DE69909645T2

DE69909645T2 - Wärmetauscherteil

Info

Publication number: DE69909645T2
Application number: DE69909645T
Authority: DE
Inventors: Lee Jeffrey INSALACO; Wendell Cowley PHILLIPS
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1998-11-16
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: EA200100549A1; EP1131595B1; WO2000029801A1; ATE245272T1; AU5737699A; CN1135359C; JP2002530618A; BR9915361A; CN1326542A; DE69909645D1; US6119340A; US6082447A; EP1131595A1; ES2204152T3; KR20010090844A; KR100626183B1; EA002637B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen den Bau eines Wärmetauschers. Diese Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Trennplattenanordnung in einem Wärmetauscherteil.
Trennwände werden in vielen verschiedenen Anwendungen zu dem Zweck eingesetzt, den Fluid- und Gasstrom durch rohrförmige Teile, beispielsweise durch ein Verteilerrohr eines Wärmetauschers, zu blockieren und zu leiten. Wärmetauscher umfassen typischerweise Rohre, die zwischen einem Verteilerrohrpaar miteinander verbunden sind. Um die Wärmeübertragungsleistung zu optimieren, wird die Strömung eines fluiden Wärmeübertragungsmediums (Gas oder Flüssigkeit) durch die Rohre oft dadurch gesteuert, dass an bestimmten Stellen innerhalb der Verteilerrohre Trennwände derart eingesetzt. werden, dass getrennte und parallele Strömungsbereiche innerhalb des Wärmetauschers dadurch errichtet werden, dass das fluide Medium in geeigneter Weise durch die Rohre des Wärmetauschers geleitet wird.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Trennplattenausführungen und Verfahren zur Montage von Trennwänden in die Verteilerrohre von Wärmetauschern bekannt. Ein Beispiel besteht darin, tassenförmige Trennwände zu verwenden, die in die innere Rohrleitung eines Verteilerrohres montiert werden, und dann dort durch Hartlöten angelötet werden. Hartlöten ist erwünscht, um mit der Trennplatte eine hoch widerstandsfähige, fluiddichte Abdichtung zu erzielen, besonders dann, wenn der Wärmetauscher ein hartgelötetes Bauteil ist. Ein Problem bei diesem Ansatz ist allerdings, dass das Lötflussmittel in dem Verteilerrohr Rückstände bilden kann, wodurch das Innere des Wärmetauschers korrodieren kann. Ein weiteres Beispiel ist in der US-Patentschrift 5,052,478 von Nakajima et al, offenbart, welche das Einsetzen von Trennplatten lehrt, die durch umfangsverteilte, in der Wand des Verteilerrohres des Wärmetauschers ausgebildete Spalte eingeführt werden. Obwohl die Spalte das Entfernen von Restlötflussmittel aus dem Verteilerrohr erleichtern, können diese jedoch eine deutliche Schwächung der Wand des Verteilerrohres verursachen, wodurch dessen Fähigkeit, zahlreichen Temperatur- und Druckzyklen standzuhalten, reduziert wird. Eine Ausführung eines Trennungselements und ein Montageverfahren, die die strukturelle Integrität eines Wärmetauscher-Verteilerrohres nicht gefährden und eine Verschmutzung desselben durch Lötflussmittel vermeiden, sind in der übertragenen US-Patentschrift 4,762,152 des Erfinders Clausen offenbart, in welcher ein tassenförmiges Trennungselement verwendet wird, das mit einem Werkzeug montiert wird, welches beim Zurückziehen die Seitenwände des Trennungselements radial nach außen drückt. Hierbei wird die Seitenwand gegen die Innenfläche des Verteilerrohrs gedrückt, wodurch das Trennungselement und das Verteilerrohr zur Lagefixierung des Trennungselements plastisch verformt werden.
In der JP-U-03-079085 ist eine Trennplattenanordnung für eine Wärmetauschereinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 beschrieben. Hier wurden zwei Trennwände verbunden, um den Widerstand gegenüber Druckdifferenzen zwischen den zwei getrennten Räumen zu erhöhen.
Zusätzlich zum Leiten von fluiden Medien durch Wärmetauscher wurden Trennwände auch eingesetzt, um zwei oder mehrere isolierte Strömungskreisläufe innerhalb einer einzigen Wärmetauschereinheit zu schaffen. Die Fähigkeit, einen einzigen Wärmetauscher mit mehreren Strömungskreisläufen zu versehen, ist insbesondere dort wünschenswert, wo eine effiziente Raumnutzung von Bedeutung ist, beispielsweise in Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich. In derartigen Anwendungen wird es wichtiger, dass jede Trennplatte eine strömungstechnische Dichtung bilden kann, die dazu in der Lage ist, zahlreiche Temperatur- und Druckzyklen zu überstehen, insbesondere dann, wenn ein Zusammenströmen der fluiden Medien die Bauteile der voneinander getrennten Strömungskreisläufe beschädigen kann. Die Abdichtfähigkeit einer Trennplatte kann jedoch auf eine ernste Probe gestellt werden, wenn die Strömungskreisläufe im Wärmetauscher bei deutlich unterschiedlichen Druckverhältnissen betrieben werden. So wird zum Beispiel die Integrierung eines Kondensators für eine Klimaanlage und eines Ölkühlers innerhalb einer einzigen Wärmetauschereinheit dadurch erschwert, dass fluide Medien einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem Druck beaufschlagt werden, der weit höher ist als der Spitzendruck von Motoröl. Daher muss eine zu diesem Zweck benötigte Trennplatte auf der Kondensatorseite einem viel höheren Druck über zahlreiche Temperatur- und Druckzyklen standhalten können, und ein Schaden an der Trennplatte kann möglicherweise die Klimaanlage und das Motorölsystem beschädigen.
Hieraus wird deutlich, dass, wenn in einer einzigen Wärmetauschereinheit getrennte, bei deutlich unterschiedlichem Druck betriebene Strömungskreisläufe gewünscht werden, die zur Erzeugung der Strömungskreisläufe verwendeten Trennwände eine zuverlässige fluiddichte Abdichtung über viele Temperatur- und Druckzyklen gewährleisten müssen. Ausgehend vom Stand der Technik besteht nun ein Bedarf für eine Weiterbildung einer Trennplatte, welche die strukturelle Integrität des Verteilerrohres nicht beeinträchtigt und das Bilden von Lötflussmittelrückständen im Verteilerrohr nicht fördert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmetauscherteil zu schaffen, das eine Trennplatte aufweist, die voneinander getrennte Strömungsbereiche innerhalb des Wärmetauscherteils begrenzt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Trennplatte derart auszubilden, dass sie in der Lage ist, unter unterschiedlichem Druck stehende fluide Medien inner halb des Wärmetauscherteils voneinander zu trennen und gegeneinander abzudichten.
Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine solche Trennplatte derart auszubilden, dass sie innerhalb des Wärmetauscherteils hartgelötet werden kann, dass sie das Anbringen und Entfernen von Lötflussmittel in der Umgebung der Trennplatte erleichtert und einzeln auf Leckage geprüft werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscherteil vorgesehen, das eine innere Rohrleitung aufweist, welche die Trennplattenanordnung aufnimmt, um so mindestens zwei voneinander getrennte Strömungsbereiche innerhalb der inneren Rohrleitung zu begrenzen. Die Trennplattenanordnung umfasst ein Paar tassenförmiger Trennplatten, von denen die erste einen ersten Randabschnitt aufweist, der mit der Wand des Wärmetauscherteils derart in Anlage kommt, dass dazwischen eine fluiddichte Abdichtung entsteht. Die erste Trennplatte hat weiterhin einen zweiten Randabschnitt, der derart im Abstand zur Wand des Wärmetauscherteils angeordnet ist, dass dazwischen ein umlaufender Spalt entsteht. Die zweite Trennplatte hat ebenfalls einen ersten Randabschnitt, der mit der Wand des Wärmetauscherteils derart in Anlage kommt, dass dazwischen eine fluiddichte Abdichtung entsteht. Ein zweiter Randabschnitt der zweiten Trennplatte liegt am zweiten Randabschnitt der ersten Trennplatte an, so dass die Trennplatten zur Bildung einer Anordnung durch Presspassung ineinandergeschoben und untereinander verbunden sind. Der umlaufende Spalt zwischen der ersten und der zweiten Trennplatte wird durch Belüftung über eine Öffnung auf Atmosphärendruck gebracht. Dadurch kann, zur Lagefixierung der Trennplatten durch Hartlöten, das Flussmittel über diese Öffnung in das Wärmetauscherteil eingeleitet und aus diesem entnommen werden. Außerdem kann die Öffnung auch als Stelle dienen, an der nach der Montage die Trennplatten auf Leckage geprüft werden, und kann, wenn sie nicht im Anschluss an die Fertigung des Wärmetauschers abgedichtet wurde, dazu dienen, einen Defekt an einer der Trennplatten anzuzeigen. Da die Öffnung dem Aufbau eines Fluiddrucks innerhalb des Spalts entgegenwirkt, verhindert sie auch, dass sich die beiden fluiden Medien innerhalb der voneinander getrennten Strömungsbereiche vermischen.
Daraus wird deutlich, dass ein bedeutender Vorteil der vorliegenden Erfindung darin besteht, dass eine weitergebildete Trennplattenausführung zur Verfügung gestellt wird, mit der zwei oder mehrere voneinander isolierte Strömungskreisläufe innerhalb einer einzigen Wärmetauschereinheit definiert werden können. Die Trennplattenausführung ist in der Lage, fluide Medien, die unter sehr unterschiedlichem Druck stehen, wie zum Beispiel das fluide Medium einer Fahrzeug-Klimaanlage und Motoröl, über zahlreiche Druckund Temperaturzyklen voneinander zu trennen. Zudem erleichtert die Trennplattenausführung das Hartlöten und das Prüfen der Wärmetauschereinheit und verhindert im Falle einer Leckage an einer oder an beiden Trennplatten das Vermischen der verschiedenen fluiden Medien.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung nachstehend beispielhaft erläutert. Es zeigt
1 eine Querschnittsdarstellung eines Verteilerrohres eines Wärmetauschers mit einer erfindungsgemäßen Trennplattenanordnung.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer Wärmetauschereinheit 10, die ein Verteilerrohr 12 und eine Trennplattenanordnung 14 umfasst. Erfindungsgemäß ist die Trennplattenanordnung 14 in der Lage, zwei fluide Medien innerhalb des Verteilerrohres 12 voneinander zu trennen. Ein besonderer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Trennplattenanordnung 14 zuverlässig die beiden fluiden Medien voneinander trennen kann, obwohl das eine fluide Medium unter einem viel höheren Druck als das andere steht. Ein Beispiel einer derartigen Anwendung ist ein Wärmetauscher, der mit einem als Kondensator einer Fahrzeug-Klimaanlage betriebenen Kühlkreislauf und mit einem als Ölkühler für ein Motorölsystem betriebenen zweiten Kühlkreislauf ausgestattet werden soll. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass andere Anwendungen, auch solche außerhalb der Kraftfahrzeugindustrie, mit der vorliegenden Erfindung möglich sind.
Die Trennplattenanordnung 14 umfasst ein Paar Trennplatten 18 und 26, die in der gezeigten Weise ineinandergeschoben sind. Die Anordnung 14 ist innerhalb des Verteilerrohres 12 zwischen zwei angrenzenden Rohröffnungen 36 angeordnet, in denen jeweils das fluide Medium für den jeweiligen, durch die Trennplattenanordnung 14 definierten Strömungskreislauf geführt wird. Die Trennplatte 18 soll im Allgemeinen auf der Hochdruckseite des Verteilerrohres 12 angeordnet sein, während die Trennplatte 26 für den Betrieb bei geringerem Druck vorgesehen ist. Die Trennplatte 18 ist insgesamt tassenförmig ausgebildet und weist eine radiale Wand 20, einen äußeren ringförmigen Abschnitt 22 und einen inneren ringförmigen Abschnitt 24 auf, wobei der innere ringförmige Abschnitt den äußeren ringförmigen Abschnitt 22 mit der radialen Wand 20 verbindet. Der äußere ringförmige Abschnitt 22 ist zur Bildung einer fluiddichten Abdichtung an die Wand 16 des Verteilerrohres 12 hartgelötet oder auf eine andere Weise mit dieser verbunden. Die radiale Wand 20 und der innere ringförmige Abschnitt 24 sind im Abstand zur Wand 16 angeordnet, so dass ein ringförmiger Spalt 32 gebildet wird. Die zweite Trennplatte 26 ist auch insgesamt tassenförmig ausgebildet und hat eine radiale Wand 28 und einen ringförmigen Abschnitt 30. Der ringförmige Abschnitt 30 ist an die Wand 16 des Verteilerrohres 12 hartgelötet oder auf eine andere Weise mit dieser verbunden, so dass dazwischen eine fluiddichte Abdichtung entsteht. Die Trennplatte 26 ist durch Presspassung oder auf eine andere Weise mit der Trennplatte 18 verbunden oder an dieser befestigt, so dass der ringförmige Abschnitt 30 der Trennplatte 26 den inneren ringförmigen Abschnitt 24 der Trennplatte 18 umgreift und an diesem anliegt. Auf diese Weise dichten die Trennplatten 18 und 26 den ringförmigen Spalt 32 gegen die beiden Strömungskreisläufe, die durch die Trennplattenanordnung 14 innerhalb des Verteilerrohres 12 begrenzt werden, strömungstechnisch ab.
Aus der in 1 gezeigten Ausbildung der Trennplatten 18 und 26 ist zu erkennen, dass der auf die Trennplatte 18 ausgeübte Fluiddruck dazu tendiert, den äußeren ringförmigen Abschnitt 22 so auszudehnen, dass dieser weiter gegen die Wand 16 des Verteilerrohres 12 gepresst wird. Hieraus folgt, dass die Trennplatte 18 vorzugsweise auf die Hochdruckseite der beiden Strömungskreisläufe positioniert wird. Der innere ringförmige Abschnitt 24 dehnt sich auch aus, wenn auch nicht so stark, und verstärkt den Anlagedruck zwischen dem inneren ringförmigen Abschnitt 24 und dem ringförmigen Abschnitt 30 der Trennplatte 26 sowie zwischen dem ringförmigen Abschnitt 30 und der Verteilerrohrwand 16.
Erfindungsgemäß ist in der Wand 16 des Verteilerrohres 12 eine Öffnung 34 vorgesehen, so dass der ringförmige Spalt 32 belüftet wird. Dadurch kann jede Leckage an einer der Trennplatten 18 und 26 am Durchsickern durch die Öffnung 34 erkannt werden. Somit kann, nachdem die Trennplattenanordnung 14 in dem Verteilerrohr 12 eingesetzt worden ist und jederzeit nach Fertigstellung der Wärmetauschereinheit 10, auch nachdem die Wärmetauschereinheit 10 in Betrieb gesetzt worden ist, die Öffnung 34 als Stelle zur Prüfung einer Leckage dienen. Bemerkenswert ist, dass ein Defekt an einer Trennplatte die Beschädigung der weiteren Trennplatte nicht fördert, da die Öffnung 34 die Druckbeaufschlagung eines der fluiden Medien innerhalb des ringförmigen Spalts 32 verhindert. Dadurch hindert die Öffnung 34 die durch die Trennplattenanordnung 14 voneinander getrennten fluiden Medien daran, sich zu vermischen. Die Öffnung 34 schafft auch Zugang zu den Trennplatten 18 und 26, um Lötflussmittel einzubringen und/oder zu entnehmen, wenn die Trennplatten 18 und 26 an die Verteilerrohrwand 16 hartgelötet werden. So wird die Wahrscheinlichkeit, dass Lötflussmittel nach dem Hartlöten im Verteilerrohr 12 verbleibt, deutlich reduziert.
Das Einsetzen der Trennplattenanordnung 14 in das Verteilerrohr 12 ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung und erfolgt dadurch, dass die Trennplatte 26 durch Presspassung mit der Trennplatte 18 verbunden wird, bevor die Trennplatten 18 und 26 dann als eine Einheit in das Verteilerrohr 12 eingesetzt werden. Soll die Anordnung 14 durch Hartlöten lagefixiert werden, so werden die beiden Trennplatten 18 und 26 vorzugsweise aus einer geeigneten, mit einer Lötlegierung beschichteten Aluminiumlegierung gebildet. Zwischen den Trennplatten 18 und 26 und der Wand 16 des Verteilerrohres 12 ist Spiel vorgesehen, um das Einsetzen der Anordnung 14 zu erleichtern. Das Material, die Zwischenräume und das Montagewerkzeug, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind alle an sich bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.

Claims

Wärmetauscherteil mit einer inneren Rohrleitung, die durch mindestens eine Wand begrenzt ist, wobei das Wärmetauscherteil folgende Elemente umfasst: – eine erste Trennplatte (18), die in der inneren Rohrleitung Aufnahme findet und – einen ersten Strömungsbereich begrenzt, wobei sich in der inneren Rohrleitung mindestens zwei voneinander getrennte Strömungsbereiche befinden und wobei die erste Trennplatte (18) einen ersten Randabschnitt (22) aufweist, der an die Wand des Wärmetauscherteils (12) derart in Anlage kommt, dass dazwischen eine fluiddichte Abdichtung erzielt wird, wobei die erste Trennplatte – einen zweiten Randabschnitt (24) aufweist, der von der Wand des Wärmetauscherteils (12) derart beabstandet ist, dass dazwischen ein umlaufender Spalt (32) gebildet wird; und – eine zweite Trennplatte (26), die in der inneren Rohrleitung Aufnahme findet und einen zweiten Strömungsbereich begrenzt, wobei sich in der inneren Rohrleitung mindestens zwei voneinander getrennte Strömungsbereiche befinden und wobei die zweite Trennplatte – einen ersten Randbereich (30) aufweist, der derart mit der Wand des Wärmetauscherteils (12) in Anlage kommt, dass dazwischen eine fluiddichte Abdichtung gebildet wird, wobei die zweite Trennplatte einen zweiten Randabschnitt aufweist, der mit dem zweiten Randabschnitt der ersten Trennplatte in Anlage kommt, wobei die erste und die zweite Trennplatte den umlaufenden Spalt strömungstechnisch gegenüber dem ersten und dem zweiten Strömungsbereich abdichten, – eine Öffnung (34) in der Wand des Wärmetauscherteils, die mit dem umlaufenden Spalt (32) strömungsverbunden ist, – wobei die erste und die zweite Trennwand (18, 26) die Form einer Tasse aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste und die zweite Trennwand (18, 26) in der inneren Rohrleitung derart ineinandergeschoben sind, dass sie zwei strömungstechnisch voneinander getrennte Strömungskreisläufe innerhalb des Wärmetauschers definieren, – wobei der zweite Randabschnitt (24) der ersten Trennwand durch Presspassung mit dem zweiten Randabschnitt der zweiten Trennwand derart verbunden ist, dass dazwischen eine fluiddichte Abdichtung erzielt wird.
Wärmetauscherteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Randabschnitt der ersten Trennplatte ringförmig ausgebildet ist.
Wärmetauscherteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Randabschnitt der ersten Trennplatte ringförmig ausgebildet ist.
Wärmetauscherteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Randabschnitt der zweiten Trennplatte ringförmig ausgebildet ist.
Wärmetauscherteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Randabschnitt der zweiten Trennplatte ringförmig ausgebildet ist.
Wärmetauscherteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Randabschnitt der zweiten Trennplatte durch radial nach innen und radial nach außen verlaufende Oberflächenbereiche eines ringförmigen Abschnitts der zweiten Trennplatte begrenzt werden.
Wärmetauscherteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Randabschnitt der ersten Trennplatte an die Wand der inneren Rohrleitung hartgelötet ist.
Wärmetauscherteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Randabschnitt der zweiten Trennplatte an die Wand der inneren Rohrleitung hartgelötet ist.
Wärmetauscherteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherteil ein Verteilerrohr eines Wärmetauschers ist.