DE10001974A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bestehend aus einem Kühlnetz (K) mit Flachrohren (5) und Lamellen (6), aus zwei gegenüberliegenden Rohrböden (4) mit Öffnungen zur Aufnahme der Enden der Flachrohre (5), aus Sammelkästen (2, 3), die an den Rohrböden (4) befestigt sind und Anschlüsse für den Ein- und Austritt des durch die Flachrohre strömenden Mediums aufweisen, sowie aus Basis mit Höhe (h) und Schenkel aufweisenden U-förmigen Verstärkungen der Rohrböden (4), die an der zum Kühlnetz (K) weisenden Seite der Rohrböden (4) zwischen den Reihen (R) der Flachrohre (5) angeordnet und mit den Rohrböden (4) und den Längsseiten der Flachrohre (5) verbunden sind. Um die Festigkeitseigenschaften des Wärmetauschers zu verbessern ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Wanddicke (d1) der zum Kühlnetz (K) weisenden Schenkel (s) der Verstärkerprofile (v) in Richtung des Kühlnetzes (K) abnimmt und am Ende (e) etwa im Bereich von 0,8 bis 1,3 der Wanddicke (d2) der Flachrohre (5) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bestehend aus einem Kühlnetz mit Flachrohren und Lamellen, aus zwei gegenüberliegenden Rohrböden mit Öffnungen zur Aufnahme der Enden der Flachrohre, aus Sammelkästen, die an den Rohrböden befestigt sind und Anschlüsse für den Ein- und Austritt des durch die Flachrohre strömenden Mediums aufweisen, sowie aus Basis mit Schen­ keln bestehenden U-förmigen Verstärkungen der Rohrböden, die an der zum Kühlnetz weisenden Seite der Rohrböden zwischen den Reihen der Flachrohre angeordnet und mit den Rohrböden und den Längsseiten der Flachrohre verbunden sind.

Dieser Wärmetauscher ist aus der britischen Patentschrift Nr. 622,421 bekannt. Die Verstärkungen haben die Aufgabe, die Verbindung zwischen dem Rohrboden und den Enden der Flachrohre, die extremen Beanspruchungen unterliegt, dauerhafter zu gestalten. In dem genannten Dokument ist die Verstärkung als Platte, in der Art eines doppelten Rohrbodens, ausgebildet. Obwohl eine relativ große Kontakt- oder Verbindungsfläche zwischen der Verstärkungsplatte und den Längsseiten der einzelnen Flachrohre vorgesehen wurde, indem die Verstärkungsplatte mit U-förmigen Abkantun­ gen versehen wurde, hat es sich herausgestellt, daß bei extremen Beanspruchungen wie Vibratio­ nen, Stoßbelastungen und Temperaturwechsel, nach wie vor Brüche an den Flachrohren auftreten, und zwar dort, wo sich der Übergang zwischen der Wandung der Flachrohre und dem Ende der U- förmigen Abkantungen befindet. Solche Brüche führen zum Totalschaden des Wärmetauschers und sollten vermieden werden.

Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Veröffentlichungen, in denen versucht wird, das ange­ sprochene Festigkeitsproblem zu lösen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Wärmetauscher mit höheren Festigkeitseigenschaften zu versehen.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß die Wanddicke der zum Kühlnetz weisenden Schen­ kel der Verstärkungsprofile in Richtung des Kühlnetzes abnimmt und am Ende etwa im Bereich von 0,8 bis 1,3 der Wanddicke der Flachrohre ist.

Die Wanddicke der Flachrohre der Wärmetauscher der hier angesprochenen Art liegt etwa im Be­ reich von 0,15 bis 0,8 mm. Bei extrem geringen Wanddicken der Flachrohre liegt die Dicke der En­ den der Schenkel eher an der oberen Grenze des angegebenen Bereiches und umgekehrt, bei größeren Wanddicken der Flachrohre an der unteren Grenze.

Es hat sich in zahlreichen Versuchen erwiesen, daß bei so ausgebildeten Wärmetauschern die Festigkeit der Verbindung, hauptsächlich gegenüber mechanischer Beanspruchung, wesentlich erhöht worden ist. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß sich die Verstärkung in der Verbindung zwischen den flach auslaufenden Schenkeln und den Flachrohren sehr elastisch verhält. Abrupte Übergänge zu den Flachrohren werden konsequent vermieden, so daß die durch Kerbwirkung im Stand der Technik hervorgerufene geringere Belastungsfähigkeit ausgeschaltet wurde. In Vibration­ stests wurde festgestellt, daß sich die Zahl der ertragbaren Schwingspiele im Vergleich zum Stand der Technik verdoppelt hat. Der durch die Verstärkungsprofile hervorgerufene zusätzliche Mate­ rialeinsatz kann durch Reduzierung der Wanddicke des Rohrbodens aufgehoben werden. Außer­ dem konnte durch die erfindungsgemäße Lösung die Reibkorrosion, die sich beim Stand der Tech­ nik am Übergang der Schenkel zu den Flachrohren ausbildet, wesentlich reduziert werden. Die Reibkorrosion hat ihre Ursachen in der durch Temperaturwechsel hervorgerufenen Zug-Druckspannungen infolge der behinderten Rohrdehnung, die beim Stand der Technik wegen der vorhan­ denen Dickenunterschiede zwischen Schenkel und Rohrwandung ein nicht zu vernachlässigender Faktor ist.

In Weiterbildung der erfinderischen Lösung sind die Verstärkungsprofile mittels Strangpreß­ verfahren hergestellt. Dieses Verfahren gestattet die kostengünstige Herstellung und läßt auch die Ausbildung des recht spitzwinkligen Auslaufs der Enden der Schenkel zu. Die Verstärkungsprofile können auf entsprechende Länge geschnitten und als Einzelteile zwischen den Reihen der Flach­ rohre eingesetzt werden. Es ist nicht erforderlich, sämtliche Rohrreihen des Wärmetauschers mit einzelnen Verstärkungsprofilen auszustatten, weil die Gefahr von Rohrbrüchen auf die am stärksten belasteten Rohrreihen an den Enden der Rohrböden beschränkt bleibt. Demzufolge ist es ausrei­ chend, wenn nur zwischen wenigen äußeren Rohrreihen solche Verstärkungsprofile eingesetzt werden.

Um die Zahl der Einzelteile zu reduzieren, ist alternativ vorgesehen, daß die Verstärkungsprofile zu kammartigen Gebilden zusammengefaßt werden, wobei an einem Rohrboden zwei solche kamm­ artigen Gebilde vorhanden sind. Je ein solches Gebilde wird von den gegenüberliegenden Längs­ seiten des Rohrbodens aus zwischen den Rohrreihen eingesetzt, wobei die kammartigen Gebilde vorzugsweise so ausgeführt sind, daß sie die Verstärkungsprofile für jede zweite Rohrreihe aufwei­ sen, bzw. daß benachbarte Rohrreihen jeweils Verstärkungsprofile aufweisen, die zu gegenüberlie­ genden Gebilden gehören. Solche kammartigen Gebilde werden vorzugsweise mittels Fließpreß­ verfahren hergestellt, das gleichfalls den spitzwinkligen Auslauf der Enden der Schenkel ermöglicht. Auch bei Einsatz von kammartigen Gebilden ist es möglich, diese nur für die äußeren Rohrreihen zu verwenden.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen nachfolgend erläutert.

Die Fig. 1 zeigt die Frontansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht auf den Rohrboden vom Kühlnetz aus gesehen. (ohne Wellrippen)

Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch Fig. 2

Die Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3

Die Fig. 5 zeigt die Einzelheit "x" aus Fig. 4.

Obwohl die erfindungsgemäßen Wirkungen auch bei einem vollständig aus Aluminium bestehenden Wärmetauscher auftreten, ist der Wärmetauscher des Ausführungsbeispiels ein aus Buntmetall bestehender Wasserkühler 1 für Baumaschinen. Solche Wasserkühler 1 sind unter rauhen Einsatz­ bedingungen extremen Beanspruchungen, wie Schwingungen, Temperaturwechsel und Vibrationen oder Stoßbelastungen ausgesetzt. Sie bestehen wie gewöhnlich aus gegenüberliegenden Wasser­ kästen 2, 3 mit einem Eintritt 7 für die Kühlflüssigkeit an einem Wasserkasten 2 und einem Austritt 8 am anderen Wasserkasten 3. Die Wasserkästen 2, 3 sind mittels nicht dargestellter Schraubverbin­ dung mit den Rohrböden 4 flüssigkeitsdicht verbunden. In den Rohrböden 4 sind Reihen von Öff­ nungen vorgesehen, die die Enden der Flachrohre 5 aufnehmen, um darin ebenfalls flüssigkeits­ dicht verbunden zu sein. Somit kann die Kühlflüssigkeit bei 7 in den oberen Wasserkasten 2 ein­ strömen, sich auf die Flachrohre 5 verteilen, zum gegenüberliegenden Wasserkasten 3 strömen, um bei 8 in den nicht dargestellten Kreislauf zurückzuströmen. Zwischen den Flachrohren 5 befinden sich Wellrippen 6 oder dergleichen, die mit den Flachrohren 5 das Kühlnetz K bilden, in dem der Wärmeaustausch mit Kühlluft stattfindet.

Der in Fig. 1 obere und untere Rohrboden 4 ist mit einem kammartigen Gebilde versehen worden, von dem der Kammrücken 9 und die Verstärkungsprofile v zu erkennen sind, die zwischen den Flachrohrreihen R (Fig. 2) angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind an einem Rohrbo­ den 4 jeweils zwei kammartige Gebilde für den gesamten Rohrboden 4 angeordnet und zwar so, daß der Kammrücken 9 des einen kammartigen Gebildes sich über den einen Längsrand des Rohrbodens 4 erstreckt und der Kammrücken 9 des anderen kammartigen Gebildes am gegen­ überliegenden anderen Längsrand des Rohrbodens 4 zur Anlage kommt. Jede zweite Rohrreihe R nimmt ein Verstärkungsprofil v des einen kammartigen Gebildes auf. In den benachbarten Rohrrei­ hen R befinden sich demzufolge Verstärkungsprofile v des jeweils anderen Gebildes. Die Gebilde werden zwischen den Rohrreihen R eingeklemmt und behalten ihre Position bis zum Abschluß des Lötprozesses bei, ohne daß zusätzliche Maßnahmen getroffen werden müssen. Das alles zeigt die Fig. 2. Jedes Verstärkungsprofil v ist mit seinen beiden Schenkeln s mit den Längsseiten des je­ weils benachbarten Flachrohres 5 mittels Löten verbunden. Außerdem ist die dem Abstand B ent­ sprechende Basis der Verstärkungsprofile v ebenfalls mit dem Rohrboden 4 verbunden, was am besten aus Fig. 4 entnommen werden kann. Selbstverständlich ist auch der Kammrücken 9 mit dem Rohrboden 4 verbunden, was aber keine Bedingung ist. Die Höhe h der Basis des Verstärkungs­ profiles v soll vorzugsweise nicht mehr als 2 mm betragen, um die Elastizität des Versteifungspro­ files v zu erhalten. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 beträgt die Wanddicke d1 an der Basis 20% des Abstandes B zwischen den Flachrohren 5, gemessen vom Schnittpunkt der Verlängerung der Höhe h mit der Innenseite des Schenkels s. Um scharfe Übergänge im Basisbereich zu vermeiden, wurde eine parabelartige Ausformung vorgesehen. Die Wanddicke d1 nimmt bis zum Ende e der Schenkel s kontinuierlich ab und ist am Ende e im gezeigten Ausführungsbeispiel gleich der Wand­ dicke d2 der Flachrohre 5, die hier 0,2 mm beträgt. Die Schenkellänge l ist geringfügig größer als der Abstand B zwischen den Flachrohren 5. Günstig ist, wenn die Schenkellänge l zwischen 0,9 bis 1,2 mal Abstand B gewählt wird. Kürzere Schenkellängen l reduzieren die Elastizität und längere Schenkellängen l bringen im Verhältnis zum erforderlichen zusätzlichen Werkstoffeinsatz keine entsprechenden wirkungsmäßigen Vorteile.

Aus dem Schnitt in Fig. 5, die eine nochmals vergrößerte Darstellung der Verbindung zwischen Schenkel s und Rohrwandung d2 zeigt, geht hervor, daß eine Lotschicht 10 zwischen dem Schen­ kel s und der Wandung d2 des Flachrohres 5 ausgebildet ist. Am Ende e des Schenkels s bildet sich eine Lotkehle 11 aus, die einen Beitrag zu den Festigkeitseigenschaften leistet, weil sie beide Ränder des Endes e einschließt. Es versteht sich, daß der Lötspalt 10 über der gesamten Verbin­ dungsfläche zwischen Verstärkungsprofil v, der Rohrwandung d2 und dem Rohrboden 4 ausgebil­ det ist.

Claims (5)

1. Wärmetauscher, bestehend aus einem Kühlnetz (K) mit Flachrohren (5) und Lamellen (6), aus zwei gegenüberliegenden Rohrböden (4) mit Öffnungen zur Aufnahme der Enden der Flachrohre (5), aus Sammelkästen (2, 3), die an den Rohrböden (4) befestigt sind und Anschlüsse für den Ein- und Austritt des durch die Flachrohre strömenden Mediums aufweisen, sowie aus Basis mit Höhe (h) und Schenkel aufweisenden U-förmigen Verstärkungen der Rohrböden (4), die an der zum Kühlnetz (K) weisenden Seite der Rohrböden (4) zwischen den Reihen (R) der Flachrohre (5) an­ geordnet und mit den Rohrböden (4) und den Längsseiten der Flachrohre (5) verbunden sind, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wanddicke (d1) der zum Kühlnetz (K) weisenden Schenkel (s) der Verstärkungsprofile (v) in Richtung des Kühlnetzes (K) abnimmt und am Ende (e) etwa im Bereich von 0,8 bis 1,3 der Wand­ dicke (d2) der Flachrohre (5) ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke (d1) der Schen­ kel (s) gemessen vom Schnittpunkt der Höhe (h) der Basis mit der Verlängerung der Innenseite der Schenkel (s) etwa das 0,15-0,25-fache des Abstandes (B) zwischen den Flachrohrreihen (R) be­ trägt und die Innenseite der Basis parabelartig ausgeformt ist.

3. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkellän­ ge (l) etwa im Bereich zwischen 0,9 und 1,2 mal Abstand (B) liegt.

4. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsprofile (v) mittels Strangpreßverfahren hergestellte Einzelteile sind oder mittels Fließ­ preßverfahren hergestellte kammartige Gebilde mit einem Kammrücken (9) und daß zumindest ein Teil der Flachrohrreihen (R) mit Verstärkungsprofilen (v) ausgestattet ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise jeweils zwei kammartige Gebilde zumindest über einen Teil des Rohrbodens (4) derart angeordnet sind, daß sich der Kammrücken (9) des einen Gebildes entlang der einen Längskante des Rohrbo­ dens (4) erstreckt und der Kammrücken (9) des anderen Gebildes an der anderen Längskante des Rohrbodens (4) angeordnet ist und jedes Gebilde die Verstärkungsprofile (v) für die übernächste Rohrreihe (R) aufweist.