DE69503570T2

DE69503570T2 - Wärmetauscher zur Behandlung eines Fluidums

Info

Publication number: DE69503570T2
Application number: DE1995603570
Authority: DE
Inventors: Gilles Caumel
Original assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Current assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Priority date: 1994-05-30
Filing date: 1995-05-26
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2015-05-27
Also published as: FR2720489A1; EP0685699B1; EP0685699A1; DE69503570D1; FR2720489B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Behandlung eines Fluids, insbesondere zur Kühlung eines Hochtemperatur-Luftstroms aus dem Turbolader eines Nutzfahrzeugs.
Es sind bereits Wärmetauscher bekannt, die zwei Fluidkästen, eine Vielzahl von paarweise angeordneten Einsatzstäben sowie eine Vielzahl von Platten umfassen, die paarweise angeordnet sind, um die Stabpaare einzufassen und im Zusammenwirken mit ihnen Kammern zu bilden, in denen ein Fluid umlaufen kann.
Ein derartiger Wärmetauscher ist insbesondere aus dem französischen Patent FR-A-2 479 438 bekannt, in dem er Paare von Längs- und Querstäben umfaßt, wobei jedes Paar von Längsstäben an seinen Enden durch zwei Paare von Querstäben eingefaßt wird, die senkrecht zu diesen angeordnet sind.
Bei dieser bekannten Wärmetauscherart wirken die Längsstäbe mit den Platten zusammen, um Fluidumlaufkammern zu bilden, während die Querstäbe als Einsätze zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kammern und gleichzeitig als Durchlässe für den Fluidumlauf zwischen den Fluidkästen und der Kammer, die sie einfassen, dienen.
Der Hauptnachteil eines derartigen Wärmetauschers besteht in der Komplexität des Zusammenbaus der verschiedenen Bestandteile, aus denen er besteht.
Um diese Aneinanderschichtung von Platten und Stäben zu versteifen, muß jeder Längsstab an seitlichen Metallrahmen verschraubt werden. Anschließend werden die Elemente aneinander verlötet, woraufhin jeder Querstab an den Fluidkästen verschraubt wird.
Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil abzustellen.
Dazu schlägt sie einen Wärmetauscher der vorgenannten Art vor, bei dem erfindungsgemäß jeder Fluidkasten eine Sammelplatte mit Öffnungen, die Endteile der Stabpaare aufnehmen können, und Öffnungen umfaßt, die den freien Umlauf des Fluids zwischen den Kammern und den Fluidkästen ermöglichen, wobei die Enden der Plattenpaare umgebogen und an den Sammelplatten so befestigt sind, daß die Enden von zwei gegenüberliegenden Platten, die jeweils zu einer von zwei aufeinanderfolgenden Kammern gehören, zueinander gerichtet sind, so daß Kanäle gebildet werden, in denen ein zu behandelnder Luftstrom zirkulieren kann.
Der so gebildete Wärmetauscher erfordert nicht mehr die Verwendung von Querstäben, die vorteilhafterweise durch die in die Sammelplatten eingearbeiteten Öffnungen ersetzt werden. Der vollwandige Zwischenraum zwischen zwei Öffnungen dient dabei als Trenneinsatz zwischen zwei Kammern, wodurch unmittelbar Luftumlaufkanäle geschaffen werden.
Diese Kanäle werden im übrigen durch die entgegengesetzte Positionierung der Enden der Platten, die zu zwei aufeinanderfolgenden Kammern gehören, versteift.
Die umgebogenen Enden der Plattenpaare sind vorteilhafterweise zueinander gerichtet.
Die Länge der Öffnungen ist deutlich kleiner als die Breite einer Sammelplatte. Demzufolge könnten die in etwa linearen Stäbe nicht in derartigen Öffnungen aufgenommen werden, da sie sich nicht diesen gegenüber befinden würden. Deshalb umfaßt nach einem anderen Merkmal der Erfindung jeder Stab einen in etwa linearen Mittelteil, der sich parallel zur Längskante der Platten erstreckt und der auf beiden Seiten durch einen abgewinkelten Teil verlängert wird, um die Einfügung des besagten Stabs in eine Öffnung zu ermöglichen, wobei jeder abgewinkelte Teil durch einen Endteil verlängert wird, der in einem Fluidkasten aufgenommen ist.
In einer ersten Ausführungsform ist jedes Stabpaar in eine gleiche Öffnung eingefügt, die als Aufnahme für Stäbe und gleichzeitig als Durchlaß für den Fluidumlauf dient.
In dieser Ausführungsform sind die Endteile der Stabpaare eingebogen, wobei sie einen Kreisbogen bilden, so daß diese Endteile in Kontakt stehen, um die besagten Stäbe an den Enden der Öffnung, in der sie aufgenommen sind, zu sichern.
Jeder Stab des so gebildeten Paars ist quer in der Öffnung gesichert, da sich die Endteile des Stabpaars spannungsbedingt gegenseitig zurückstoßen.
In einer zweiten Ausführungsform ist jeder Stab eines Stabpaars in eine als Aufnahme ausgebildete Öffnung mit dem gleichen Querschnitt wie der besagte Stab eingefügt. Jede Aufnahme ist in etwa symmetrisch beiderseits einer mittleren Öffnung angeordnet, die einen Durchlaß für den Fluidumlauf bildet.
In dieser Ausführungsform ist jeder Stab unabhängig gesichert.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfassen die Sammelplatten Befestigungsansätze, um die umgebogenen Enden zu halten, die zu einer ersten bzw. einer letzten Kammer gehören.
Diese Befestigungsansätze ermöglichen daher den Zusammenbau und die Aneinanderschichtung der aufeinanderfolgenden Kammern vor dem Einsetzen des Wärmetauschers in einen Lötofen.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfassen die Kanäle erste Einsätze, die Rippen bilden, um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern.
Die Kanäle, die vorteilhafterweise durch Platten gebildet werden, deren Enden entgegengesetzt angeordnet sind, bewirken einen effizienten Schutz für diese anfälligen Rippen, inbesondere während der Zusammenbauphase.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Außenflächen einer ersten und einer letzten Platte zweite Einsätze aufnehmen, die Rippen bilden.
Die Erfindung sieht vorteilhafterweise vor, daß diese zweiten Einsätze eine Höhe haben, die in etwa doppelt so groß wie die der ersten Einsätze ist, wodurch die Wärmeaustauschfläche beträchtlich vergrößert wird.
Nach einer letzten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Wärmetauscher mindestens eine Abschlußscheibe, die einen zweiten Einsatz schützen kann und fest mit den beiden Fluidksten verbunden ist.
In der nachstehenden, nur als Beispiel angeführten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigen im einzelnen:
- Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
- Figur 2 eine auseinandergezogene perspektivische und mit partiellem Ausbruch ausgeführte Ansicht des Wärmetauschers nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
- Figur 3 eine auseinandergezogene perspektivische und mit partiellem Ausbruch ausgeführte Ansicht des Wärmetauschers nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Wärmetauschers in der Ausführung mit Stäben und Platten, der Stabpaare umfaßt, die durch zwei Platten 2a und 2b eingefaßt sind. Die Platte 2a ist die sogenannte untere Platte, während die Platte 2b die sogenannte obere Platte ist. Jeder Stab 1 definiert eine Ebene, wobei die Ebene 1 dem ersten Stab und die Ebene n dem letzten Stab entspricht.
Wie dies in Figur 2 schematisch dargestellt ist, entsprechen jeder Ebene 1 zwei Stäbe 1a und 1b, die ein Stabpaar bilden. Jedes Paar bildet dabei im Zusammenwirken mit dem Plattenpaar 2a und 2b, durch das es eingefaßt ist, eine Kammer 3, in der ein Kühlmittel zirkulieren kann, das aus einem Fluidkasten 4 kommt.
Bei diesem Kühlmittel kann es sich zum Beispiel um das Kühlwasser des Ladermotors eines Nutzfahrzeugs handeln.
Jede Platte 2 enthält einen Endteil 5, der so gekrümmt ist, daß er mit dem Hauptteil der Platte einen rechten Winkel bildet. Jede untere Platte 2a besitzt somit einen nach unten gekrümmten Endteil 5a, während jede obere Platte 2b einen nach oben gekrümmten Endteil 5b besitzt.
Die Endteile 5b bzw. 5a der einander gegenüberliegenden Platten 2b und 2a, die zu zwei aufeinanderfolgenden Kammern gehören, sind daher entgegengesetzt angeordnet und liegen aufeinander auf.
Durch diese Anordnung wird es vorteilhafterweise möglich, zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kammern 3 einen freien Zwischenraum auszuführen, der einen Kanal 6 bildet, in dem das zu behandelnde Fluid umlaufen kann.
Dieses Fluid ist beispielsweise ein Luftstrom, der aus dem Turbolader eines Nutzfahrzeugs stammt. Seine Temperatur kann deutlich über 100ºC liegen, woraus sich die Notwendigkeit einer effizienten Kühlung ergibt, wie sie durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher herbeigeführt wird. Um die Wärmeaustauschfläche zwischen dem zu behandelnden Luftstrom 15 und dem Kühlmittel zu vergrößern, werden im Innern der Kanäle 6 erste Einsätze 7 eingefügt, die Kühlrippen bilden.
Die beiden Endteile 5 der Platten stehen weitgehend mit einer Sammelplatte 8 in Berührung, die als Deckel für einen Fluidkasten 4 dient.
Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, enthält jede Sammelplatte 8 Öffnungen 9, die in etwa parallelepipedförmig ausgegebildet und parallel zueinander angeordnet sind.
Jede dieser Öffnungen 9 kann eine Aufnahme zum Einsetzen der Enden C eines Stabpaars und/oder einen Durchlaß bilden, um den freien Umlauf des Kühlmittels zwischen einer Kammer 3 und einem Fluidkasten 4 zu ermöglichen, dem gegenüber sie sich befindet.
Dazu erstrecken sich die Öffnungen 9 parallel zu einer der Seiten der Sammelplatte 8, die parallel zur Ebene der Kammern 3 verläuft.
Aus naheliegenden Gründen kann die Länge einer Öffnung 9 nur kleiner als der Abstand zwischen zwei Stäben 1a und 1b ein und desselben Paars sein.
Demzufolge umfaßt jeder Stab einen in etwa linearen Mittelteil A, der sich parallel zur Längskante der Platten 2 erstreckt und auf beiden Seiten durch einen abgewinkelten Teil B verlängert wird, der selbst wiederum durch einen Endteil C verlängert wird.
Jeder Stab kann daher anhand seines abgewinkelten Teils B in eine Öffnung 9 eingefügt werden, wobei der Endteil C dann im Fluidkasten 4 aufgenommen wird.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung (Figur 2) wird eine Öffnung 9a einer Kammer 3 zugeordnet.
Die Anzahl der Öffnungen 9a entspricht daher der Anzahl der Ebenen.
Jede Öffnung 9a kann die Enden C eines Stabpaars aufnehmen und gleichzeitig den freien Umlauf des Kühlmittels ermöglichen.
Demzufolge ist die Höhe der Öffnung 9a (bezogen auf den kleineren Wert) in etwa gleich dem Abstand zwischen zwei Platten 2a und 2b ein und derselben Kammer 3, während ihre Länge (bezogen auf den größeren Wert) in etwa gleich dem Abstand zwischen den Außenkanten der abgewinkelten Teile C eines Stabpaars ist.
In dieser ersten Ausführungsform ist jeder Endteil C ein und desselben Stabpaars eingebogen, wobei er einen Kreisbogen bildet, der zur Mitte der Öffnung 9a gerichtet ist. Der Krümmungsradius der Endteile C wird so gewählt, daß die beiden Endteile C ein und desselben Stabpaars in einem Endteil 13 in Berührung kommen und sich gegenseitig zurückstoßen. Unter diesen Bedingungen ist jeder Stab 1 spannungsbedingt an den Enden der Öfnung 9a gesichert, in die er eingefügt ist.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung (Figur 3) werden einer Kammer 3 drei Öffnungen 9b und 9c zugeordnet, die nach ihrer jeweiligen Nutzung in zwei Kategorien gruppiert werden.
Es gibt daher dreimal so viele Öffnungen wie Ebenen.
Eine erste Kategorie von Öffnungen 9b bildet einen Durchlaß, um den freien Umlauf des Fluids zwischen dem Fluidkasten 4 und der Kammer 3 zu ermöglichen, dem er gegenüberliegt. Die Länge dieser Öffnungen 9b ist deutlich kleiner als der Zwischenraum zwischen den Innenkanten der beiden abgewinkelten Teile C eines Stabpaars, während ihre Höhe (bezogen auf den kleineren Wert) in etwa gleich dem Zwishenraum zwischen zwei Platten 2a und 2b ein und derselben Kammer 3 ist.
Eine zweite Kategorie von Öffnungen 9c, die eine Aufnahme bilden, kann einen, und zwar nur einen Stab 1 aufnehmen. Ihr Querschnitt ist daher (bezogen auf den größeren Wert) mit dem Querschnitt des Stabs 1 identisch.
Jede Öffnung 9c, die eine Aufnahme für einen Stab bildet, ist in etwa symmetrisch beiderseits der Öffnung 9b, die einen Durchlaß bildet, angeordnet.
Jeder Stab 1 eines Paars ist daher unabhängig in einer Öffnung 9c gesichert.
Demzufolge sind in dieser Ausführungsform die Endteile C der Stäbe 1 linear ausgeführt, wobei sie eine einfache Verlängerung der abgewinkelten Teile B bilden.
Die Aneinanderschichtung der Kammern vor dem Löten erfolgt mittels der Befestigung von zwei Befestigungsansätzen 10a und 10b unterhalb der für den Endteil 5a der ersten Platte 2a vorgesehenen Anbringungsstelle bzw. oberhalb der für den Endteil 5b der letzten Platte 2b vorgesehenen Anbringungsstelle.
Dadurch werden die Endteile 5a und 5b der ersten und letzten Platte eng an den Sammelplatten 8 gehalten.
Um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern, werden außerdem unter der ersten Platte 5a und auf der letzten Platte 5b zweite Einsätze 11 befestigt, die Rippen bilden.
Um die oberen und unteren zweiten Einsätze 11 besser zu schützen, kann es sich darüber hinaus unter bestimmten Bauraumbedingungen als sinnvoll erweisen, unterhalb des unteren Einsatzes 11 und oberhalb des oberen Einsatzes 11 eine als "Abschlußscheibe" bezeichnete Platte 12 anzubringen. Diese Abschlußscheiben 12 werden direkt an den Fluidkästen 4 befestigt. Diese Abschlußscheiben können außerdem längliche Aussparungen enthalten, um die Befestigung des Wärmetauschers zu ermöglichen.
Danach erfolgt das Löten des Wärmetauschers, wie beschrieben, entweder im Salzbad oder im Ofen. Dazu wird vorzugsweise das Lötverfahren angewendet, das im französischen Patent FR-A-2 071 016 beschrieben wird.
Die Erfindung ist nicht auf die schematisch dargestellten und in der vorliegenden Beschreibung detailliert beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es können unterschiedliche Änderungen daran vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen.
So kann insbesondere die Form der Endteile der Stäbe geändert werden, um den Umlauf des Fluids zu erleichtern.

Claims

1. Wärmetauscher, umfassend zwei Fluidkästen (4), eine Vielzahl von paarweise angeordneten Einsatzstäben (1a, 1b) sowie eine Vielzahl von Platten (2a, 2b), die paarweise angeordnet sind, um die Stabpaare (1a, 1b) einzufassen und im Zusammenwirken mit ihnen Kammern (3) zu bilden, in denen ein Fluid umlaufen kann, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fluidkasten (4) eine Sammelplatte (8) mit Öffnungen (9a; 9c), die Endteile (C) der Stabpaare (1a, 1b) aufnehmen können, und Öffnungen (9a; 9b) umfaßt, die den freien Umlauf des Fluids zwischen den Kammern (3) und den Fluidkästen (4) ermöglichen, und daß die Enden (5) der Plattenpaare (2a, 2b) umgebogen und an den Sammelplatten (8) so befestigt sind, daß die Enden (5b und 5a) von zwei gegenüberliegenden Platten (2b und 2a), die jeweils zu einer von zwei aufeinanderfolgenden Kammern (3) gehören, zueinander gerichtet sind, so daß Kanäle (6) gebildet werden, in denen ein zu behandelnder Luftstrom zirkulieren kann.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umgebogenen Enden (5a, 5b) der Plattenpaare zueinander gerichtet sind.

3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stab (1) einen in etwa linearen Mittelteil (A) umfaßt, der sich parallel zur Längskante der Platten (2) erstreckt und auf beiden Seiten durch einen abgewinkelten Teil (B) verlängert wird, um die Einfügung des besagten Stabs (1) in einer der Öffnungen (9) zu ermöglichen, wobei jeder abgewinkelte Teil (B) durch einen Endteil (C) verlängert wird, der in einem der Fluidkästen (4) aufgenommen ist.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stabpaar (1a, 1b) in der gleichen Öffnung (9a) eingefügt ist, die als Aufnahme für einen Stab und gleichzeitig als Durchlaß für den Fluidumlauf dient.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile (C) der Stabpaare (1a, 1b) eingebogen sind, wobei sie einen Kreisbogen bilden, so daß diese Endteile (C) in Berührung stehen, um die besagten Stäbe (1a und 1b) an den Enden der Öffnung (9a), in die sie eingefügt sind, zu sichern.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stab (1) eines Stabpaars in eine Öffnung (9c) mit dem gleichen Querschnitt wie der besagte Stab (1) eingfügt ist, die eine Aufnahme für den besagten Stab bildet, wobei jede Aufnahme in etwa symmetrisch beiderseits einer mittleren Öffnung (9b) positioniert ist, die einen Durchlaß für den Fluidumlauf bildet.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile (C) der Stabpaare in etwa linear sind.

8. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelplatten (8) Befestigungsansätze (10a, 10b) umfassen, um die umgebogenen Enden (5a, 5b) zu halten, die zu einer ersten bzw. zu einer letzten Kammer (3) gehören.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (6) erste Einsätze (7) umfassen, die Rippen bilden, um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen einer der ersten (2a) und einer der letzten (2b) Platten zweite Einsätze (11) aufnehmen können, die Rippen bilden.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichne t, daß er mindestens eine Abschlußscheibe (12) umfaßt, die einen der zweiten Einsätze (11) schützen kann und fest mit den beiden Fluidkästen (4) verbunden ist.