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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen modularen Wärmetauscher,
bei dem jeder der Kernmodule aus einem einheitlichen Block des extrudierten Wärmetauschmaterials
gebildet wird, und insbesondere einen Wärmetauscher, der eine verstärkte Wärmeableitung
bewirkt, und ein Verfahren zur Herstellung des gleichen bei Anwendung
einer vollständig geschweißten Konstruktion.
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Typischerweise nutzen die konventionellen der
Wärmetauscher
für eine
Verwendung in Kraftfahrzeugen Wärmtauschkernelemente,
die eine Reihe von im allgemeinen parallelen rohrförmigen Kanälen umfassen,
die sich dazwischen und befestigt an ihren entgegengesetzten Enden
an Eintritts- und Austrittssammekohren erstrecken. Die rohrförmigen Kanäle sind
mit wärmeleitenden
und -ableitenden Rippen versehen, die entweder eine flache Platten- oder
schlangenförmige
Konstruktion sein können, und
die an die rohrförmigen
Kanäle
gelötet
oder hartgelötet
werden. Die Kanäle
sind wiederum an der Sammelrohren oder an gleichen Fluidspeicherbehältern angelötet oder
hart angelötet.
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Die starren gelöteten oder hartgelöteten Verbindungen
bildeten immer eine übliche
Quelle des Versagens des Wärmetauschers,
und wenn die Wärmetauscher
in Kraftfahrzeuganwendungen eingesetzt werden, erfordern sie im
allgemeinen das Entfernen des gesamten Kühlers für die Reparatur, was zu einer
Ausfallzeit für
die Kraftfahrzeuggerätschaften
führt.
Daher besteht seit langem eine Forderung und ein Wunsch nach sowohl
einem Wärmetauscher mit
einheitlichen Kemelementen als auch nach einem, bei dem die hartgelöteten oder
gelöteten
Verbindungen minimiert und vorzugsweise vollständig eliminiert werden können.
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Das U.S.Patent Nr. 5303770 offenbart
einen modularen Wärmetauscher,
der einheitliche mit Rippen versehene rohrförmige Kernelemente umfaßt, die
zu einem Mehrmodulwärmetauscher
zusammengebaut werden können,
der Strömungsverteilungssammekohre
oder Endbehälter
ohne hartgelötete, gelötete oder
geschweißte
Verbindungen jeglicher Art umfaßt.
Der Wärmetauscher
ist bei einer Ausführung
vollständig
demontierbar, jedoch sind mechanische Verbindungsteile und eine
wesentliche Anzahl von Runddichtringen für die Montage erforderlich. Bei
einer weiteren Ausführung
können
geschweißte oder
hartgelötete
Verbindungen genutzt werden, um Einheiten zu liefern, die teilweise
demontierbar sind. Diese Einheiten sind jedoch potentiell den Problemen
der unangemessenen Verbindungsfesigkeit und der umweltmäßig weniger
wünschenswerten
Materialien des bisherigen Standes der Technik ausgesetzt.
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Das U.S.Patent Nr. 5383517 offenbart
einen modularen Wärmetauscher
mit einheitlichen mit Rippen versehenen rohrförmigen Kernelementen, die ohne
irgendwelche hartgelöteten,
gelöteten
oder geschweißten
Verbindungen oder mechanische Verbindungsteile zusammengebaut werden
können.
Die Module werden aus extrudierten Aluminiumblöcken geformt, in die Wärmetauschrippen
hineingeschnitten oder kaltgeformt werden. Strömungssammeldurchgänge sind
in die Enden der Module gebohrt. Die Module werden mit einem hochfesten
klebenden Dichtungsmittel zusammengebaut, das gleichzeitig die Module
miteinander sichert und die Umfänge
der Bohrungsdurchgänge
an den Modulgrenzflächen
abdichtet: Es wurde jedoch während
bestimmter Anwendungen ermittelt; daß eine erhöhte Wärmeableitung durch die Wärmetauschrippen
erforderlich ist.
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Es ist ein Ziel und ein charakteristisches Merkmal
der vorliegenden Erfindung, einen modularen Wärmetauscher mit der Fähigkeit
einer verstärkten
Wärmeableitung
zur Verfügung
zu stellen.
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Es ist ein weiteres Ziel und charakteristisches
Merkmal der vorliegenden Erfindung, einen modularen Wärmetauscher
zur Verfügung
zu stellen, bei dem die Module aus extrudierten Aluminiumblöcken geformt
werden können,
in die Wärmetauschrippen
eingeschnitten sind.
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Es ist ein spezielles Ziel der vorliegenden
Erfindung, einen derartigen Wärmetauscher
zur Verfügung
zu stellen, der vollständig
Aluminiumbauteile und eine vollständig geschweißte Konstruktion
nutzt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung wird ein modularer Wärmetauscher mittels der folgenden
Schritte hergestellt: (1) Extrudieren eines Rohres mit rechteckigem
Querschnitt, das eine Durchgangsbohrung in Längsrichtung und gegenüberliegende
Flächen
aufweist, die parallele Längsnuten
aufweisen; (2) Schneiden von parallelen Schlitzen in den gegenüberliegenden
Flächen,
wobei die Schlitze quer zu den Längsnuten
liegen und sich in diese hinein erstrecken, um ein Muster aus dünnen, gezahnten
Rippen zwischen den gegenüberliegenden
nicht mit Schlitzen versehenen genuteten Flächenabschnitten zu bilden;
und (3) Zusammenschweißen
von zwei der Rohre in einer Fläche-an-Fläche-Beziehung,
wobei die Schweißnähte den
anstoßenden
genuteten Flächenabschnitt
ausfüllen
Das Verfahren umfaßt
vorzugsweise ebenfalls den Schritt des Schweißens eines Behälters an
die verbundenen Rohre, um die Durchgangsbohrungen an den Enden der
Rohre einzuschließen.
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Vorzugsweise weisen die Längsnuten,
die beim Schritt des Extrudierens gebildet werden, V-förmige Querschnitte auf. Der
Schritt des Schneidens weist das Schneiden der Schlitze bis zu einer
Tiefe auf, die mindestens gleich der Tiefe der Nuten ist, und vorzugsweise
bis zu einer Tiefe, die größer ist
als die Tiefe der Nuten. Beim Schnitt des Extrudierens wird die
Durchgangsbohrung vorzugsweise mit einer Vielzahl von sich in Längsrichtung
erstreckenden Rippen gebildet.
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Vorzugsweise umfaßt das Verfahren ebenfalls
die folgenden Schritte:
Bereitstellen von Querbohrungen in
den Rohrenden, die sich zwischen den gegenüberliegenden Flächenabschnitten
und in Fluidverbindung mit der Durchgangsbohrung erstrecken;
Anordnen
der Rohre in einer anstoßenden
Fläche-an-Fläche-Beziehung
mit den Querbohrungen in axialer Ausrichtung, und wobei die Schlitze
Luftstromdurchgänge
durch die anstoßenden
Rohre definieren; und
Abdichten der anstoßenden Flächenabschnitte um den Umfang
der ausgerichteten Querbohrungen herum.
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Ein Wärmetauscher in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung weist auf
eine Vielzahl von
Rohren mit rechteckigem Querschnitt, von denen ein jedes eine sich
in Längsrichtung
erstreckende Durchgangsbohrung und gegenüberliegende Flächen aufweist,
die mit parallelen Längsnuten
versehen sind, wobei die Flächen
parallele Schlitze aufweisen, die sich über die Flächen quer zu den und durch
die Nuten erstrecken, um dünne,
gezahnte Rippen zwischen den nicht mit Schlitzen versehenen genuteten
Flächenabschnitten
zu definieren;
geschweißte
Verbindungen, die Paare von Rohren in einer Fläche-an-Fläche-Beziehung verbinden, wobei die
geschweißte
Verbindung das Ende der Nuten in den anstoßenden genuteten Flächenabschnitten ausfüllt; und
einen
Behälter,
der an die verbundenen Rohre geschweißt wird, um die Durchgangsbohrungen
am Ende der verbundenen Rohre einzuschließen.
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Der Behälter umfaßt vorzugsweise einen peripheren
Rand, längs
dessen die geschweißten
Nähte den
Behälter
am Umfang der Enden der verbundenen Rohre verbinden. Der Behälter umfaßt eine
Fluidöffnung,
und ein Fluidtransportrohr ist an der Öffnung mit einer geschweißten Verbindung
befestigt. Bei der bevorzugten Konstruktion bestehen die Rohre und
die geschweißten
Verbindungen, die Nähte und
die Verbindungen alle aus Aluminium.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1 eine
Vorderansicht eines Wärmetauschers
bei Anwendung der modularen Konstruktion der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Schnittdarstellung längs
der Linie 2-2 in 1;
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3 eine
vergrößerte Schnittdarstellung längs der
Linie 3-3 in 2;
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4 eine
vergrößerte Schnittdarstellung längs der
Linie 4-4 in 1,
die den Wärmetauscher der,
vorliegenden Erfindung zeigt, der eine zweite Ausführung eines
Wärmetauschermoduls
enthält;
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5 deine
isometrische Darstellung, teilweise im Schnitt, die Abschnitte eines
Wärmetauschermoduls
für eine
Verwendung beim Wärmetauscher
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 eine
isometrische Darstellung, teilweise im Schnitt, die die zweite Ausführung eines
Wärmetauschermoduls
für eine
Verwendung im Wärmetauscher
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 eine
Draufsicht, einer Fläche
des extrudierten Rohres, das bei der Konstruktion einer gegenwärtig bevorzugten
Ausführung
der Erfindung verwendet wird;
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8 eine
Draufsicht des extrudierten Rohres, das in 7 gezeigt wird, nachdem die Fläche aufgeschlitzt
wurde, um dünne
wärmeableitende
Rippen zu bilden;
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9 eine
Stirnseitenansicht, die die geschweißte Verbindung zeigt, die benutzt
wird, um zwei der Rohre aus 8 zu
verbinden, um ein Wärmetauscherkernelement
zu bilden;
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10 eine
perspektivische Darstellung eines Wärmetauschers, der Kernelemente
aus 9 benutzt, und wobei
die Befestigung der Behälter
an deren Enden gezeigt wird;
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11 eine
Vorderansicht gleich 1,
die die gegenwärtig
bevorzugte Konstruktion des Wärmetauschers
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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12 eine
Schnittdetaildarstellung längs der
Linie 12-12 in 11;
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13 eine
Schnittdetaildarstellung längs der
Linie 13-13 in 12;
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14 ein
Detail einer Draufsicht eines Wärmetauschers
einer modifizierten Ausführung;
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15 eine
Schnittdarstellung längs
der Linie 15-15 in 14;
und
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16 eine
Stirnseitenansicht längs
der Linie 16-16 in 15.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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Mit Bezugnahme auf 1 wird ein Wärmetauscher in Übereinstimmung
mit. der vorliegenden Erfindung im allgemeinen mit der Bezugszahl 10 gekennzeichnet.
Der Wärmetauscher 10 umfaßt eine Reihe
von identischen Kernmodulen 12, die beim gezeigten Wärmetauscher
eine Zahl von vier aufweisen.
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Jeder Modul 12 wird vorzugsweise
aus einem länglichen
extrudierten Aluminiumblock hergestellt, der im allgemeinen einen
rechteckigen Querschnitt aufweist und in einem Extrudiervorgang
mit einer Reihe von vier parallelen Durchgangsbohrungen 14 mit
abgeflachten oder ovalen Querschnitten gebildet wird.
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Eine Reihe von parallelen Rippen 16 wird
auf jeder der gegenüberliegenden
Flächen 18 und 20 des
Moduls 12 gebildet, um die Reihe der Durchgangsbohrungen 14 zu überdecken.
Die Rippen 16 sind so ausgebildet, daß sie sich im allgemeinen quer zur
Achse der Durchgangsbohrungen 14 erstrecken.
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Wie am besten in 2-3 und 5 zu sehen ist, wird ebenfalls
eine Reihe von parallelen V-förmigen Nuten
oder Kanälen 22 in
jeder der gegenüberliegenden
Flächen 18 und 20 des
Moduls 12 gebildet, um die Reihe der Durchgangsbohrungen 14 zu überdecken.
Die V-förmigen
Kanäle 22 werden
so gebildet, daß sie
sich im allgemeinen parallel zur Achse der Durchgangsbohrungen 14 so
erstrecken, daß die Rippen 16 mit
einer im allgemeinen Sägezahnform versehen
sind. Die V-förmigen
Nuten oder Kanäle 22, die
in den Modulen 12 gebildet werden, versehen jede Rippe 16 mit
einer zusätzlichen
Oberfläche
für eine
verstärkte
Wärmeübertragung.
Außerdem
gestatten die V-förmigen
Kanäle 22 und
Module 12 einen verstärkten
Luftstrom durch den Wärmetauscher 10 und
eine Erhöhung
der Turbulenz der Luft, die dort hindurch strömt; um' eine verstärkte Wärmeübertragung
zu bewirken. Die äußeren Ränder 24 einer
jeden Rippe 16, liegen koplanar mit den entsprechenden
Ebenen 18 und 20, in denen die Rippe gebildet wird.
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Der Wärmetauscher 10 wird
durch Stapeln der vier Module 12 miteinander in einem Fläche-an-Fläche-Kontakt
so gebildet, daß die äußeren Ränder 24 einer
jeden Rippe 16 mit den äußeren Rändern 24 eines
benachbarten Moduls 12 in Eingriff kommen und daran anstoßen. Wie
am besten in 1 zu sehen
ist, definieren die Module 12 im montierten Wärmetauscher 10 innere
Luftstromdurchgänge 26 zwischen
benachbarten Modulen, die zweimal die Höhe der Rippen 16 betragen
und so breit wie die Schlitze 28 zwischen benachbarten
Rippen sind.
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Der Wärmetauscher 10 wird
zwischen einem Paar äußerer Montageplatten 32 und 34 eingeschlossen,
die an entsprechende äußere Ränder 24 der
Rippen 16 auf den Außenflächen der äußeren Module 12 anstoßen, um
eine Reihe von äußeren Luftstromdurchgängen 36 zu
definieren. Wie in 1 zu
sehen ist, zeigen die äußeren Luftstromdurchgänge 36 annähernd die
Hälfte
der Höhe
der inneren Luftstromdurchgänge 26 und
sind so breit wie die Schlitze 28 zwischen benachbarten
Rippen.
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Mit Bezugnahme auf 2 definieren die Module 12 im
zusammengebauten Wärmetauscher 10 ebenfalls
innere Querluftstromdurchgänge 37 zwischen
benachbarten Modulen. Die inneren Querluftstromdurchgänge 37 weisen
einen im allgemeinen rhombenförmigen
Querschnitt auf, der eine Höhe zeigt,
die kleiner ist als die Höhe
der inneren Luftstromdurchgänge 26.
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Die äußeren Platten 32 und 34,
die an die entsprechenden äußeren Ränder 24 der
Rippen 16 auf den Außenflächen der äußeren Module 12 anstoßen, definieren
ebenfalls eine Reihe von äußeren Querluftstromdurchgängen 39.
Wie am besten in 2 zu
sehen ist, zeigen. die äußeren Querluftstromdurchgänge 39 annähernd die
Hälfte
der Höhe der
inneren Querluftstromdurchgänge 37.
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Die gegenüberliegenden Enden einer jeden Fläche 18 und 20 eines
jeden Moduls 12 umfassen entsprechende flache Flächenabschnitte 18a und bzw. 20a,
in denen keine Rippen vorhanden sind. Um den Wärmetauscher 10 zusammenzubauen,
werden die Flächenabschnitte 18a und 20a mit
einer Schicht eines geeigneten hochfesten Klebstoffes bedeckt, um
die Module so miteinander zu sichern, daß die äußeren Ränder 24 einer. jeden
Rippe 16 mit den äußeren Rändern 24 eines
benachbarten Moduls 12 in Eingriff kommen und daran anstoßen. Gleichermaßen werden
die Flächenabschnitte 18a und 20a der äußeren Module
adhäsiv
an den anstoßenden
Oberflächen
der entsprechenden Montageplatten 32 und bzw. 34 gesichert,
um die Montage zum Abschluß zu bringen.
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Erste und zweite Querbohrungen 38 und 40 erstrecken
sich durch die Flächenabschnitte 18a und 20a in
einer Richtung, die im allgemeinen senkrecht zur Achse der Durchgangsbohrungen 14 verläuft. Wie
am besten in 1 zu sehen
ist, ist jede Querbohrung 38 und 40 auf gegenüberliegenden
Seiten. des Wärmetauschers 10 positioniert
und so dimensioniert, daß alle
vier Durchgangsbohrungen 14 in jedem Modul 12 geschnitten
werden. Wie es beschrieben wird, gestatten die Querbohrungen 38 und 40 den
Strom des Fluids zwischen dem Eintrittsende 42 und dem
Austrittsende 44 des Wärmetauschers 10. Um
ein Austreten des Fluids zu verhindern, das durch den Wärmetauscher 10 strömt, werden
die Grenzflächen
zwischen benachbarten Flächenabschnitten 18a und 20a und
Querbohrungen 38 und 40, die dort hindurch verlaufen,
um ihre Umfänge
herum mittels einer Klebstoffschicht abgedichtet, die benutzt wird,
um die Module 12 miteinander zu befestigen und bzw. zu
sichern, wie es hierin vorangehend beschrieben wird.
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Jede Querbohrung 38 und 40 ist
als eine verdeckte Querbohrung vorhanden, indem eine Stirnfläche eines
jeden äußeren Moduls 12 mit
einem verdeckten Querbohrungsabschnitt 48 versehen wird, Gleichermaßen müssen die
Enden aller Durchgangsbohrungen 14 an die Enden des Wärmetaüschers 10 gesteckt
werden, wie in 1 gezeigt
wird. Die Zapfen 52 können
bleibende Schweißnähte, elastomere Zapfen
oder vorzugsweise Aluminiumzapfen aufweisen, die an Ort und Stelle
innerhalb eines Klebstoffes oder einer Schweißnaht gesichert werden.
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Verschiedene Arten von adhäsiven Dichtungsmaterialien
können
genutzt werden, um die Module miteinander zu sichern, und um ebenfalls
weitere adhäsive
Verbindungen oder Dichtungen zu liefern, wie beispielsweise, um
die Zapfen 52 an Ort und Stelle zu sichern. Verschiedene
Arten von adhäsiven Dichtungsmaterialien
werden vollständiger
im U.S.Patent 5383517 an den Erfinder der vorliegenden Erfindung
beschrieben, und man bezieht sich hierin darauf. Mit Bezugnahme
auf 3 können die Durchgangsbohrungen 14 mit
einer Vielzahl von sich in Längsrichtung
erstreckenden Rippen 56 versehen werden. Die Rippen 56 liefern
jeder Durchgangsbohrung 14 eine zusätzliche Oberfläche für eine verstärkte Wärmeübertragung.
Wie es hierin nachfolgend detaillierter beschrieben wird, werden
die gerippten Bohrungen 14 ebenso wie die V-förmigen Nuten
oder Kanäle 22 zweckmäßigerweise
in einem kontinuierlichen Extrusionsteil gebildet, aus dem rohrförmige Kernmodule 12 auf
Länge geschnitten
werden.
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Mit Bezugnahme auf 4 und 6 ist
es wünschenswert,
daß die
Turbulenz der Luft verstärkt wird,
die durch den Wärmetauscher 10 strömt, um die Wärmetauschfähigkeit
dieses zu verbessern. Um die Turbulenz der Luft zu erhöhen, die
durch den Wärmetauscher 10 strömt, wird
in Erwägung
gezogen, jeden Kernmodul zu modifizieren, indem dessen Rippen 16 gebogen
oder abgeschrägt
werden. per in 4 abgebildete
Tauscher und der in 6 abgebildete Kernmodul
sind identisch mit jenen, die vorangehend beschrieben wurden, aber
für das
Biegen und/oder das Abschrägen
der Rippen, und daher wird die vorangehende Beschreibung des Wärmetauschers 10, der
detailliert beschrieben wird, so verstanden werden, daß der in 4 gezeigte Wärmetauscher
beschrieben wird, wobei die üblichen
Bezugszeichen zur Anwendung gebracht werden.
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Um die Rippen 16 zu biegen
oder abzuschrägen,
kommt ein Rippenverformungswerkzeug mit den äußeren Rändern 24 einer jeden
Rippe 16 in Eingriff um dadurch die Biegung oder Abschrägung zu bewirken.
Im Ergebnis dessen liegt der Scheitel 60 eines jeden äußeren Randes 24,
einer jeden Rippe 16 koplanar mit den entsprechenden Ebenen 18 und 20,
in denen die Rippen 16 gebildet werden. Der Wärmetauscher
aus 4 wird durch Stapeln
der Module 12 miteinander in einem Fläche-an-Fläche-Kontakt so gebildet, daß der Scheitel 60 eines
jeden äußeren Randes 24 einer
jeden Rippe 16 mit einem entsprechenden Scheitel eines
jeden äußeren Randes 24 eines
benachbarten Moduls 12 in Eingriff kommt und daran anstößt. Wie
am besten in 4 zu sehen
ist, definieren die Module 12 im zusammengebauten Wärmetauscher 10 abgeschrägte innere Luftstromdurchgänge 62 zwischen
benachbarten Modulen, um die Turbulenz der Luft zu verstärken, die
daran vorbeiströmt,
und um eine verstärkte
Wärmeübertragung
zu bewirken. Es wird als innerhalb des Bereiches der vorliegenden
Erfindung liegend in Erwägung
gezogen, daß eine
jede Rippe 16 so abgeschrägt oder gebogen wird, daß sich ein
erster äußerer Rand 24 von
seinem entsprechenden Scheitel in einer entgegengesetzten Richtung
zur Neigung eines benachbarten äußeren Randes 24 auf
der gleichen Rippe neigt.
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Mit Bezugnahme auf 7-12 wird
ein modularer Wärmetauscher
und das Verfahren zur Herstellung des gleichen gemäß einer
gegenwärtig
bevorzugten Ausführung
beschrieben. Jeder der Kernmodule 61 gleicht dem entsprechenden
Modul 12 der vorangehend beschriebenen Ausführungen.
Insbesondere weist jeder Modul 61 ein Rohr 62 auf,
das anfangs aus einem Aluminiumextrusionsteil mit einer Anfangskonfiguration,
wie in 7 gezeigt wird,
geschnitten wird. Das Extrusionsteil zeigt einen im allgemeinen
rechteckigen Querschnitt, und die zwei breiteren gegenüberliegenden
Flächen 63 werden mit
einer Vielzahl von parallelen Längsnuten 64 extrudiert.
Das Innere des Extrusionsteils ist mit einer kontinuierlichen Längsdurchgangsbohrungseinrichtung 65 versehen,
die bei der bevorzugten Ausführung
eine Anzahl von identischen Durchgangsbohrungen 66 mit
länglichem
Querschnitt aufweist, gleich der Konstruktion in 3.
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Die Rohre 62 werden auf
gleiche Längen
aus dem Extrusionsteil geschnitten, und die gegenüberliegenden
Flächen 63 werden
so geschnitten, daß sie eine
Reihe von parallelen Schlitzen 67 bilden, die quer über die
volle Breite der Flächen
verlaufen, wie in 8 gezeigt
wird. Die Schlitze 67 werden vorzugsweise bis zu einer
Tiefe geschnitten, die größer ist
als die Tiefe der Nuten 64, was zu dünnen gezahnten Rippen 69 gleich
den vorangehend beschriebenen Ausführungen führt. Die Schlitze 67 erstrecken sich
nahezu über
die gesamte Länge
des Rohres 62, enden aber in einem ausgewählten Abstand
von den Rohrenden, um genutete, aber nicht mit Schlitzen versehene
Flächenabschnitte 68 zu
definieren. Auf diese Weise sind vier identische Flächenabschnitte 68 an
jedem Rohr vorhanden, wobei ein Flächenabschnitt an gegenüberliegenden
Längsenden
der Flächen 63 auf
beiden Seiten des Rohres angeordnet ist.
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Wie am besten in 9 zu sehen ist, werden Paare der Rohre 62 in
einer Fläche-an-Fläche-Beziehung angeordnet
und mit Schweißnähten 70 verbunden,
eine an jedem Längsende
und quer zur vollständigen
Breite der Rohre zwischen den Durchgangsbohrungen 66 verlaufend.
Weil die anstoßenden
Flächenabschnitte 68 kurze
Notenabschnitte 71 umfassen, darf das Material der Schweißnähte 70 in
die Notenabschnitte eindringen, um eine extrem fehlerfreie und feste
geschweißte
Verbindung zu bilden. Die geschweißte Verbindung 70 ist
einer geradlinigen Schweißnaht
weit überlegen.
Zusätzliche
Rohre 62 können
an die anfangs geschweißten
zwei Rohre in der gleichen Weise geschweißt werden, um einen Wärmetauscherkern 72 zu
bilden.
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Der Wärmetauscherkern 72,
der, wie gezeigt wird, so viele geschweißte Rohre 62 umfassen
kann, wie es gewünscht
wird, ist mit einem Fluidverteilungsbehälter 73 an jedem Ende
des Kernes versehen, um alle Durchgangsbohrungen 66 an
einem Ende des Kernes in einem gemeinsamen Behälter einzuschließen. Jeder
der Behälter 73 kann
eine identische Konstruktion zeigen und ein einzelnes Aluminiumgußteil aufweisen
oder kann aus einem Aluminiumkanalabschnitt und einem Paar Endplatten hergestellt
werden. Jeder Behälter 73 umfaßt eine obere
Wand 74, ein Paar gegenüberliegende
Seitenwände 75 und
gegenüberliegende
Stirnwände 76. Die
Stirnwände
können
eine geeignete Eintritts- oder Austrittsöffnung 77 umfassen,
an der ein Fluidtransportrohr 78 befestigt wird, wie es
nachfolgend detaillierter beschrieben wird. Die Seiten- und Stirnwände 75 und 76,
entgegen der oberen Wand 74, definieren einen peripheren
Rand 80, der zum Stirnflächenumfang des Kernes 72 paßt, wenn
der Behälter
in anstoßendem
Kontakt damit angeordnet wird, um die offenen Enden der Durchgangsbohrungen 66 einzuschließen. Wenn
der Behälter 73 so
positioniert wird, wird er mit der Stirnfläche des Kernes 72 mit
kontinuierlichen Schweißnähten längs des
gesamten peripheren Randes 80 des Behälters verbunden. Beim zusammengebauten
Kern 72 und unter Bezugnahme insbesondere auf 10-12 bilden die flachen Endabschnitte 81 der
verbundenen Rohre 62 (wobei die flachen Endabschnitte nicht
mit quer verlaufenden Schlitzen 67 eingeschnitten sind)
eine flache Oberfläche über die
gesamte Fläche
des Kernes, und längs des
Randes davon wird der anstoßende
Rand der einen Seitenwand 75 des Behälters mit einer kontinuierlichen
Schweißnaht 82 verbunden.
An den Stirnflächen
des Kernes 72 werden die Behälterseitenwände 75 mit den oberen
Enden der Flächenabschnitte 68 der äußersten
Rohre 62 im Kern verbunden. Die Nuten 64 in diesen
Flächenabschnitten 68 liefern Öffnungen
für den
Aufbau und das Eindringen des Schweißmaterials, um geschweißte Seitennähte 83 von
erhöhter
Festigkeit zu liefern. Der Wärmetauscher
wird durch Befestigen der Fluidtransportrohre 78 an den
entsprechenden Eintritts- und Austrittsöffnungen 77 fertiggestellt.
In der gezeigten Ausführung weist
jedes der Rohre 78 ein gegossenes Aluminiumbogenstück mit einem
kreisförmigen
offenen Ende 84, das für
eine Verbindung mit einem konventionellen Kühlerschlauch ausgelegt ist,
und ein rechteckiges Behälterende 85 auf,
die um ihren gesamten Umfang an die entsprechende Öffnung 77 in
der Stirnwand 76 des Behälters geschweißt ist.
Diese geschweißte
Aluminiumverbindung 86, die benutzt wird, um jedes der
Fluidtransportrohre 78 mit ihren entsprechenden Behältern 73 zu
verbinden, komplettiert einen Wärmetauscher,
der vollständig
aus einer vollständig
geschweißten
Aluminiumkonstruktion besteht.
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Die vollständige geschweißte Aluminiumkonstruktion
eliminiert potentiell schwache gelötete und hartgelötete Verbindungen,
die im wesentlichen für alle
Wärmetauscher
nach dem bisherigen Stand der Technik typisch sind. Außerdem tragen
die geschweißten
Verbindungen, insbesondere die Schweißnähte 70, die die Rohre
verbinden, und die Seitenschweißnähte 83,
die beide die Nutabschnitte 71 nutzen, um die Eindringung
der Schweißnaht
zu verstärken,
beträchtlich
zur Gesamtfestigkeit des Wärmetauschen
bei. Die V-genuteten Rohrflächen 63 verringern
ebenfalls im wesentlichen die Menge des Materials, die bei der Herstellung
des Extrusionsteils erforderlich ist, zusätzlich dazu, daß sie gezahnte
Rippen mit einer verbesserten Wärmeableitung bereitstellen,
wie es vorangehend beschrieben wird. Gleichermaßen verringert diese Eliminierung
von Material beträchtlich
die Querschneidezeit, die für das
Bilden der Schlitze 67 erforderlich ist. Ein weiterer sehr.
bedeutender Vorteil beim Wärmetauscher der
vollständig
geschweißten
Konstruktion, wie er hierin beschrieben wird, ist seine Temperaturwechselbeständigkeit.
Im Fachgebiet ist es gut bekannt, daß Wärmetauscher, die mit zwei verschiedenen
Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hergestellt werden, eine Rißbildung
zeigen und brechen können,
wenn sie plötzlichen
Temperaturabweichungen unterworfen werden. Die vollständig geschweißte Aluminiumkonstruktion
dieses Wärmetauschers
ist vor den Problemen eines Wärmeschockes
sicher.
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Bei bestimmten Anwendungen ist es
wünschenswert,
Flüssigkeiten
zu behandeln, die korrosiv und nicht für einen direkten Kontakt mit
Aluminium geeignet sind. Eine modifizierte Ausführung der vorliegenden Erfindung,
die extrudierte und geschlitzte Rohre 62 nutzt, kann verwendet
werden. Die Rohre können
miteinander verschweißt
werden, um eine Kerneinheit 72 zu bilden, wie es vorangehend
beschrieben wird. Die Bohrungen 66 sind mit eng anliegenden
Buchsen eines konosionsbeständigen
Metalls ausgekleidet, wie beispielsweise nichtrostendem Stahl. Diese
Buchsen erstrecken sich vollständig
durch die Bohrungen 66 und an beiden Enden der Rohre 62 ein
kurzes Stück
darüber
hinaus. Eine nichtrostende Stahlplatte, die mit Bohrlöchern gelocht
ist, um genau über
die verlängerten
Enden der Buchsen zu passen, wird an jeder Stirnfläche des, Kernes 72 angeordnet.
Die nichtrostende Stahlplatte kann Außenabmessungen aufweisen, die
im allgemeinen zur Stirnfläche
des Kernes passen. Die Platte liegt vorzugsweise direkt an der Stirnfläche des
Kernes und ist an jede der Buchsenverlängerungen. mit einer, kontinuierlichen.
Schweißnaht
um deren Umfänge
herum geschweißt.
Ein nichtrostender Stahlbehälter
mit geeigneten Flüssigkeitstransportrohren wird
danach an die nichtrostende Stahlplatte geschweißt, um das Einschließen des
Endbehälters
fertigzustellen. Diese Konstruktion liefert einen vollständig geschweißten Wärmetauscher,
der die Wärmeübertragbarkeit
der extrudierten Aluminiumrohre nutzt, der aber ebenfalls eine korrosionsbeständige Flüssigkeitsübertragbarkeit
umfaßt.
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Mit Bezugnahme auf 14 bis 16 wird
eine modifizierte Konstruktion des Wärmetauschers gezeigt, wobei
modifizierte extrudierte Rohre 87 verwendet und die Endbehälter der
vorangehend beschriebenen Ausführung
eliminiert werden. Jedes der Rohre 87 ist aus einem Extrusionsteil
geschnitten, das mit dem identisch sein kann, das in 7 gezeigt wird. Daher werden die gegenüberliegenden Flächen 88 mit
V-förmigen
parallelen Nuten 90 und inneren Durchgangsbohrungen 91 gebildet.
Die gegenüberliegenden
Flächen
werden danach geschnitten, um die quer verlaufenden Schlitze 92 zu
bilden, aber anders als bei der vorangehend beschriebenen Ausführung werden
größere nicht
mit Schlitzen versehene Enden bereitgestellt, was zu im wesentlichen längeren Flächenabschnitten 93 führt. Eine
Querbohrung 94 wird gebildet, die sich durch jedes Rohr 87 erstreckt,
wobei ihre Achse im allgemeinen im Flächenabschnitt 93 zentriert
ist und sich senkrecht dazu erstreckt. Wie in 15 und 16 gesehen
werden kann, ist die Querbohrung 94 so bemessen und positioniert,
daß sie
beide Durchgangsbohrungen 91 in jedem Rohr 87 schneidet.
In einer zusammengebauten Kerneinheit, die eine Vielzahl von Rohren 87 aufweist,
die Fläche
an Fläche
anstoßend
befestigt sind, bewirken die Querbohrungen 94 an den gegenüberliegenden
Enden des Wärmetauschen
eine Speicherung des Betriebsfluids, das zwischen Eintritts- und
Austrittsrohren 95 strömt.
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Die Grenzflächen zwischen benachbarten anstoßenden Flächenabschnitten 93 an
den Umfängen
der Querbohrungen 94 müssen
abgedichtet werden, um ein Austreten des Arbeitsfluids zu verhindern.
Wie am besten in 14 und 15 zu sehen ist, ist jede
Querbohrungsgrenzfläche
mit einer gegenüberliegenden zylindrischen
Senkbohrung 96 versehen, die sich mindestens bis zur Tiefe
der V-Nut 90 erstreckt. Ein ringförmiger Einsatz mit rechteckigem Querschnit
wird in eine der zylindrischen Senkbohrungen 96 hineingepreßt und befestigt.
In die gegenüberliegende
Senkbohrung 96 wird ein ringförmiger Einsatz 98 mit
einem im allgemeinen U-förmigen Querschnitt
eingesetzt und an Ort und Stelle gesichert: Ein Runddichtring 100 wird
in den Einsatz 98 mit U-förmigem Querschnitt eingesetzt
und, wenn zwei Rohre 87 in eine anstoßende Fläche-an-Fläche-Beziehung gebracht werden,
dichtet der Runddichtring 100 an der angrenzenden Fläche des
anderen ringförmigen
Einsatzes 97 ab.
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Speziell mit Bezugnahme auf 16, wobei ein Paar Rohre 87,
die mit einem geeigneten Runddichtring 100 versehen sind,
in einen Fläche-an-Fläche-Eingriff
gepreßt
wird, werden die Enden der Rohre zusammengeschweißt, wobei
eine Schweißablauffolge
zur Anwendung gebracht wird, die nicht die Enden der Rohre überhitzen
wird. Wenn eine Schweißnaht
von vollständiger
Länge,
die ausreichendes Material nutzt, um die Enden der Nuten 90 auszufüllen, zur
Anwendung gebracht wird, wie beispielsweise eine Schweißnaht 70,
die mit Bezugnahme auf die Ausführung
in 9 beschrieben wird, würde die
durch den Schweißvorgang
erzeugte Wärme
den Runddichtring zerstören.
Daher werden die Enden. der Rohre, 87 heftgeschweißt, wobei
ein Verfahren genutzt wird, das kurze Schweißnähte 101 an jedem Ende
und eine Reihe von beabstandeten Heftschweißnähten 102 umfaßt, die
die äußeren Enden der
V-Nuten an benachbarten Rohren an beabstandeten Stellen zwischen
den Schweißnähten 101 verbinden.
Indem ausreichend Schweißmaterial
für die Heftschweißnähte 102 genutzt
wird, kann bewirkt werden, daß das
Schweißmaterial
in die Nuten 90 hineinfließt und sie etwas füllt, um
Schweißnähte von im
wesentlichen erhöhter
Festigkeit zu liefern, im Gegensatz zu den einfachen Oberflächenheftschweißnähten. Die
Enden der Durchgangsbohrungen 91 können mit Abdichtvorrichtungen 103 verschlossen oder
abgedeckt werden, die geschweißt
oder anderweitig gesichert werden können, um die Bohrungsenden
gegen ein Austreten von Arbeitsfluid abzudichten.
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Jede der hierin beschriebenen Wärmetauscherkonstruktionen
ist für
eine. Handhabung einer Anzahl unterschiedlicher Arten von Fluids
geeignet. Beispielsweise kann der Wärmetauscher als ein konventioneller
Kraftfahrzeugkühler
für das
Motorkühlmittel,
ein Schmierölkühler oder
ein luftgefüllter
Kühler
verwendet werden, wie er beispielsweise für einen Turboladermotor eingesetzt
wird. Im wesentlichen kann die gleiche Wärmetauscherkonstruktion für jede der
vorangegangenen Anwendungen genutzt werden. Diese Ausführung nutzt
wie jede der vorangehend beschriebenen Ausführungen eine vollständig geschweißte Aluminiumkonstruktion
mit allen dazugehörenden
Vorteilen.