DE19737273A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Derartige Wärmetauscher werden vorzugsweise als Luft/Kühlmittel-Wärmetauscher im Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges verwendet und im allgemeinen als "Kühler" bezeichnet. Ebenso kann ein derartiger Wärmetauscher in einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges als Kondensator verwendet werden. Bei einem solchen, beispiels­ weise aus EP 0 102 715 bekannten Wärmetauscher strömt z. B. ein zu kühlendes Fluid in ein erstes Sammelrohr ein, in dem die Fluidströmung auf mehrere parallel zueinander verlaufende Flachrohre verteilt wird. Die Flachrohre münden in einem zweiten Sammelrohr, in dem sich das aus den Flachrohren austretende Fluid sammelt, bevor es aus dem zweiten Sammelrohr ausströmt. Zwischen den Flach­ rohren sind insbesondere zick-zack-förmig oder wellenförmig ausgebildete Rippen angeordnet und wärmeübertragend mit den Flachrohren verbunden. Die üblicher­ weise in einer Ebene angeordneten Flachrohre sind mit ihren Rippen einer in der Regel senkrecht zu dieser Ebene verlaufenden Luftströmung ausgesetzt, wodurch ein effektiver Wärmeaustausch stattfinden kann.

In einem Kühlmittelkreislauf können hohe Drücke herrschen, insbesondere kann es zu pulsartigen Druckspitzen kommen, die bei Flachrohren, in denen nur eine Kam­ mer für die Durchströmung ausgebildet ist, zu einer Ausbeulung oder Ausbauchung führen. Die üblicherweise verwendeten Flachrohre werden aus Flachmaterial her­ gestellt, das durch entsprechende Biegeverformung ein geschlossenes, rohrförmi­ ges Profil erhält, das durch Verschweißen der aneinanderstoßenden, umgeboge­ nen Längskanten abgedichtet ist. Bei diesen Flachrohren kann eine durch hohe Drücke verursachte Ausbeulung zur Rißbildung in der Schweißnaht und zur Be­ schädigung des Flachrohres und somit des Wärmetauschers führen. Damit es bei einem hohen Druck nicht zu einer derart weitgehenden Ausbeulung der Flachrohre kommt, müssen die Flachrohre auf ihrer Außenseite verstärkt werden. Diese Auf­ gabe wird durch die Rippen, die in erster Linie für einen Wärmeübergang zwischen den Fluiden sorgen, ebenfalls erfüllt, da diese benachbarte Flachrohre gegenseitig an den von der Ausbeulung betroffenen Längsseiten abstützen.

Um auch beim jeweils äußersten Flachrohr, d. h. bei den an beiden Seiten des Wärmetauschers außenliegenden Flachrohren, mit Hilfe der Rippen eine gefährli­ che Ausbeulung zu verhindern, sind Seitenteile vorgesehen, an denen die Rippen des jeweils zugeordneten äußersten Flachrohres befestigt sind. Damit die Seiten­ teile in Längsrichtung der Sammelrohre verlaufende Kräfte auf die Sammelrohre übertragen können, sind sie zumindest bezüglich dieser Längsrichtung mit ihren axialen Enden an den Sammelrohren befestigt.

Die Seitenteile und die Flachrohre erwärmen sich während des Betriebes des Wärmetauschers unterschiedlich stark. Da dies bei den Bauteilen insbesondere in deren Achsrichtung zu unterschiedlich starken Ausdehnungen führt, müssen sie in dieser Richtung relativ zueinander beweglich sein, um Beschädigungen des Wär­ metauschers zu vermeiden. Beim bekannten Wärmetauscher sind zu diesem Zweck Haltearme vorgesehen, die an einem Ende am jeweiligen Sammelrohr be­ festigt sind und mit ihrem anderen Ende am jeweiligen Seitenteil axial verschieb­ lich gehaltert. Auf diese Weise sind die Seitenteile in ihrer Achsrichtung verstellbar, so daß Längenveränderungen bezüglich der Flachrohre ausgeglichen werden kön­ nen.

Die Anbringung dieser Haltearme erfordert zusätzliche Herstellungsschritte, außer­ dem muß relativ genau gearbeitet werden, um eine axiale Führung gewährleisten zu können, die ein Verkanten während einer Axialverstellung der Seitenteile ver­ hindert. Der bekannte Wärmetauscher ist somit vergleichsweise aufwendig herzu­ stellen.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art mit einfachen konstruktiven Maßnahmen dahingehend auszugestalten, daß er einfach und somit preiswert herstellbar ist.

Dieses Problem wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspru­ ches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht dabei auf dem allgemeinen Gedanken, die axialen Enden der Seitenteile zumindest bezüglich der Achsrichtung des jeweiligen Sammelrohres nicht an das jeweils zugeordnete Sammelrohr anzubinden, so daß sie wenigstens in dieser Richtung frei beweglich sind.

Hierbei wird die überraschende Erkenntnis ausgenutzt, daß eine Fixierung der Seitenteile an den Sammelrohren bezüglich der Achsrichtung des jeweiligen Sam­ melrohres nicht notwendig ist, um eine schädliche Ausbeulung der Flachrohre wirk­ sam zu verhindern.

Da bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher keine Anbindung der Seitenteile an die Sammelrohre erfolgt, kann die Herstellung und Fertigung des Wärmetau­ schers erheblich vereinfacht werden.

Bei einer zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit den Merkmalen des Anspruches 2 kann die Herstellung des Wärmetauschers weiter vereinfacht werden. Im Verlaufe der "Kassettierung" (siehe unten) werden die abstandsmäßig zueinander ausgerichteten Flachrohre komplett als eine Bau­ gruppe in die dazu in den Sammelrohren vorbereiteten Öffnungen eingesteckt. Mittels der vorgeschlagenen Maßnahme wird durch die Anlage der axialen Enden der Seitenteile an den Sammelrohren ein Anschlag gebildet, der die optimale Ein­ stecktiefe der Flachrohre in die Sammelrohre vorgibt.

Während der obengenannten Kassettierung werden die Seitenteile, die Flachrohre und die dazwischenliegenden Rippen parallel zueinander ausgerichtet. Insbeson­ dere die Rippen werden in einem relativ breiten Toleranzbereich hergestellt, so daß sich bei der großen Anzahl der nebeneinanderliegenden Flachrohre mit den dazwi­ schen angeordneten Rippen relativ große Positionsabweichungen insbesondere bei den äußersten Flachrohren ergeben können. Damit die Flachrohre in die vorbe­ reiteten Öffnungen in den Sammelrohren einsteckbar sind, wird die vorbereitete blockartige Baugruppe aus Seitenteilen, Flachrohren und Rippen seitlich zusam­ mengepreßt, bis die gewünschten Abstände bzw. Positionierungen erreicht sind. Dabei dienen die Seitenteil zur großflächigen Übertragung der Preßkräfte auf die außenliegenden Rippen des jeweils äußersten Flachrohres mit der Folge, daß die äußerst dünnwandigen Rippen verformt werden können, ohne Beschädigungen zu erleiden.

Die Verwendung von biegesteifen Profilen entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit den Merkmalen des Anspruches 3 ermöglicht dabei eine gleich­ mäßige Kraftübertragung auf die Rippen, um ungleichmäßige Verformungen der Rippen zu vermeiden. Eine besonders schonende Verformung während der Kas­ settierung ergibt sich bei der Verwendung von Seitenteilen, die für eine Ausfüh­ rungsform mit den Merkmalen des Anspruches 4 vorgeschlagen werden.

Die Verwendung geschlitzter bzw. gelochter Seitenteile entsprechend einer zweckmäßigen Ausführungsform mit den Merkmalen des Anspruches 5 ermöglicht eine einfache Befestigung von Halte- oder Dämpfungsmitteln an den Seitenteilen.

Eine Ausgestaltung des Wärmetauschers nach der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches 6 ist in besonderem Maße für Recycling geeignet.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und wichtige Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der nachfolgenden Be­ schreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wärmetau­ schers. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher,

Fig. 2 eine Detailansicht im Bereich eines axialen Endes eines Seitenteiles und

Fig. 3 verschiedene Ausführungsformen von Profilen für die im erfindungs­ gemäßen Wärmetauscher verwendeten Seitenteile.

Entsprechend Fig. 1 weist ein Wärmetauscher 1 nach der Erfindung zwei etwa parallel zueinander verlaufende Sammelrohre 2 auf, in denen beispielsweise das Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufes eines Kraftfahrzeuges fließt. Die Sammelroh­ re 2 sind mit parallel zueinander verlaufenden Rohren 3 kommunizierend miteinan­ der verbunden, so daß eine Kühlmittelströmung von dem einen Sammelrohr 2 durch die Rohre 3 zum anderen Sammelrohr 2 ausgebildet werden kann. Die Roh­ re 3 werden im folgenden als Flachrohre 3 bezeichnet, da sie einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, bei dem das Verhältnis von langer Seite zu kurzer Seite relativ groß ist.

An den Flachrohren 3 sind Rippen 4 befestigt, die im Ausführungsbeispiel entspre­ chend Fig. 1 zick-zack-förmig ausgebildet sind. Ebenso sind wellenförmig ausge­ bildete "Wellenrippen" verwendbar. Die Rippen 4 dienen zur Ableitung der vom Kühlmittel auf die Flachrohre 3 übertragenen Wärme. Darüber hinaus verbinden sie benachbarte Flachrohre 3 miteinander und bewirken eine gegenseitige Abstützung, um einem Ausbeulen der Flachrohre 3 aufgrund hoher Drücke im Kühlmittel entge­ genzuwirken.

An den außenliegenden Rippen 4 der äußersten Flachrohre 3 sind parallel zu den Flachrohren 3 Seitenteile 5 befestigt, um insbesondere Ausbeulungen des jeweils äußersten Flachrohres 3 entgegenzuwirken. Die Seitenteile 5 dienen außerdem dazu, einen Handschutz gegenüber den außenliegenden, scharfkantigen Rippen 4 zu bilden.

Beim Auftreten eines hohen Druckes im Kühlmittelkreislauf beulen sich die Recht­ eckquerschnitte der Flachrohre 3 bzw. deren längere Seiten konvex aus. Diese am einzelnen Flachrohr 3 geringfügige Ausdehnung summiert sich über die große An­ zahl der Flachrohre 3. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die axialen Enden der Flachrohre 3 in den Sammelrohren 2 fixiert sind, so daß sich die Flachrohre 3 nur im mittleren Bereich zwischen den Sammelrohren 2 nach außen biegen. Die Durchbiegung ist im jeweils äußersten Flachrohr 3 am größten, so daß in diesem Bereich die Gefahr einer Rißbildung aufgrund einer Ausbeulung des äußersten Flachrohres 3 ebenfalls am größten ist. Die Kräfte, die eine Ausbeulung des äu­ ßersten Flachrohres 3 bewirken, und die Kräfte, die das Durchbiegen des äußerten Flachrohres 3 bewirken, werden vom jeweiligen Seitenteil 5 über die einzelnen Rippensegmente der jeweiligen Rippe 4 auf die ganze Länge des jeweiligen Flach­ rohres 3 verteilt, wodurch eine übermäßige Ausbeulung und Durchbiegung des Flachrohres 3 vermieden werden.

Entsprechend der Detailansicht in Fig. 2 sind die jeweiligen axialen Enden der Seitenteile 5 nicht mit dem jeweils zugeordneten Sammelrohr 2 verbunden. Da­ durch kann das Seitenteil 5 Relativbewegungen in beliebiger Richtung bezüglich des Sammelrohres 2 durchführen, ohne daß es zu Spannungen zwischen diesen beiden Bauteilen kommt. Derartige Relativbewegungen können insbesondere bei Wärmeausdehnungen auftreten, da im Seitenteil 5 regelmäßig kleinere Temperatu­ ren herrschen als beispielsweise in den Flachrohren 3.

Die Ursache, weshalb die Seitenteile 5 erfindungsgemäß auch ohne eine Befesti­ gung oder Fixierung an den Sammelrohren 2 ihre Funktion erfüllen, ein gefährli­ ches Ausbeulen und Durchbiegen der äußeren Flachrohre 3 zu verhindern, ist vermutlich darin zu sehen, daß im Bereich nahe des Sammelrohres 2 aufgrund der Fixierung der Flachrohre 3 ohnehin keine oder nur eine geringe Verschiebung der Seitenteile 5 in Achsrichtung der Sammelrohre 2 erfolgt, so daß an dieser Stelle keine nennenswerten Kräfte wirken, die vom Seitenteil 5 auf das Sammelrohr 2 übertragen werden müßten. Ein gefährliches Ausbeulen und Durchbiegen der Flachrohre 3 kann somit allein durch eine Kraftübertragung über die Seitenteile auf die große Zahl der Rippen 4 verhindert werden.

Um auch während der Kassettierung relativ große Druckkräfte über die Seitenteile 5 auf die empfindlichen Rippen 4 gleichmäßig aufbringen zu können, werden für die Seitenteile 5 biegesteife Profile verwendet. In Fig. 3 sind beispielhaft einige be­ vorzugte Ausführungsformen A bis K von derartigen biegefesten Profilen darge­ stellt.

Dabei geben die Beispiele A bis C geschlossenen Profile wieder, die sich durch eine besonders hohe Biegesteifigkeit auszeichnen. Das Profil C weist darüber hin­ aus Öffnungen 6 auf, an denen beispielsweise zusätzliche Haltemittel befestigt werden können, mit denen z. B. der Wärmetauscher 1 im Motorraum besser posi­ tionierbar ist.

Die Beispiele D bis K geben offene Profile wieder, die aufgrund ihrer Formgebung eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen und zum Zusammenpressen des Blockes aus Seitenteilen, Flachrohren und Rippen während der Kassettierung geeignet sind. Dabei weisen die offenen Profile J und K wiederum Öffnungen 6 auf, die zur Be­ festigung weiterer Bauteile dienen.

Die Verwendung eines Seitenteils 5, das erfindungsgemäß mit einem biegesteifen Profil ausgestattet ist, ermöglicht auch bei größeren Toleranzbereichen in der Rip­ penfertigung einen Ausgleich von toleranzbedingten Abstandsabweichungen zwi­ schen den Flachrohren 3. Demgemäß können zur Herstellung des erfindungsge­ mäßen Wärmetauschers 1 auch preiswertere Rippen 4 verwendet werden, wo­ durch insgesamt die Herstellung des Wärmetauschers 1 preiswerter gestaltet wer­ den kann.

Die Aufbringung einer gleichmäßigen Flächenbelastung über die Seitenteile 5 auf die Rippen 4 ist nicht nur beim Ausgleichen von toleranzbedingten Abstandsunter­ schieden zwischen den Flachrohren 3 von Vorteil, sondern auch beim Verlöten der Rippen 4 mit den Flachrohren 3 bzw. mit den Seitenteilen 5 sowie beim Verlöten der Flachrohre 3 mit den Sammelrohren 2. Bei diesen Lötvorgängen findet eine relativ große Wärmeentwicklung statt, die wiederum Ausdehnungen, Verformungen und Verschiebungen der gegeneinander positioniert gehaltenen Bauteile verursa­ chen kann. Dies kann durch die Aufbringung einer entsprechenden Vorspannung über die Seitenteile 5 vermieden werden.

Claims (6)

1. Wärmetauscher mit zwei Sammelrohren für ein erstes Fluid, die durch etwa parallel nebeneinander verlaufende Flachrohre kommunizierend miteinander ver­ bunden sind, und mit zwei Seitenteilen, die neben dem jeweils äußersten Flach­ rohr, parallel dazu verlaufend angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Flachrohren sowie zwischen den Seitenteilen und dem jeweils benachbarten Flach­ rohr Rippen angeordnet sind, die an den Flachrohren bzw. Seitenteilen befestigt sind und einen Strömungsweg für ein zweites Fluid ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Enden der Seitenteile (5) gegenüber den Sammelrohren (2) bezüg­ lich deren Längsrichtung fixierungsfrei sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Enden der Seitenteile (5) am jeweils zugeordneten Sammelrohr (2) quer zu dessen Längsrichtung zur Anlage kommen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenteile (5) als Rohre mit biegesteifem Profil ausgebildet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenteile (5) mit einem geschlossenen Profil ausgebildet sind.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenteile (5) aus gelochtem oder geschlitztem Material hergestellt sind.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelrohre (2), die Flachrohre (3), die Seitenteile (5) und die Rippen (4) aus demselben Werkstoff, insbesondere aus Aluminium oder aus einer Aluminium­ legierung, hergestellt sind.