EP0373102A2 - Wärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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EP0373102A2
EP0373102A2 EP89810824A EP89810824A EP0373102A2 EP 0373102 A2 EP0373102 A2 EP 0373102A2 EP 89810824 A EP89810824 A EP 89810824A EP 89810824 A EP89810824 A EP 89810824A EP 0373102 A2 EP0373102 A2 EP 0373102A2
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EP
European Patent Office
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collectors
heat exchanger
plastic
register tubes
register
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Peter Ochsé
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Original Assignee
Jaggi AG Bern
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/26—Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/067—Details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/18—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding
    • F28F9/187—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding at least one of the parts being non-metallic, e.g. heat-sealing plastic elements

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for air conditioning systems, cooling systems, heat recovery and the like, with register tubes arranged between collectors and covered with fins.
  • Conventional heat exchangers of this type mostly consist entirely of metal, the register tubes being welded to metal collectors with a rectangular cross section.
  • These heat exchangers have several disadvantages.
  • the corrosion resistance is poor, the welding of the individual register tubes with the collectors is complex, and sufficient access to the welding points means that the outermost fins adjacent to the collectors must be at least 20 mm away from the collectors, which in turn has the consequence has that a side cover must be attached so that there is no by-pass.
  • the accessibility to the welding points also means that only lamella packs with a maximum width of about 40 mm can be used. Customer-specific individual parts that meet the special requirements must always be manufactured.
  • plastic collectors It is also known to use plastic collectors and to weld and / or glue them directly to the register tubes (FR-A-2 587 468).
  • the technique of welding or gluing with plastic collectors differs fundamentally from conventional welding with metal collectors, which not only significantly simplifies and shortens the process of connecting the register tubes and the collectors, but also allows the heat exchanger fins to be arranged much closer to the collectors, namely at a distance that corresponds approximately to the mutual distance between adjacent slats or is approximately 5 mm.
  • the connection between metallic register tubes and plastic collectors presents considerable difficulties.
  • the aim of the present invention is to overcome these difficulties in an advantageous manner.
  • the solution is specified in the characterizing part of claim 1.
  • the mutual connection, preferably welding, of plastic bushings and collectors is a simple, quick process.
  • a mutual welding of these parts also allows a certain tolerance compensation by making certain deviations in the mutual distances of the register tubes from the mutual distances of the holes of the register tubes Collectors are automatically compensated for during welding.
  • the plastic bushings mentioned are preferably placed with a press fit or with a preload on metal bushings, which in turn are tightly glued to the ends of the register tubes. This effectively counteracts the risk that the connection between the plastic and the metal will break due to the significantly higher coefficient of thermal expansion of the plastic when there are large temperature differences.
  • the invention also relates to an advantageous construction of the heat exchanger, in which the collectors are constructed from block-shaped modules.
  • These block-shaped modules which are advantageously made of plastic, can be prefabricated and used in a larger selection then for the rapid construction of heat exchangers of various dimensions by simply welding suitable modules with the prepared block of fins and register tubes.
  • These modules can be designed in such a way that each serves only to deflect the heat transfer medium once, so that the modules are free of internal partitions. This eliminates a further essential disadvantage of known designs, in which partitioning means for the formation of separate deflection spaces for the heat transfer medium were required in the collectors.
  • the invention relates to a method for producing a heat exchanger according to claim 9.
  • the particular advantages of this procedure have already been pointed out.
  • the heat exchanger shown has a packet of fins 1, which packet is interspersed with a number of register tubes 2, only two of which are shown in FIG. 1.
  • the register tubes are tightly connected to collectors 3 made of plastic, only one module of a collector being shown in FIG. 1.
  • the collector module is provided with a connecting piece 4, which is connected to a forward or return line 5.
  • the register tubes 2 which are made of metal for example, stainless steel or copper, steel sleeves 6 are glued tight.
  • a plastic sleeve 7 with a press fit or with a tensile pretension is fitted onto each steel sleeve 6.
  • the assembly can take place, for example, in such a way that the plastic bushings are heated to a high temperature so that they have a welding temperature at least on the inside. In this state, they are pulled onto the steel bushes 6 and combine with them in a liquid-tight manner and with the required preload.
  • the bushes 6 and 7 can be manufactured so precisely that the required preload and tightness is always guaranteed. Differences in tolerance of the register tubes 2 compensate for the gluing between these and the steel sleeves 6.
  • the pretension mentioned is of essential importance for avoiding cracks between plastic and metal due to the considerably higher coefficient of thermal expansion of the plastic compared to that of metal.
  • connection of the register tubes 2 provided with the plastic sleeves 7 to the collector modules 3 is then very simple, in that the holes 8 of the collector modules provided for receiving the register tubes and the plastic sleeves 7 are heated to such an extent that the plastic sleeves 7 heat up when inserted into the holes 8 weld the wall of the collector module 3.
  • Certain tolerances can also be included, ie if the axis of the register tube 2 or the plastic bushing 7 placed thereon does not exactly match the axis of the assigned hole 8 of the collector module, this deviation becomes automatic when the plastic bushing 7 is welded to the inner wall of the collector module 3 balanced.
  • the plastic collectors 3 can be constructed from injection molded parts, or else U-shaped prefabricated profiles can be provided on one side with an end wall and at the ends with lids and optionally with Connection piece 4 are glued. The latter embodiment is shown in Fig. 1.
  • the collectors are preferably constructed from individual modules according to FIG. 2. These modules can be largely standardized, prefabricated parts, which can then be connected in many combinations with plate packs.
  • FIG. 2 shows an example of how such modules can be designed and combined to form collector systems.
  • FIG. 2 shows two connection modules 3 according to FIG. 1, each with two holes for register tubes 2. In order not to obscure FIG. 2, register tubes 2 are only shown in one vertical plane. Arrows in FIG.
  • modules 9 are provided, each with two connections for register tubes in two levels, and the remaining modules 10 are designed with four connections one above the other for vertical deflection of the heat transfer medium.
  • the modules can be designed with more than two or four connections for register tubes 2, depending on the circuit of the heat exchanger.
  • the simple deflection or fitting modules 3 can have 2 to 20, the double deflection or fitting modules 9 also 2 to 20 connections for register tubes.
  • register tubes or plastic bushings 7, each with one module are preferably welded in groups.
  • a considerable advantage here is that the plate pack with the register tubes is constructed as a rigid unit with which the individual modules 3, 9 and 10 can be welded without these modules must be mechanically connected among themselves.
  • the various technical and economic advantages of the heat exchanger according to the invention result from the above. Apart from the fact that the heat exchanger can be described as completely corrosion-resistant for all heat carriers, its production is particularly efficient. Compared to the known heat exchangers mentioned at the outset, a cost saving of 30 to 50% can be expected depending on the number of pieces.

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Abstract

Der Lamellenblock, bestehend aus Lamellen (1) und Registerrohren (2), ist mit Kollektoren verbunden, die aus Kunststoffmodulen (3) aufgebaut sind. Auf die Enden der Registerrohre (2) sind Kunststoffbüchsen (7) dicht aufgesetzt, die mit der einen Wandung des Kollektormoduls (3) verschweisst sind. Es entsteht damit eine dichte, korrosionsbeständige Verbindung zwischen Registerrohren (2) und Kollektoren. Die Herstellung des Wärmetauschers ist besonders wirtschaftlich, weil die Verbindung der Registerrohre (2) mit den Kollektoren durch Verschweissung von Kunststoffteilen erfolgen kann, was nicht nur eine schnelle, dichte Verbindung, sondern auch einen gewissen Toleranzausgleich erlaubt. Der Aufbau der Kollektoren aus einzelnen, vorfabrizierten Modulen (3) erlaubt eine schnelle, rationelle Herstellung beliebig dimensionierter Wärmetauscher.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Klimaanlagen, Kühlanlagen, Wärmerückgewinnung und dergleichen, mit zwischen Kollektoren angeordneten, mit Lamellen besetzten Registerrohren. Herkömmliche Wärme­tauscher dieser Art bestehen meistens vollständig aus Metall, wobei die Registerrohre mit Metallkollektoren rechteckigen Querschnitts verschweisst sind. Diese Wärmetauscher weisen verschiedene Nachteile auf. Die Korrosionsbeständigkeit ist mangelhaft, die Verschwei­ssung der einzelnen Registerrohre mit den Kollektoren ist aufwendig, und eine genügende Zugänglichkeit zu den Schweissstellen bedingt, dass die äussersten, den Kollektoren benachbarten Lamellen einen Abstand von mindestens etwa 20 mm von den Kollektoren aufweisen müssen, was wiederum zur Folgen hat, dass eine seitliche Abdeckung angebracht werden muss, damit kein by-pass entsteht. Die Zugänglichkeit zu den Schweissstellen bedingt im übrigen, dass man nur Lamellenpakete von höchstens etwa 40 mm Breite verwenden kann. Es müssen stets kundenbezogene, den besonderen Anforderungen entsprechende Einzelteile hergestellt werden.
  • Es ist zwar auch bekannt, Kollektoren aus Kunststoff zu verwenden und dieselben mit den Registerrohren direkt zu verschweissen und/oder zu verkleben (FR-A-2 587 468). Die Technik des Verschweissens oder Verklebens mit Kunststoffkollektoren unterscheidet sich grundsätzlich vom herkömmlichen Verschweissen mit Metallkollektoren, wodurch nicht nur der Vorgang der Verbindung zwischen den Registerrohren und den Kollektoren wesentlich vereinfacht und abgekürzt wird, sondern womit auch die Wärmetauscherlamellen wesentlich näher an den Kollek­toren angeordnet werden können, nämlich in einer Distanz, die etwa dem gegenseitigen Abstand zwischen benachbarten Lamellen entspricht bzw. etwa 5 mm beträgt.
  • Damit wird es auch unnötig, besondere seitliche Ab­deckungen anzubringen, um den erwähnten by-pass zu vermeiden. Diese Art der Verbindung zwischen den Re­gisterrohren und den Kollektoren erlaubt die Verwendung wesentlich grösserer Lamellen, derart dass der ganze Wärmetauscher aus einem einzigen Lamellenpaket besteht, wobei jede Lamelle von allen vorhandenen Registerrohren durchsetzt ist.
  • Die Verbindung zwischen metallischen Registerrohren und Kollektoren aus Kunststoff bietet jedoch erhebliche Schwierigkeiten. Ziel vorliegender Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten vorteilhaft zu meistern. Die Lösung ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben. Das gegenseitige Verbinden, vorzugsweise Verschweissen, von Kunststoffbüchsen und Kollektoren stellt einen einfa­chen, rasch auszuführenden Vorgang dar. Eine gegensei­tige Verschweissung dieser Teile erlaubt zugleich einen gewissen Toleranzausgleich, indem gewisse Abweichungen in den gegenseitigen Distanzen der Registerrohre von den gegenseitigen Distanzen der die Registerrohre aufnehmen­den Löcher der Kollektoren bei der Verschweissung automatisch ausgeglichen werden. Die erwähnten Kunst­stoffbüchsen werden vorzugsweise mit Pressitz bzw. mit Vorspannung auf Metallbüchsen aufgesetzt, die ihrerseits mit den Enden der Registerrohre dicht verklebt sind. Damit kann wirksam der Gefahr begegnet werden, dass die Verbindung zwischen dem Kunststoff und dem Metall infolge des wesentlich höheren Wärmedehnungskoeffizien­ten des Kunststoffes bei starken Temperaturunterschieden reisst.
  • Die Erfindung betrifft auch einen vorteilhaften Aufbau des Wärmetauschers, bei welchem die Kollektoren aus block­förmigen Modulen aufgebaut sind. Diese blockförmigen Module, die mit Vorteil aus Kunststoff bestehen, können in grösserer Auswahl vorfabriziert werden und dienen dann zum raschen Aufbau von Wärmetauschern verschieden­ster Abmessungen durch einfaches Verschweissen geeigne­ter Module mit dem vorbereiteten Block aus Lamellen und Registerrohren. Diese Module können so beschaffen sein, dass jedes nur der einmaligen Umlenkung des Wärmeträgers dient, derart dass die Module frei sind von inneren Abschottungen. Damit ist ein weiterer wesentlicher Nachteil bekannter Ausführungen behoben, bei welchen nämlich in den Kollektoren Abschottungen zur Bildung getrennter Umlenkräume für den Wärmeträger erforderlich waren.
  • Die Erfindung betrifft schliesslich ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers gemäss Anspruch 9. Auf die besonderen Vorteile dieses Vorgehens ist bereits hingewiesen worden.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung mehr oder weniger schematisch dargestellten Ausführungs­beispiels näher erläutert.
    • Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch den Wärmetauscher und
    • Fig. 2 zeigt den Aufbau der Kollektoren aus einzelnen Modulen.
  • Der dargestellte Wärmetauscher weist ein Paket von Lamellen 1 auf, welches Paket von einer Anzahl von Registerrohren 2 durchsetzt ist, von welchen in Fig. 1 nur zwei dargestellt sind. Die Registerrohre sind dicht mit Kollektoren 3 aus Kunststoff verbunden, wobei in Fig. 1 nur ein Modul eines Kollektors dargestellt ist. Das Kollektormodul ist mit einem Anschlussstutzen 4 versehen, welcher mit einer Vor- oder Rückleitung 5 verbunden ist. Auf die aus dem Lamellenpaket 1 vorste­henden Enden der Registerrohre 2, die aus Metall, bei­ spielsweise rostfreiem Stahl oder Kupfer bestehen, sind Stahlbüchsen 6 dicht aufgeklebt. Auf jede Stahlbüchse 6 ist eine Kunststoffbüchse 7 mit Pressitz bzw. mit Zug­vorspannung aufgezogen. Die Montage kann beispielsweise so erfolgen, dass die Kunststoffbüchsen stark erhitzt werden, so dass sie mindestens innen Schweisstemperatur aufweisen. In diesem Zustand werden sie auf die Stahl­büchsen 6 aufgezogen und verbinden sich dabei mit denselben flüssigkeitsdicht und mit der erforderlichen Vorspannung. Die Büchsen 6 und 7 können so genau herge­stellt werden, dass die erforderliche Vorspannung und Dichtheit stets gewährleistet ist. Toleranzunterschiede der Registerrohre 2 gleicht die Verklebung zwischen diesen und den Stahlbüchsen 6 aus. Die erwähnte Vorspan­nung ist von wesentlicher Bedeutung zur Vermeidung von Rissen zwischen Kunststoff und Metall infolge des erheblich höheren Wärmedehnungskoeffizienten des Kunst­stoffes verglichen mit demjenigen von Metall. Die Verbindung der mit den Kunststoffbüchsen 7 versehe­nen Registerrohre 2 mit den Kollektormodulen 3 ist sodann sehr einfach, indem die zur Aufnahme der Regi­sterrohre vorgesehenen Löcher 8 der Kollektormodule und die Kunststoffhülsen 7 soweit erhitzt werden, dass sich die Kunststoffhülsen 7 beim Einführen in die Löcher 8 mit der Wandung des Kollektormoduls 3 verschweissen. Dabei können auch gewisse Toleranzen aufgenommen werden, d.h. wenn die Achse des Registerrohres 2 bzw. der darauf aufgesetzten Kunststoffbüchse 7 nicht genau mit der Achse des zugeordneten Loches 8 des Kollektormoduls übereinstimmt, wird diese Abweichung beim Verschweissen der Kunststoffbüchse 7 mit der Innenwandung des Kollek­tormoduls 3 automatisch ausgeglichen.
  • Die Kunststoffkollektoren 3 können aus Spritzgussteilen aufgebaut sein, oder aber U-förmige vorgefertigte Profile können an der einen Seite mit einer Abschluss­wand und an den Enden mit Deckeln und gegebenenfalls mit Anschlussstutzen 4 verklebt werden. Die letztgenannte Ausführung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Kollektoren werden vorzugsweise aus einzelnen Modulen gemäss Fig. 2 aufgebaut. Diese Module können weitgehend normierte, vorgefertigte Teile sein, die dann in vielen beliebigen Kombinationen mit Lamellenpaketen verbunden werden können. Fig. 2 zeigt ein Beispiel, wie solche Module ausgeführt sein und zu Kollektorsystemen vereinigt werden können. Fig. 2 zeigt zwei Anschlussmodule 3 gemäss Fig. 1 mit je zwei Löchern für Registerrohre 2. Um die Fig. 2 nicht unübersichtlich werden zu lassen, sind Registerrohre 2 nur in einer Vertikalebene darge­stellt. Durch Pfeile ist in Fig. 2 angedeutet, in welcher Richtung ein Wärmeträger die Kollektormodule und die Registerrohre durchfliessen kann, wobei je zwei übereinanderliegende Registerrohre parallelgeschaltet sind. Zur horizontalen Umlenkung des Wärmeträgers sind breitere Module 9 mit je zwei Anschlüssen für Register­rohre in zwei Ebenen vorgesehen, und die übrigen Module 10 sind mit vier vertikal übereinanderliegenden An­schlüssen zur vertikalen Umlenkung des Wärmeträgers ausgeführt. Natürlich können die Module mit mehr als je zwei bzw. je vier Anschlüssen für Registerrohre 2 ausgeführt werden, je nach Schaltung der Wärmetauschers. Die einfachen Umlenkungs- oder Passmodule 3 können hierbei 2 bis 20, die doppelten Umlenkungs- oder Pass­module 9 ebenfalls 2 bis 20 Anschlüsse für Registerrohre aufweisen. Diese Module können vorfabriziert am Lager gehalten und bei Bedarf mit praktisch beliebig dimensio­nierten und geschalteten Lamellenpaketen verbunden werden, wie oben beschrieben. Dabei wird vorzugsweise ein gruppenweises Verschweissen von Registerrohren bzw. Kunststoffbüchsen 7 mit je einem Modul erfolgen. Ein erheblicher Vorteil besteht hierbei darin, dass das Lamellenpaket mit den Registerrohren als starre Einheit aufgebaut ist, mit welcher die einzelnen Module 3, 9 und 10 verschweisst werden können, ohne dass diese Module unter sich mechanisch verbunden sein müssen.
  • Aus dem Vorstehenden ergeben sich die verschiedenen technischen und wirtschaftlichen Vorteile des erfin­dungsgemässen Wärmetauschers. Abgesehen davon dass der Wärmetauscher als völlig korrosionsbeständig für alle vorkommenden Wärmeträger bezeichnet werden kann, ist seine Herstellung besonders rationell. Gegenüber den eingangs erwähnten bekannten Wärmetauschern kann mit einer Kosteneinsparung von 30 bis 50% je nach Stückzahl gerechnet werden.

Claims (10)

1. Wärmetauscher für Klimaanlagen, Kühlanlagen, Wärme­rückgewinnung und dergleichen, mit zwischen Kollektoren (3, 9, 10) angeordneten, mit Lamellen (1) besetzten Registerrohren (2), wobei die Kollektoren (3, 9, 10) aus Kunststoff bestehen und mit den Registerrohren (2) dicht verschweisst und/oder verklebt sind, dadurch gekenn­zeichnet, dass mit den Enden der Registerrohre (2) je eine Metallbüchse (6) verbunden ist, die in einer mit dem Kollektor (3, 9, 10) verschweissten Kunststoffbüchse (7) befestigt ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, dass die Kunststoffbüchse (7) und die Metallbüchse (6) mit Pressitz bzw. Vorspannung verbunden sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Registerrohre (2) aus rost­freiem Stahl und die Metallbüchsen (6) aus Stahl bestehen.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Büchsen (6, 7) unter sich verschweisst bzw. mit den Registerrohren verklebt sind.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Kollektoren (3, 9, 10) und den äussersten, den Kollek­toren benachbarten Lamellen (1) der Grössenordnung des Abstandes der Lamellen (1) unter sich entspricht oder etwa 5 mm beträgt.
6. Wärmetauscher, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, dass die Kollektoren aus blockförmigen Modulen (3, 9, 10) aufgebaut sind.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­net, dass die Module (3, 9, 10) frei sind von inneren Abschottungen.
8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Lamellen (1) solcher Abmessungen vorhanden sind, dass jede Lamelle von allen Registerrohren (2) durchsetzt wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (1) mit den Registerrohren (2) verbunden werden, dass auf die Enden der Registerrohre Kunststoff­büchsen (7) aufgezogen werden, dass Kunststoffkollekto­ren (3, 9, 10) mit Löchern (8) zur Aufnahme der Regi­sterrohre (2) vorbereitet werden, worauf nach Erhitzung der Kunststoffbüchsen (7) und Lochwandungen der Kollek­toren auf Schweisstemperatur die Registerrohre bzw. Kunststoffbüchsen in die Löcher eingeführt und darin verschweisst werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einführen und Verschweissen gruppenweise erfolgt, z.B. durch gruppenweises Verschweissen von Registerrohren (2) bzw. Kunststoffbüchsen (7) mit je einem von mehreren die Kollektoren bildenden Modulen (3, 9, 10).
EP89810824A 1988-11-09 1989-11-01 Wärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung Withdrawn EP0373102A3 (de)

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CH4160/88 1988-11-09
CH416088 1988-11-09

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EP0373102A3 (de) 1990-08-08

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