind.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eines oder mehrere der vorgenannten Probleme zu überwinden.
  • Erfindungsgemäß vorgesehen ist nach einem ersten Aspekt der Erfindung eine röhrenförmige Verteilerteil- und Behältervorrichtung zur Verwendung in einem Wärmetauscher, ausgestattet mit einer Röhrenkörper- Aufnahmefläche sowie einer Grundfläche, wobei die Röhrenkörper-Aufnahmefläche mehrere in Längsrichtung zueinander beabstandete, langgestreckte Schlitze zur Aufnahme von Röhrenkörpern sowie jeweils zwischen einem Paar dieser Schlitze angeordnete Mittelteile aufweist und diese Mittelteile jeweils über einen Scheitelteil sowie ein Paar in der Umfangsrichtung verlaufende Seitenteile verfügen, die in der sich quer von jedem Scheitelteil erstreckenden Längsrichtung der Vorrichtung im wesentlichen flach geformt sind, sowie ferner ausgestattet mit einem Paar Führungsflächen, die das Einführen von Röhrenkörpern in die genannten Schlitze erleichtern und in Längsrichtung von den Mittelteilen in Richtung auf den jeweils angrenzenden Schlitz verlaufen, dadurch gekennzeichnet,daß der Scheitelteil im wesentlichen ebenflächig ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Blockteil mit röhrenförmigen Elementen, zwischen denen Abstandshalter angeordnet sind, in langgestreckte und zueinander beabstandete Aufnahmeschlitze in den separaten Verteilerteilflächen der Verteilerteil- und Behälterflächen eingeführt.
  • Die Schlitze eines Verteilerteils der Vorrichtung werden dabei gegenüber entsprechenden Schlitzen der anderen Verteilerteilfläche fluchtend ausgerichtet, wobei sich die röhrenförmigen Elemente durch diese fluchtenden Schlitze der einzelnen Verteilerteile zwischen den Verteilerteil- und Behältervorrichtungen erstrecken.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht diese ein Verfahren zur Herstellung eines röhrenförmigen Verteilerteils zur Verwendung in einem Wärmetauscher vor, wobei dieses Verfahren folgende Schritte umfasst:
  • a) Bereitstellung eines im wesentlichen röhrenförmigen Materials, das zur Verwendung in einem Wärmetauscher geeignet ist;
  • b) Aufsetzen eines Stanzwerkzeugs auf eine Innenfläche des im wesentlichen röhrenförmigen Materials;
  • c) Ausstanzen langgestreckter Schlitze in das röhrenförmige Material unter Einsatz eines Stanzwerkzeuges, das nicht nur die Schlitze ausstanzt, sondern auch die zwischen diesen Schlitzen liegenden Mittelteile mit im wesentlichen ebenflächigen Scheitelteilen formt;
  • d) Ausbildung im Umfangsrichtung verlaufender Seitenteile, die in der sich quer von jedem Scheitelteil erstreckenden Längsrichtung der Vorrichtung im wesentlichen flach geformt sind, indem auf die Seitenteile zwischen den langgestreckten Schlitzen ein Druck ausgeübt wird, wobei diese Mittelteile Führungsflächen erhalten, die sich von den Scheitel- und Seitenteilen in Längsrichtung - in dem Verteilerteil einwärts gerichtet - bis zu den jeweils angrenzenden Schlitzen erstrecken.
  • Die Wärmetauscheranordnung kann dabei innerhalb der einzelnen Verteilerteil- und Behältervorrichtungen abgeteilte Bereiche oder Kammern umfassen. Diese Unterteilungen werden durch Unterteilungselemente innerhalb der Verteilerteil- und Behältervorrichtung hergestellt, die die Verteilerteil- und Behältervorrichtung in separate Kammern aufteilen.
  • Die Teile der Verteilerteilflächen, die sich jeweils an einen der langgestreckten Schlitze für die röhrenförmigen Elemente anschließen und dabei im wesentlichen oberhalb dieser Schlitze liegen, weisen Mittelteile mit jeweils einer sehnenförmigen Abflachung auf, die in Querrichtung entlang der Verteilerteilfläche verlaufen. Der ebenflächige Scheitelteil sowie die in Querrichtung verlaufende Seitenteilabflachungen erzeugen im Zusammenwirken mit einer in die Seitenteile integrierten Führungsfläche einen steilen Trichtereffekt zur Einführung der Röhrenkörper in die Schlitze des Verteilerteils. Die langgestreckten Schlitze zwischen den Mittel- und Seitenteilen mit ihren Abflachungen werden durch die Führungsfläche definiert, die sich an jeden der langgestreckten Schlitze anschließt. Das Vorhandensein dieser steilen Einführungsöffnung, die durch die Führungsfläche gebildet wird, ist für den schnellen gleichzeitigen Einbau mehrerer Röhren in die entsprechenden Schlitze der Verteilerteile wichtig. Durch die vorliegende Erfindung werden Beschädigungen der Rohrwandungen und Enden verhindert und/oder weitmöglichst verringert.
  • Die ebenflächigen Scheitelteile sorgen zudem für gleichmäßigere Abmessungen der Übergänge, wobei sich durch die engeren Wandungen eine bessere Verbindung und Fügefestigkeit ergibt.
  • Die erfindungsgemäße Verteilerteil- und Behältervorrichtung kann zudem Erhebungen auf der Grundfläche der Verteilerteil- und Behältervorrichtung aufweisen, wobei diese Erhebungen den ebenflächigen Scheitelteilen der Mittelteile gegenüberliegen. Diese gegenüberliegende Erhebung erleichtert das Erfassen und Halten des Verteilerteils in seiner richtigen Drehund Parallelstellung beim lotrechten Einsetzen der Röhren und Halterungskörper.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird beim Stanzvorgang automatisch eine innenliegende Abflachung hergestellt. Die beim Stanzvorgang verwendete Matrize, die das Metall des Verteilerteils gegen Verformung fixiert, weist hierzu eine Abflachung auf, die dem Stanzstempel einen Widerstand entgegensetzt. Diese innnenliegende Abflachung unterstützt bei schnellen Produktionsabläufen in vorteilhafter Weise die Fixierung der Unterteilungselemente.
  • Bei der hierin beschriebenen Ausführungsform handelt es sich im wesentlichen um eine einstückige Anordnung. Die vorliegende Erfindung umfaßt jedoch auch Ausführungsformen, bei denen die Verteilerteil- und Behältervorrichtung aus separaten Verteiler- und Behälterteilen zusammengesetzt ist.
  • Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei
  • Abb. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der die Oberfläche des Verteilerteils mehrere Rippen mit Abflachungen sowie Schlitze aufweist;
  • Abb. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Ausführungsform aus Abb. 1 darstellt, in der die Oberflächenteile des Verteilerteils deutlicher erkennbar sind;
  • Abb. 3 eine Querschnitts-Vorderansicht der Ausführungsform aus Abb. 1 darstellt;
  • Abb. 4 eine Querschnittsansicht in der Ebene A-A der Abb. 3 zeigt;
  • Abb. 5 einen Teil der Ausführungsform aus Abb. 2 in der Draufsicht zeigt.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Abb. 1 dargestellt. Diese Ausführungsform umfaßt einen Verteilerteil 11, in den sich eine Vielzahl von Röhren 12 einführen läßt, die durch Abstandselemente wie z.B. schlangenförmige Rippen voneinander getrennt sind und auf Wunsch seitliche Abschlußplatten 13 aufweisen können. Die Einführung dieser Röhren 12 erfolgt in Schlitze 16, die in dem Verteiler-Oberflächenteil bzw. der Röhrenkörper- Aufnahmefläche 15 vorgesehen sind.
  • Wie aus den Abbildungen ersichtlich, weist der Verteiler-Oberflächenteil 15 eine Reihe im wesentlichen parallel zueinander verlaufender, langgestreckter Schlitze oder Öffnungen 16 auf, die die offenen Enden der röhrenförmigen Elemente 12 aufnehmen. Die röhrenförmigen Elemente 12 können in den Schlitzen bzw. Öffnungen 16 auf jede geeignete Weise abgedichtet und mit dieser so haftend verbunden werden, daß der erforderliche Zusammenhalt - zumal bei den in der Wärmetauscherbaugruppe herrschenden Druckverhältnissen - gewährleistet ist. Die Erhebungen 22 unterstützen die Fixierung des Verteilerteils beim Einführen der offenen Enden 19 der Röhren 12 in die Schlitze 16 des Verteilerteils 11.
  • Der zwischen den langgestreckten Schlitzen 16 liegende Bereich jeder Verteilerteilfläche 15 umfaßt Mittelteile 20, die im wesentlichen oberhalb dieser langgestreckten Schlitze 16 liegen. Der Scheitel dieser Mittelteile 20 weist jeweils ein im wesentlichen ebenflächiges Teil 17 auf, das hierin als Scheitelabflachung bezeichnet wird und den Erhebungen 22 gegenüberliegt. Von dieser Scheitelabflachung 17 erstreckt sich in beiden Richtungen eine im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Seitenabflachung 18. Ausgehend von jedem Mittelteil 20 erstreckt sich zudem in Längsrichtung des Verteilerteils - und in der Verteilerteil-Oberfläche 15 nach innen gerichtet - eine Führungsfläche 23. Durch das Vorhandensein der Scheitelabflachung 17 sowie der im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Seitenteilabflachung 18 kann die Führungsfläche einen steilen Trichtereffekt ausüben, durch den die Röhren in die Schlitze des Verteilerteils geführt werden. Die langgestreckten Schlitze 16 sind dabei durch die nebeneinanderliegenden Mittelteile 20 sowie die Führungsflächen 23 definiert.
  • Die Abb. 2, 3, 4 und 5 zeigen vergrößerte Ansichten eines Bereichs der Verteilerteil-Oberfläche 15, die den erfindungsgemäßen Schlitzaufbau näher verdeutlicht. Abb. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Bereichs der Verteilerteil-Oberfläche 15 mit den Schlitzen 16, den Scheitelabflachungen 17 sowie den Seitenabflachungen 18. Die Abb. 3, 4 und 5 zeigen die bereits in Abb. 2 dargestellten Merkmale, jedoch in anderen Perspektiven des Schlitzaufbaus des Verteilerteils. Auf der Innenwand des Verteilerteils wird bei dem Stanzvorgang, mit dem die erfindungsgemäße Verteilerteil- und Behälteranordnung hergestellt wird, die der Spitzenabflachung 17 sowie der Seitenteilabflachung 18 entsprechende Abflachung 21 erzeugt.
  • Die erfindungsgemäße Verteilerteil- und Behälteranordnung wird in einem zweistufigen Verfahren gefertigt. Die langgestreckten Schlitze sowie die Mittelteilabflachungen werden durch einen Preß und Stanzvorgang gegen eine im Inneren des Verteilerteils liegende Matrize hergestellt. Bei diesem Schritt werden sowohl die langgestreckten Schlitze als auch die Mittelteile mit ihren Scheitelabflachungen gebildet. Aufgrund der Matrize wird dabei zugleich die der Scheitelabflachung gegenüberliegende Innenabflachung 21 erzeugt. Danach wird im Zuge des Stanzvorgangs eine Abflachung im Inneren des Verteilerteils - zwischen den Schlitzen - hergestellt. Diese Abflachungen in dem zwischen den Schlitzen liegenden Bereich verstärken den Trichtereffekt und optimieren die Herstellbarkeit der Wärmetauscher.

Claims (4)

1. Röhrenförmige Verteilerteil- und Behältervorrichtung zur Verwendung in einem Wärmetauscher, ausgestattet mit einer Röhrenkörper-Aufnahmefläche sowie einer Grundfläche, wobei die Röhrenkörper- Aufnahmefläche mehrere in Längsrichtung zueinander beabstandete, langgestreckte Schlitze (16) zur Aufnahme von Röhrenkörpern sowie jeweils zwischen einem Paar dieser Schlitze (16) angeordnete Mittelteile (20) aufweist und diese Mittelteile (20) jeweils über einen Scheitelteil (17) sowie ein Paar in der Umfangsrichtung verlaufende Seitenteile (18) verfügen, die in der sich quer von jedem Scheitelteil erstreckenden Längsrichtung der Vorrichtung im wesentlichen flach geformt sind, sowie ferner ausgestattet mit einem Paar Führungsflächen (23), die das Einführen von Röhrenkörpern in die genannten Schlitze erleichtern und in Längsrichtung von den Mittelteilen (20) in Richtung auf den jeweils angrenzenden Schlitz verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelteil (17) im wesentlichen ebenflächig ist.
2. Verteilerteil- und Behältervorrichtung gemäß Anspruch 1, jedoch zusätzlich ausgestattet mit mindestens einer Erhebung (22) auf der Grundfläche, wobei diese Erhebung dem im wesentlichen ebenflächigen Scheitelteil (17) gegenüberliegt.
3. Verteilerteil- und Behältervorrichtung gemäß Anspruch 1, jedoch zusätzlich ausgestattet mit einer Abflachung (21) auf einer Innenseite der Wand, die die genannte Röhrenkörper-Aufnahmefläche bildet, wobei diese Abflachung dem im wesentlichen ebenflächigen Scheitelteil (17) entspricht.
4. Verfahren zur Herstellung eines röhrenförmigen Verteilerteils zur Verwendung in einem Wärmetauscher, wobei dieses Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) Bereitstellung eines im wesentlichen röhrenförmigen Materials, das zur Verwendung in einem Wärmetauscher geeignet ist;
b) Aufsetzen eines Stanzwerkzeugs auf eine Innenfläche des im wesentlichen röhrenförmigen Materials;
c) Ausstanzen langgestreckter Schlitze (16) in das röhrenförmige Material unter Einsatz eines Stanzwerkzeuges, das nicht nur die Schlitze ausstanzt, sondern auch die zwischen diesen Schlitzen liegenden Mittelteile mit im wesentlichen ebenflächigen Scheitelteilen formt;
d) Ausbildung im Umfangsrichtung verlaufender Seitenteile (18), die in der sich quer von jedem Scheitelteil (17) erstreckenden Längsrichtung der Vorrichtung im wesentlichen flach geformt sind, indem auf die Seitenteile zwischen den langgestreckten Schlitzen (16) ein Druck ausgeübt wird, wobei diese Mittelteile Führungsflächen erhalten, die sich von den Scheitel- und Seitenteilen in Längsrichtung - in dem Verteilerteil einwärts gerichtet - bis zu den jeweils angrenzenden Schlitzen (16) erstrecken.
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