EP1757890A2 - Wärmeübertrager in Aluminiumbauweise, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Wärmeübertrager in Aluminiumbauweise, insbesondere für Kraftfahrzeuge Download PDF

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EP1757890A2
EP1757890A2 EP20060015536 EP06015536A EP1757890A2 EP 1757890 A2 EP1757890 A2 EP 1757890A2 EP 20060015536 EP20060015536 EP 20060015536 EP 06015536 A EP06015536 A EP 06015536A EP 1757890 A2 EP1757890 A2 EP 1757890A2
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
frame part
exchanger according
block
head piece
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Withdrawn
Application number
EP20060015536
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English (en)
French (fr)
Inventor
Scott Horoho
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F28D1/05366—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type 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
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/04—Tubular elements of cross-section which is non-circular polygonal, e.g. rectangular
    • F28F1/045—Tubular elements of cross-section which is non-circular polygonal, e.g. rectangular with assemblies of stacked elements
    • 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
    • F28F9/0219—Arrangements for sealing end plates into casing or header box; Header box sub-elements
    • F28F9/0221—Header boxes or end plates formed by stacked elements

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger in aluminum construction, especially for motor vehicles according to the preamble of claim 1 - known by the DE-A 195 43 986 the applicant.
  • an all-metal heat exchanger which consists exclusively of aluminum parts, which are soldered together in a brazing furnace, in particular in one operation to a finished heat exchanger.
  • Parts of the heat exchanger are flat tubes which are widened at the end and have approximately rectangular tube ends, and corrugated ribs. Together with the corrugated ribs, the tubes form a block in which the expanded pipe ends lie with their longitudinal sides against one another.
  • the tube / rib block thus formed has on both sides (instead of the conventional tube bottom) on a head piece, via which a consisting of a U-profile collection box is placed, which is each end-closed by side panels.
  • a collection box is thus basically composed of three parts, an elongated U-profile and two cover profiles closing the end faces, which are partially integrated into the side parts of the heat exchanger. The preparation of the parts for the soldering requires relatively much effort, so that all parts immediately sealed are soldered together, such. As the collection box with the head of the block.
  • Such heat exchanger in Ganzaluminiumbauweise be used as a coolant / air cooler and charge air / air cooler for motor vehicles. With intercoolers, higher pressures prevail, so that higher demands are placed on the strength of such a heat exchanger.
  • the collecting box the so-called air box
  • the collecting box is highly stressed by the internal pressure of the compressed charge air, so that a reinforcement of the material or a ribbing to increase the internal pressure resistance are necessary.
  • a ribbing can be displayed only with increased effort. In this respect, the possible applications of the known construction are limited in terms of higher internal pressures.
  • the collection boxes are designed as castings and connected via a respective frame part with the head pieces of the tube / rib block, wherein the collecting box welded to the frame part and the frame part is soldered to the head piece.
  • the frame part which piece the head or its connection surfaces fully encloses, thus acts as a link between the collection box and tube / rib block, which is soldered according to the prior art. Since the casting can not be soldered easily, the frame part is provided according to the invention, with which the casting box can be welded.
  • the frame member may be a sheet metal strip placed around the header, or even a closed aluminum rectangular frame which is both solderable and weldable.
  • This erfindunbe construction achieves the advantage that the collecting box is made of cast iron and thus the benefits of a casting can be used in full for the heat exchanger.
  • These include on the one hand the possibility of stiffening the collecting tank by ribs to absorb increased internal pressure, and on the other hand the possibility that the end walls and the longitudinal walls, ie the entire collection box are produced in one piece.
  • Lid profiles, which - as in the prior art - are soldered into U-profiles, omitted in cast boxes.
  • the heat exchanger according to the invention with cast iron box can thus be used in particular as a charge air cooler, even for higher pressures.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a portion of a tube / rib block 1 of a heat exchanger, not fully shown, wherein the tube / rib block 1 of flat tubes 2 and arranged between them corrugated fins 3 is constructed.
  • the flat tubes 2 have flared tube ends 4 with a rectangular cross-section 5, which is delimited by two longitudinal sides 5a, 5b and two narrow sides 5c, 5d.
  • Tubes 2 and ribs 3 are made of aluminum materials and are soldered together, whereby the longitudinal sides 5a, 5b of the pipe ends 4 are soldered together, so that a conventional tube sheet can be omitted.
  • the pipe ends 4 together form a head piece 6, which has two parallel connection surfaces 7, which are formed by adjoining narrow surfaces 5c, 5d of the widened pipe ends 4.
  • the head piece 6 is further by two opposite longitudinal sides 5a, 5b limited and has a circumferential upper edge 8.
  • the head piece 6 is completely enclosed by a closed frame part 9 - but only the right part of the frame part 9 is shown in the drawing, while the left part of the head piece 6 is shown without frame part.
  • a collecting box 10 is slipped, which surrounds the frame part 9 full circumference.
  • the frame part 9 which may be formed as an aluminum sheet strip or as a closed aluminum press, lies with its inner surfaces on the connection surfaces 7, the longitudinal sides of the block 1, and the outer longitudinal sides 5a, 5b of the rectangular cross-section 4, the narrow sides of the block 1, and is soldered to these. It thus replaces a conventional tube sheet.
  • the upper part of the frame part 9 is slightly beyond the upper edge 8 of the head piece 6 and is overlapped by the edge portion 10a of the header tank 10, so that the edge portion 10a with the frame part 9 is welded.
  • the collecting box 10 is formed as an aluminum casting, thus is also closed end side and can - which is not shown in the drawing - also be provided with any ribs to increase the internal pressure resistance. Since cast aluminum can not be soldered to the flat tube ends, the edge region 10a of the collecting box 10 is welded to the frame part 9, which in turn is soldered to the flat tube ends 4.
  • Fig. 2 shows a corner region of the block 1 in section, wherein the longitudinal sides 5a, 5b of the pipe ends are cut and the narrow sides 5d are parallel to the cutting plane.
  • the rib block 1 is closed to the outside by a side part 11 which rests against the outer longitudinal side 5 a of the pipe end 4 of the outermost tube 2 and is flush with the upper edge 8 of the head piece 6.
  • the side part 11 is enclosed in its uppermost region by the frame part 9, which has a height h.
  • the upper part of the frame part 9 is overlapped by the edge region 10a of the header tank 10, the edge 10a welded to the frame part 9, while the frame part 9 is soldered to the side part and the side part 11 to the block 1.
  • Fig. 3 shows a cross section through the block 1, in which case the narrow sides of the pipe ends 4 are cut.
  • the figure shows two embodiments, shown on the right and the left half of the pipe end 4.
  • the solution shown in the drawing on the right corresponds to Figure 1, wherein the frame part 9 is formed as a circumferential strip and is overlapped on the outside of the edge portion 10a of the collecting tank 10.
  • the edge region 10a is tightly welded to the frame part 9 by a circumferential fillet weld 11.
  • the left half of the drawing shows a further embodiment with a frame part 13, which in cross section has an angle profile and a circumferential abutment surface 13a, on which the edge region 10b of the collecting tank 10 rests. Both parts, the frame part 13 and the collecting box 10 are connected in the region of their joint by a circumferential weld 14.
  • the heat exchanger with the block 1, not shown completely, has - analogous to the collection box 10 and frame part 9 - a second cast aluminum box, which is connected in the same way with the block 1 at the opposite end.
  • the all-aluminum heat exchanger according to the invention can be used as a coolant / air cooler and preferably as a charge air / air cooler in motor vehicles.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager in Aluminiumbauweise, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem Flachrohre (2) und Rippen (3) aufweisenden Block (1) und auf den Block (1) aufgesetzten Sammelkästen, wobei die Flachrohre (2) rechteckförmig aufgeweitete Rohrenden (4) mit Längs- und Schmalseiten (5a, 5b, 5c, 5d) aufweisen und die Rohrenden (4) mit den Längsseiten (5a, 5b) aneinander liegen und etwa rechteckförmige Kopfstücke (6) mit seitlichen und stimseitigen Anschlussflächen (7, 5a, 5b) bilden.
Es wird vorgeschlagen, dass die Sammelkästen als Aluminiumgussteile (10) ausgebildet und über ein Rahmenteil (9) mit dem Kopfstück (6) verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager in Aluminiumbauweise, insbesondere für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 - bekannt durch die DE-A 195 43 986 der Anmelderin.
  • In der DE-A 195 43 986 der Anmelderin ist ein Ganzmetallwärmeübertrager beschrieben, welcher ausschließlich aus Aluminiumteilen besteht, die miteinander in einem Lötofen, insbesondere in einem Arbeitsgang zu einem fertigen Wärmeübertrager verlötet werden. Teile des Wärmeübertragers sind Flachrohre, die endseitig aufgeweitet sind und etwa rechteckförmige Rohrenden aufweisen, und Wellrippen. Die Rohre bilden mit den Wellrippen zusammen einen Block, bei welchem die aufgeweiteten Rohrenden mit ihren Längsseiten aneinander liegen. Durch diese Bauweise entfällt ein konventioneller Rohrboden mit Durchzügen, welche die Rohrenden aufnehmen. Der so gebildete Rohr/Rippen-Block weist auf beiden Seiten (anstelle des konventionellen Rohrbodens) ein Kopfstück auf, über welches ein aus einem U-Profil bestehender Sammelkasten aufgesetzt wird, der jeweils stimseitig durch Seitenteile verschlossen wird. Diese Bauweise ist ausführlicher in der DE-A 197 22 098 der Anmelderin beschrieben. Ein Sammelkasten setzt sich somit grundsätzlich aus drei Teilen, einem länglichen U-Profil und zwei die Stirnseiten verschließenden Deckelprofilen zusammen, die zum Teil in die Seitenteile des Wärmeübertragers integriert sind. Das Herrichten der Teile für die Lötung erfordert relativ viel Aufwand, damit alle Teile auf Anhieb dicht miteinander verlötet sind, so z. B. der Sammelkasten mit dem Kopfstück des Blockes.
  • Derartige Wärmeübertrager in Ganzaluminiumbauweise werden als Kühlmittel/Luftkühler und Ladeluft/Luftkühler für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Bei Ladeluftkühlern herrschen höhere Drücke, sodass an die Festigkeit eines solchen Wärmeübertragers höhere Anforderungen gestellt werden. Insbesondere der Sammelkasten, der so genannte Luftkasten, wird durch den Innendruck der verdichteten Ladeluft in hohem Maße beansprucht, sodass eine Verstärkung des Materials oder eine Verrippung zur Erhöhung der Innendruckfestigkeit notwendig werden. Bei der bekannten Ganzaluminiumbauweise ist eine Verrippung nur mit erhöhtem Aufwand darstellbar. Insofern sind die Einsatzmöglichkeiten der bekannten Bauweise hinsichtlich höherer Innendrücke begrenzt.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Anwendungsbereich der eingangs genannten Wärmeübertrager, insbesondere unter höheren Drücken zu erweitern.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß sind die Sammelkästen als Gussteile ausgebildet und über je ein Rahmenteil mit den Kopfstücken des Rohr/Rippen-Blockes verbunden, wobei der Sammelkasten mit dem Rahmenteil verschweißt und das Rahmenteil mit dem Kopfstück verlötet ist. Das Rahmenteil, welches das Kopf stück bzw. dessen Anschlussflächen vollumfänglich umschließt, fungiert somit als Bindeglied zwischen Sammelkasten und Rohr/Rippen-Block, der entsprechend dem Stand der Technik gelötet ist. Da sich das Gussteil nicht ohne weiteres verlöten lässt, ist erfindungsgemäß das Rahmenteil vorgesehen, mit welchern der Gusskasten verschweißt werden kann. Das Rahmenteil kann ein um das Kopfstück gelegter Blechstreifen sein, oder auch ein geschlossener Aluminiumrechteckrahmen, der sowohl lötbar als auch schweißbar ist.
  • Durch diese erfindungemäße Bauweise erreicht man den Vorteil, dass der Sammelkasten aus Guss herstellbar ist und damit die Vorteile eines Gussteiles in vollem Umfang für den Wärmeübertrager genutzt werden können. Dazu gehören einerseits die Möglichkeit einer Versteifung des Sammelkastens durch Rippen, um einen erhöhten Innendruck abzufangen, und andererseits die Möglichkeit, dass die Stimwände und die Längswände, d. h. der gesamten Sammelkasten in einem Stück herstellbar sind. Deckelprofile, die - wie beim Stand der Technik - in U-Profile eingelötet werden, entfallen bei Gusskästen. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager mit Gusskasten kann somit insbesondere als Ladeluftkühler, auch für höhere Drücke eingesetzt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1
    eine perspektivische Darstellung eines Rohr/Rippen-Blockes mit teilweise dargestelltem Sammelkasten,
    Fig. 2
    einen Eckausschnitt des Rohr/Rippen-Blockes mit teilweise dargestelltem Sammelkasten und
    Fig. 3
    einen Querschnitt durch die Verbindung von Rohr/Rippen-Block mit dem Sammelkasten.
  • Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Teil eines Rohr/Rippen-Blockes 1 eines nicht vollständig dargestellten Wärmeübertragers, wobei der Rohr/Rippen-Block 1 aus Flachrohren 2 und zwischen diesen angeordneten Wellrippen 3 aufgebaut ist. Die Flachrohre 2 weisen aufgeweitete Rohrenden 4 mit einem rechteckförmigen Querschnitt 5 auf, welcher durch zwei Längsseiten 5a, 5b und zwei Schmalseiten 5c, 5d begrenzt ist. Rohre 2 und Rippen 3 bestehen aus Aluminiumwerkstoffen und sind miteinander verlötet, wobei auch die Längsseiten 5a, 5b der Rohrenden 4 miteinander verlötet sind, sodass ein konventioneller Rohrboden entfallen kann. Die Rohrenden 4 bilden zusammen ein Kopfstück 6, welches zwei parallele Anschlussflächen 7 aufweist, welche durch aneinander anschließende Schmalflächen 5c, 5d der aufgeweiteten Rohrenden 4 gebildet sind. Das Kopfstück 6 wird femer durch zwei sich gegenüberliegende Längsseiten 5a, 5b begrenzt und weist eine umlaufende Oberkante 8 auf. Das Kopfstück 6 ist von einem geschlossenen Rahmenteil 9 vollständig umschlossen - allerdings ist in der Zeichnung nur der rechte Teil des Rahmenteiles 9 gezeigt, während der linke Teil des Kopfstückes 6 ohne Rahmenteil dargestellt ist. Über das Rahmenteil 9 ist ein Sammelkasten 10 gestülpt, welcher das Rahmenteil 9 voll umfänglich umschließt. Das Rahmenteil 9, welches als Aluminiumblechstreifen oder als ein geschlossenes Aluminiumpressteil ausgebildet sein kann, liegt mit seinen Innenflächen an den Anschlussflächen 7, den Längsseiten des Blockes 1, und den äußeren Längsseiten 5a, 5b des Rechteckquerschnittes 4, den Schmalseiten des Blockes 1, an und wird mit diesen verlötet. Es ersetzt somit einen konventionellen Rohrboden. Der obere Teil des Rahmenteils 9 steht etwas über die Oberkante 8 des Kopfstückes 6 hinaus und wird vom Randbereich 10a des Sammelkastens 10 übergriffen, sodass der Randbereich 10a mit dem Rahmenteil 9 verschweißbar ist. Der Sammelkasten 10 ist als Aluminiumgussteil ausgebildet, ist somit auch stimseitig geschlossen und kann - was in der Zeichnung nicht dargestellt ist - auch beliebig mit Rippen zur Erhöhung der Innendruckfestigkeit versehen sein. Da Aluminiumguss nicht mit den Flachrohrenden verlötbar ist, wird der Randbereich 10a des Sammelkastens 10 mit dem Rahmenteil 9 verschweißt, welches seinerseits mit den Flachrohrenden 4 verlötet wird.
  • Fig. 2 zeigt einen Eckbereich des Blockes 1 im Schnitt, wobei die Längsseiten 5a, 5b der Rohrenden geschnitten sind und die Schmalseiten 5d parallel zur Schnittebene liegen. Der Rippenblock 1 wird nach außen durch ein Seitenteil 11 abgeschlossen, welches an der äußeren Längsseite 5a des Rohrendes 4 des äußersten Rohres 2 anliegt und bündig mit der Oberkante 8 des Kopfstückes 6 abschließt. Das Seitenteil 11 wird in seinem obersten Bereich vom Rahmenteil 9, welches eine Höhe h aufweist, umschlossen. Der obere Teil des Rahmenteiles 9 wird vom Randbereich 10a des Sammelkastens 10 übergriffen, wobei der Rand 10a mit dem Rahmenteil 9 verschweißt, während das Rahmenteil 9 mit dem Seitenteil und das Seitenteil 11 mit dem Block 1 verlötet ist.
  • Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Block 1, wobei hier die Schmalseiten der Rohrenden 4 geschnitten sind. Die Figur zeigt zwei Ausführungsbeispiele, dargestellt auf der rechten und der linken Hälfte des Rohrendes 4. Die in der Zeichnung rechts dargestellte Lösung entspricht Figur 1, wobei das Rahmenteil 9 als umlaufender Streifen ausgebildet ist und vom Randbereich 10a des Sammelkastens 10 außen überlappt wird. Der Randbereich 10a ist mit dem Rahmenteil 9 durch eine umlaufende Kehlnaht 11 dicht verschweißt.
  • Die linke Hälfte der Zeichnung zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Rahmenteil 13, welches im Querschnitt ein Winkelprofil und eine umlaufende Stoßfläche 13a aufweist, auf welcher der Randbereich 10b des Sammelkastens 10 aufliegt. Beide Teile, das Rahmenteil 13 und der Sammelkasten 10 sind im Bereich ihrer Stoßstelle durch eine umlaufende Schweißnaht 14 verbunden.
  • Der vollständig nicht dargestellte Wärmeübertrager mit dem Block 1 weist - analog zum Sammelkasten 10 und Rahmenteil 9 - einen zweiten Aluminiumgusskasten auf, der auf die gleiche Art mit dem Block 1 am entgegengesetzten Ende verbunden wird. Der erfindungsgemäße Ganzaluminium-Wärmeübertrager kann als Kühlmittel/Luft-Kühler und vorzugsweise als Ladeluft/Luft-Kühler in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Claims (6)

  1. Wärmeübertrager in Metall-, insbesondere Aluminiumbauweise, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem Rohre, insbesondere Flachrohre (2) und insbesondere Rippen (3) aufweisenden Block (1) und auf den Block (1) aufgesetzten Sammelkästen, wobei die Rohre (2) rechteckförmig geformte, insbesondere aufgeweitete Rohrenden (4) mit Längs- und Schmalseiten (5a, 5b, 5c, 5d) aufweisen und die Rohrenden (4) mit den Längs- oder Schmalseiten (5a, 5b) aneinander liegen und etwa rechteckförmige Kopfstücke (6) mit seitlichen und stirnseitigen Anschlussflächen (7, 5a, 5b) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelkästen als Metallgussteile (10) ausgebildet und über ein Rahmenteil (9) mit dem Kopfstück (6) verbunden sind.
  2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelkästen (10) mit dem Rahmenteil (9) verschweißt und das Rahmenteil (9) mit dem Kopfstück (6) verlötet ist.
  3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenteil als ein umlaufender Blechstreifen (9) ausgebildet ist, welcher die Anschlussflächen (7, 5a, 5b) umschließt.
  4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfstück (6) eine umlaufende Oberkante (8) und der Blechstreifen (9) eine Höhe h aufweisen und dass der Blechstreifen (9) mit einem Teil seiner Höhe h über die Oberkante (8) übersteht.
  5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkasten (10) einen umlaufenden Rand (10a) aufweist, der mit dem Rahmenteil (9) eine Überlappung bildet.
  6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenteil (9) ein Winkelprofil (13) mit einer abgewinkelten Stoßfläche (13a) aufweist, auf welche der Sammelkasten (10b) aufgesetzt ist.
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