DE69418159T2

DE69418159T2 - Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE69418159T2
Application number: DE69418159T
Authority: DE
Inventors: Michael Allen Breda; Kathleen Louise Frazier; Kevin Bennett Wise
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-11-21
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: EP0658734A3; DE69418159D1; KR950020256U; EP0658734A2; EP0658734B1; US5413169A; KR200159030Y1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, der die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 besitzt. Ein solcher Wärmetauscher ist beispielsweise von US-A-4 497 038 her bekannt.
In dieser Art von Wärmetauschern ist eine Vielzahl langgezogener Platten miteinander verbunden, etwa durch ein Laminierungsverfahren, um eine Vielzahl von Durchgängen für die Bewegung eines Fluids dadurch festzulegen. Jeder dieser Durchgänge wird von den nach innen gerichteten Oberflächen eines Paares von verbundenen Platten gebildet, die somit ein flaches Rohr bilden. Die inneren Oberflächen der verbundenen Platten legen im allgemeinen einen zentralen Bereich für die Beförderung des Fluids fest. Die Durchgänge sind so miteinander verbunden, daß ein Fluid durch die vielzähligen verbundenen Platten, die den Wärmetauscher bilden, fließen kann. Wie es auch auf dem Fachgebiet bekannt ist, befinden sich wärmeleitende Rippen zwischen den nach außen gewandten Oberflächen der Paare von verbundenen Platten. Wärmetauscher dieser Art sind als Verdampfer für Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen besonders nützlich.
Typisch werden Platten- und Rippenwärmetauscher hergestellt, indem eine Vielzahl von einzelnen Platten aufeinandergestapelt werden, um ein flaches Rohr zu bilden, und sich die Rippenteile zwischen jedem Rohr abwechseln. Dann wird ein Einlaß- und ein Auslaßverteiler zwischen ein Paar von Rohren eingefügt, um die flüssige Verbindung in und aus dem Verdampfer bereitzustellen. Abschlußplatten werden dann an den entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers angebracht, um einen Wärmetauscherkern zu bilden und der Kern wird zur Vervollständigung des Fertigungsverfahren in einem Ofen gelötet.
Es wurden verschiedene Typen von Verteilerentwürfen zur Verwendung in Platten- und Rippenwärmetauschern vorgeschlagen.
Ein solcher Verteilerentwurf wird im US-Patent Nr. 4 967 834 beschrieben, das sich auf einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug bezieht. Der Wärmetauscher umfaßt einen aus röhrenförmigen Bauteilen gebildeten Kern und Behälter an den Enden der röhrenförmigen Bauteile. Zur Einführung eines Kühlmediums und zu dessen Entladung aus dem Wärmetauscher sind Verteiler bereitgestellt, wobei der Entwurf der Verteiler ein Kopfteil umfaßt, das bezüglich eines Körperteils exzentrisch angeordnet ist. Der Entwurf des Verteilers sieht vor, daß der Verteiler innerhalb des vom Wärmetauscher beanspruchten Volumens gehalten wird, um so die zur Aufnahme des Wärmetauschers notwendige Gehäusegröße zu minimieren. Der Verteiler ist bezüglich des Wärmetauschers in einer festgelegten Richtung angebracht.
Das US-Patent Nr. 5 125 453 beschreibt eine Wärmetauscherstruktur für ein Kraftfahrzeug, die eine Vielzahl flacher Rohre einschließt, die parallel zueinander und in Flüssigkeitsverbindung untereinander angeordnet sind, um den Fluß eines Wärmeaustauschfluids dadurch zu ermöglichen. Jedes dieser flachen Rohre umfaßt ein Paar allgemein ebener Platten, die unter Berührung der jeweiligen Stirnseiten verbunden sind, wobei jede Platte einen Endbereich mit einem Napfbauteil mit einer Öffnung darin umfaßt, und worin diese Napfbauteile so gestaltet sind, daß sie unter Bildung eines Behälters verbunden werden, dessen längsseitige Achse im allgemeinen senkrecht zu der längsseitigen Achse dieser Plattenteile steht. Der Behälter erlaubt es dem Fluid, dadurch zu fließen. Der Wärmetauscher besitzt auch eine Vielzahl von Rippenteilen, die abwechselnd zwischen der Vielzahl der flachen Rohre angebracht sind, ein Paar von Endplatten, die an den äußeren dieser flachen Rohre befestigt sind, und ein Paar von Fluidverteilern für den Einlaß und den Auslaß von Wärmetauscherfluid jeweils zu und von diesem Wärmetauscher.
Das US-Patent 4 487 038 beschreibt einen zweiteiligen Verteiler, worin der Verteiler aus einem Paar von halbröhrenförmigen Teilen gebildet ist, die an ihren Stirnseiten miteinander verbunden sind. Jedoch kann eine zweiteilige Verteilervorrichtung häufig undicht sein, wenn die Lötstelle zwischen den zwei Teilen nicht korrekt ausgeführt wurde. Demzufolge wäre es vorteilhaft, einen Verteiler für einen Wärmetauscher bereitzustellen, der die Notwendigkeit eines Lötvorgangs, der auf den Verteiler durchgeführt wird, beseitigt, um ein leckfreies Bauteil sicherzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt nun einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug bereit, der folgendes umfaßt:
Eine Vielzahl flacher Rohre, die parallel zueinander angeordnet sind und untereinander in Flüssigkeitsverbindung stehen, um den Fluß eines Wärmetauscherfluids dadurch zu erlauben, wobei jedes dieser flachen Rohre ein Paar allgemein ebener Platten umfaßt, die an den jeweiligen Stirnseiten miteinander verbunden sind, wobei jede Platte einen Endbereich mit einem Napfbauteil mit einer Öffnung darin umfaßt, und worin diese Napfbauteile so gestaltet sind, daß sie unter Bildung eines Behälters miteinander verbunden werden können, dessen längsseitige Achse allgemein senkrecht zur längsseitigen Achse dieser Plattenteile steht, wobei dieser Behälter den Fluß des Fluids dadurch erlaubt;
eine Vielzahl von Rippenteilen, die abwechselnd zwischen der Vielzahl von flachen Rohren angeordnet sind;
ein Paar von Endplattenteilen, die an den äußeren dieser flachen Rohre befestigt sind;
ein Paar von Fluidverteilern für den Einlaß und den Auslaß von Wärmetauscherfluid jeweils zu und von diesem Wärmetauscher, wobei jeder dieser Verteiler ein Fluidöffnungsende, einen Übergangsbereich, ein geschlossenes Ende und mindestens eine Öffnung besitzt, durch die das Fluid in diesen Behälter fließt;
und worin diese flachen Rohre, diese Rippenbauteile, diese Endplattenteile und dieses Verteilerpaar unter Bildung eines integralen Körpers zusammengelötet sind;
dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile des Behälters und jeder dieser Verteiler so gestaltet sind, damit jeder Verteiler so an diesem Behälter befestigt werden kann, daß der Übergangsbereich des Verteilers allgemein parallel zu einer der zwei zur längsseitigen Achse des Behälters senkrechten Achsen ausgerichtet wird, und
die Verteiler als einheitliche Bauteile gebildet sind.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein Verteiler für einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt wird, worin der Verteiler entlang einer von zwei zu den längsseitigen Achsen des Verdampferbehälters senkrechten Achsen angeordnet werden kann, und der als einheitliches Bauteil gebildet ist, so daß Undichtigkeiten im Verteiler vermieden werden.
Die Erfindung wird nun weiter auf dem Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Abb. 1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers ist, der im Einklang mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebaut ist;
Abb. 2 eine Draufsicht des Wärmetauschers von Abb. 1 ist;
Abb. 3 eine Perspektive eines Verteilers ist, der im Einklang mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebaut ist;
Abb. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 von Abb. 3 ist;
Abb. 5 ein Seitenriß einer im Wärmetauscher von Abb. 1 verwendeten Platte ist, die nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebaut ist;
Abb. 6 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 6-6 von Abb. 5 ist; und
Abb. 7 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 7-7 von Abb. 1 ist.
Nun zeigen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen die Abb. 1 und 2 einen Platten- und Rippenwärmetauscher, der insgesamt durch die Ziffer 10 bezeichnet wird, in der Form eines insbesondere für den Einsatz in einer Klimaanlage für Automobile geeigneten Verdampfers. Der Verdampfer 10 umfaßt einen Stapel geformter, langgezogener Platten 12, die paarweise an ihren Stirnseiten zusammengefügt sind, so daß nebeneinander liegende Paare flache Fluidrohre 14 bilden, die alternierende Durchgänge für den Fluß eines Kühlfluids dadurch bereitstellen. Die Platten können auf irgendeine von einer Vielzahl bekannter Verfahrensweisen zusammengefügt werden, etwa durch Hartlöten oder ein Laminierungsverfahren. Rippen 16 für den Wärmeaustausch sind zwischen flachen Rohren 14 angeordnet, um die Oberfläche für den Wärmeaustausch zu vergrößern, wie es auf dem Fachgebiet gut bekannt ist. Die flachen Rohre und die Rippenteile befinden sich innerhalb der Endplatten 18.
Wie detaillierter nachstehend beschrieben wird, umfaßt eines oder beide Enden jeder Platte 14 einen Napfbereich, der, wenn er zusammengefügt wird, einen Fluidbehälter 20 bildet, um den Fluß von Fluid durch den Verdampfer 10 zu ermöglichen. Wie in Abb. 2 gezeigt ist, besitzt der Behälter 20 eine längsseitige Achse, die durch die Linie A-A wiedergegeben wird. Der Verdampfer 10 umfaßt ferner einen Einlaßverteiler 22 und einen Auslaßverteiler 24, die an einem Ende des Verdampfers in Flüssigkeitsverbindung mit dem Behälter 20 stehen. Der Behälter 20 ist mit den Durchgängen der Rohre 14 direkt verbunden und, wie es anhand der folgenden Beschreibung ersichtlich werden wird, besitzen die Rohre an einem ihrer Enden aufeinander ausgerichtete Öffnungen, die eine Verbindung jeweils zwischen den Einlaß- und Auslaßverteilern 22, 24 des Behälters 20 bereitstellen. Im Wärmetauscher der Abb. 1 und 2 wird das Kühlmittel in den Einlaßverteiler 22 geleitet, und es durchläuft die Vielzahl flacher Rohre 14 auf bekannte Weise. Das Kühlmittel tritt dann durch den Auslaßverteiler 24 zur Vervollständigung des Kühlzyklus aus.
Die Fertigung des Platten- und Rippenverdampfers 10 wird auf eine auf dem Fachgebiet gut bekannte Weise durchgeführt. Die Vielzahl geformter, langgezogener Platten wird allgemein aus einem Aluminiummaterial hergestellt, das mit einer Aluminiumlötlegierung beschichtet ist. Die verschiedenen Bestandteile, die die gesamte Einheit bilden, werden aus Aluminiummaterial hergestellt, dann wie in den Abb. 1 und 2 gezeigt zusammengebaut und durch einen Lötvorgang unter Vakuum geleitet, in dem das Metall unter Bildung einer integrierten Einheit zusammengelötet wird. Als Alternative könnten andere bekannte Verfahren bei der Fertigung des Verdampfers 10 verwendet werden. Die vorliegende Erfindung soll nicht auf ein bestimmtes Fertigungsverfahren beschränkt verstanden werden. Nun umfaßt unter Bezugnahme auf die Abb. 5-7 der Verdampfer 10 der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl allgemein langgezogener Platten 12, die unter Bildung der flachen Rohre 14 aneinander laminiert werden. Jedes der Rohre ist allgemein identisch und umfaßt einen Napfbereich 26, der an einem seiner Enden angeordnet ist. Der Napfbereich kann sich quer entlang der gesamten Breite der Platte erstrecken, oder er kann ansonsten, wie in Abb. 5 gezeigt ist, je nach der Konfiguration der Platte 14 in zwei getrennte Napfbereiche aufgeteilt sein. In der vorliegenden Erfindung umfaßt die Platte 14 einen Fluideinlaßnapf 28 und einen Fluidauslaßnapf 30, die beide eine jeweilige Öffnung 32, 34 besitzen, durch die das Fluid fließen kann. Die in Abb. 5 gezeigte Platte ist in zwei fluidleitende Bereiche aufgeteilt, einen ersten Bereich 42 und einen zweiten Bereich 44, die von einer Rippe 40 getrennt sind, die sich allgemein entlang der gesamten Länge der Platte 12 erstreckt, und die detaillierter im US-Patent Nr. 5,125,453 offenbart ist. Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, umfaßt jede der Verdampferplatten 12 eine Vielzahl hervorstehender Buckel 46, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind. Die hervorstehenden Buckel erzeugen Turbulenzen im Fluid, wenn das Fluid durch die Gesamtheit der flachen Rohre 14 fließt, wodurch die Wärmeaustauscheigenschaften des Verdampfers 10 verbessert werden. Jeder der Napfbereiche 28, 30 kann mit den Napfbereichen angrenzender Rohre 14 unter Bildung des vorstehend beschriebenen Behälters 20 verbunden werden. Die Verbindung der Napfbereiche mit angrenzenden Napfbereichen ist im 453er Patent gut beschrieben.
Wie in den Abb. 6 und 7 gezeigt ist, umfaßt eine der Öffnungen der Napfbereiche, die Öffnung 32 des gezeigten Napfbereichs 28, einen Richtflansch 36, der um den Umfang der Öffnung 32 angebracht ist. Der Richtflansch 36 greift in eine auf dem Verteiler 22 gebildete Öffnung, um den Verteiler in einer korrekten Stellung bezüglich der Stellung zwischen zwei nebeneinander liegenden flachen Rohren 12 zu befestigen. Der Richtflansch verhindert auch die Drehung des Verteilers bezüglich des Behälters während des Montageverfahrens. Sollte sich der Verteiler 22 während des Montageverfahrens aus seiner Stellung drehen, müßte der Verteiler verworfen werden, was eine unnötige Verschwendung darstellen würde. Wenn der Verteiler nicht korrekt ausgerichtet ist, kann Undichtigkeit auftreten, was eine Abnahme der Wirksamkeit des Verdampfers 10 verursachen würde.
Der andere der Napfbereiche, hier der Napfbereich 30, umfaßt auch eine Öffnung 34, um die ein Paar von Auskragungen 38 gebildet ist. Die Auskragungen 38 liefern Spiel des Verteilers bezüglich des Verdampferkerns während der Fertigung.
Nun wird unter Bezugnahme auf die Abb. 3 und 4 der Verteiler 22 detailliert beschrieben. Beide Verteiler 22, 24 werden als einheitliches Bauteil bei einem Extrusionsverfahren gebildet. Die Verteiler können aus jeder Legierung gebildet werden, jedoch bestehen sie bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung. Indem die Verteiler als einheitliches Bauteil gebildet werden, wird der Verteiler aufgrund ungenügenden Lötens einer Vielzahl von Bauteilen keine Undichtigkeit aufweisen, wie es vor der vorliegenden Erfindung der Fall gewesen ist. Der Verteiler 22 umfaßt eine allgemeine kreisförmige Fluidöffnung, die sich durch einen Übergangsbereich 49 zu einem geschlossenen Ende 50 erstreckt. Wie gezeigt, ist das geschlossene Ende 50 allgemein rechteckig, um einen zusammenwirkenden Sitz des Verteilers zwischen benachbarten Flachrohrbauteilen 14 sicherzustellen. Der Verteiler umfaßt mindestens eine Öffnung 52, durch die das Fluid in den Behälter des Verdampfers 10 fließt. Wie hier gezeigt ist, umfaßt der Verteiler 22 ein Paar von Öffnungen.
Zusätzlich kann der Verteiler eine Zunge 54 umfassen, die auf die Rippen drückt und, wie deutlich in Abb. 7 ersichtlich ist, das Rippenbauteil 16 zur Seite drückt, während der Verteiler in den Verdampferkern eingeführt wird. Dank der Krümmung und der Elastizität der Rippenbauteile 16 üben die Rippenbauteile eine Kraft gegen das geschlossene Ende 50 des Verteilers aus, und sie drücken den Verteiler aus seiner korrekten Stellung im Verdampferkern Dies könnte auch zur Undichtigkeit wegen einer ungeeigneten Abdichtung des Verteilers mit dem Verdampfer 10 führen. Das Zungenbauteil 54 hält das Rippenbauteil 16 nach unten und entfernt es vom Verteiler, um einem solchen Zustand vorzubeugen. Das Zungenbauteil 54 verhindert auch, daß das abgeschnittene Ende des Rippenbauteils 16 zwischen dem Verteiler 22 und der Platte 12 eingeklemmt wird. Eine dergestalt eingeklemmte Rippe könnte auch eine Undichtigkeit erzeugen.
Bezieht man sich nun erneut auf die Abb. 1 und 2, stellt die Verwendung eines Verteilers im Einklang mit der vorliegenden Erfindung den Vorteil bereit, daß der Verteiler den Behälter des Verdampfers so berühren kann, daß das Fluidöffnungsende 48 des Verteilers allgemein parallel zu einer der zwei Achsen, die zu den längsseitigen Achsen des Behälter senkrecht stehen, angeordnet werden kann. In den Abb. 1 und 2 ist der Verteiler 22 so angeordnet, daß das Fluidöffnungsende 48 allgemein parallel zur Achse ist, die von der Linie C-C wiedergegeben wird. Der Verteiler 24 ist so angeordnet, daß das Fluidöffnungsende 48 allgemein parallel zur Achse ist, die durch die Linie B-B festgelegt ist. Dies ergibt einen einzigartigen Vorteil hinsichtlich der Unterbringung des Verdampfers für bestimmte Fahrzeugmodelle. Aufgrund des stets kleiner werdenden Motorraumes in den meisten heutigen Fahrzeugen ist es schwierig, die Verbindungen der Fluideinlaß- und Fluidauslaßrohre mit dem Verdampfer unterzubringen, wenn der Verdampfer nur in einer Richtung angeordnet werden kann. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem dadurch, daß beide Fluidverteiler entweder parallel zu der mit C-C bezeichneten Achse oder parallel zu der mit B-B bezeichneten Achse oder in irgendeiner Kombination davon angeordnet werden können, etwa wie in den Abb. 1 und 2 gezeigt ist.

Claims

1. Ein Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, der folgendes umfaßt:

Eine Vielzahl flacher Rohre (14), die parallel zueinander angeordnet sind und untereinander in Flüssigkeitsverbindung stehen, um den Fluß eines Wärmetauscherfluids dadurch zu erlauben, wobei jedes dieser flachen Rohre (14) ein Paar allgemein ebener Platten (12) umfaßt, die an den jeweiligen Stirnseiten miteinander verbunden sind, wobei jede Platte (12) einen Endbereich mit einem Napfbauteil (28, 30) mit einer Öffnung (32, 34) darin umfaßt, und worin diese Napfbauteile so gestaltet sind, daß sie unter Bildung eines Behälters (20) miteinander verbunden werden können, dessen längsseitige Achse allgemein senkrecht zur längsseitigen Achse dieser Platten steht, wobei dieser Behälter (20) den Fluß des Fluids dadurch erlaubt;

eine Vielzahl von Rippenteilen (16), die abwechselnd zwischen der Vielzahl von flachen Rohren (14) angeordnet sind;

ein Paar von Endplattenteilen (18), die an den äußeren dieser flachen Rohre befestigt sind;

ein Paar von Fluidverteilern (22, 24) für den Einlaß und den Auslaß von Wärmetauscherfluid jeweils zu und von diesem Wärmetauscher, wobei jeder dieser Verteiler (22, 24) ein Fluidöffnungsende (48), einen Übergangsbereich (49), ein geschlossenes Ende (50) und mindestens eine Öffnung (52) besitzt, durch die das Fluid in diesen Behälter (20) fließt;

und worin diese flachen Rohre (14), diese Rippenbauteile (16), diese Endplattenteile (18) und dieses Verteilerpaar (22, 24) unter Bildung eines integralen Körpers zusammengelötet sind;

dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile des Behälters (20) und jeder dieser Verteiler (22, 24) so gestaltet sind, damit jeder Verteiler so an diesem Behälter (20) befestigt werden kann, daß der Übergangsbereich (49) des Verteilers allgemein parallel zu einer der zwei zur längsseitigen Achse des Behälters senkrechten Achsen ausgerichtet wird, und

die Verteiler als einheitliche Bauteile gebildet sind.

2. Ein Wärmetauscher nach Anspruch 1, worin all diese Platten (12) identisch sind und jede von ihnen ein Paar von Öffnungen (32, 34), die in diesem Napfbauteil (28, 30) gebildet sind, umfaßt.

3. Ein Wärmetauscher nach Anspruch 2, worin mindestens eine dieser Öffnungen (32, 34) einen Richtflansch (36) umfaßt, der um den Umfang dieser Öffnung angeordnet ist, wobei dieser Richtflansch (36) dahingehend wirkt, daß er diese Verteileröffnung (52) ergreift.

4. Ein Wärmetauscher nach Anspruch 3, worin die andere Öffnung dieses Paares von Öffnungen (32, 34) ein Paar von Auskragungen (38) umfaßt, das um deren äußere Kante verläuft.

5. Ein Wärmetauscher nach Anspruch 3, worin dieser Verteiler (22, 24) ein Öffnungspaar (52) umfaßt, durch das Fluid in diesen Behälter (20) fließt.

6. Ein Wärmetauscher nach Anspruch 1, worin jeder dieser Verteiler (22, 24) ein allgemein kreisförmiges Fluidöffnungsende (48) und ein allgemein rechteckiges, geschlossenes Ende (50) umfaßt.

7. Ein Wärmetauscher nach Anspruch 1, worin dieses geschlossene Ende (50) eines jeden dieser Verteiler (22, 24) ein Zungenbauteil (54) umfaßt, das beim Einfügen · dieses Verteilers zwischen ein Paar flacher Rohre (14) dieses Rippenbauteil (16) berührt.

8. Ein Wärmetauscher nach Anspruch 1, worin diese Verteiler (22, 24) als einheitliches Teil in einem Extrusionsverfahren geformt werden.

9. Ein Wärmetauscher nach Anspruch 8, worin diese Verteiler (22, 24) aus einer Aluminiumlegierung geformt werden.

10. Ein Wärmetauscher nach Anspruch 1, worin jede dieser Platten (12) eine Vielzahl hervorstehender Buckel (46) umfaßt, die in einem bestimmten Muster zur Erzeugung von Turbulenzen im Fluid angeordnet sind, wenn das Fluid durch diese flachen Rohre (14) fließt.