DE19961199B4

DE19961199B4 - Wärmeübertrageranordnung

Info

Publication number: DE19961199B4
Application number: DE1999161199
Authority: DE
Inventors: Viktor Dipl.-Ing. Brost; Siegbert Dipl.-Ing. Altendorfer
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 1999-12-18
Filing date: 1999-12-18
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2019-12-19
Also published as: DE19961199A1

Abstract

Wärmeübertrageranordnung (1) mit hintereinander angeordneten und unlösbar verbundenen Wärmeübertragern (2, 3, 4), deren Bauteile aus Aluminiumblech bestehen, das je nach Bedarf mit einer Lotschicht versehen ist, wobei die Wärmeübertrager Flachrohre (5), die zwischen Sammelkästen (6, 7) angeordnet sind, zwischen den Flachrohren (5) angeordnete Wellrippen (8) sowie Ein- und Auslässe (9, 10) aufweisen, wobei Rohrböden (13) vorgesehen sind, die als ein zusammenhängendes Bauteil ausgebildet sind, das im Verbindungsbereich (B) zwischen den Wärmeübertragern (2; 3; 4) eine Längssicke (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Flachrohre (5) mindestens bei einem der Wärmeübertrager (3) in Durchzügen (11) von zwei gegenüberliegenden Rohrböden (13) der Sammelkästen (6; 7) befestigt sind, wobei die Durchzüge (11) in Richtung der Flachrohre (5) weisen und die Flachrohre (5) nicht bis in das Innere (14) der Sammelkästen (6, 7) ragen und wobei im First der Längssicke (17) Öffnungen (S1) und Stege (20) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertrageranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Wärmeübertrageranordnungen sind beispielsweise in Kraftfahrzeugen vorhanden, wobei die einzelnen Wärmeübertrager beispielsweise ein Wasser/Luft-Kühler, ein Kondensator und/oder ein Ölkühler oder Ladeluftkühler sein können. Häufig sind die einzelnen Wärmeübertrager innerhalb der Anordnung mittels Verbindungselementen, Spangen oder dergleichen, aus Kunststoff oder aus Metall, verbunden. Die Verbindung hat den Vorteil, dass sie einfach ausführbar ist und beschädigte Wärmeübertrager leicht ausgetauscht werden können. Nachteilig ist jedoch, dass die Herstellung der einzelnen Wärmeübertrager als aufwendig angesehen werden muss, weil die Zahl der Einzelteile hoch ist und für jeden einzelnen Wärmeübertrager energieaufwendige Lötoperationen vorgesehen werden müssen.
Die aus dem EP 881 447 A2 bekannte Wärmeübertrageranordnung weist für in Luftströmungsrichtung hintereinander angeordnete Wärmeübertrager zwei gegenüberliegende gemeinsame Seitenteile auf. Die Wärmeübertrageranordnung besteht vollständig aus mittels Löten verbundenen Aluminiumteilen. Durch die Seitenteile werden die Wärmeübertrager miteinander verbunden und bilden deshalb eine kompakte Einheit mit einer reduzierten Anzahl von Bauteilen. Da die Medien in den Wärmeübertragern stark schwankende Temperaturen aufweisen können, die mit zu Spannungen führenden Expansionen und Kontraktionen einhergehen, kann diese Lösung dazu führen, dass Materialrisse auftreten, die zum Ausfall der Wärmeübertrageranordnung führen. Wird nur ein einziger Wärmeübertrager derart beschädigt, muss die gesamte Anordnung ersetzt werden. Rohrböden mit Öffnungen sind hier nicht vorhanden. Anstatt Rohrböden zu verwenden, wurden die Enden der Flachrohre soweit aufgeweitet, dass benachbarte Rohrenden flächig aneinanderliegen. Eine derartig starke Umformung der Rohrenden kann Probleme hinsichtlich der Haltbarkeit und der Dichtigkeit nach sich ziehen.
Man hat auch schon Wärmeübertrageranordnungen geschaffen, bei denen die Wärmeübertrager über gemeinsame Rohrböden miteinander verbunden sind. Ein solcher Vorschlag geht aus FR-2 770 633 A1 hervor. Bei dieser Anordnung ist das Problem der Wärmespannungen nicht so ausgeprägt, weil die Rohre im Rohrboden nicht verlötet sondern mittels Dichtungen mechanisch befestigt sind.
Gemeinsame Seitenteile besitzt auch die Wärmeübetrageranordnung, die aus der DE 697 19 489 T2 bekannt geworden ist. Diese ansonsten fortschrittliche Anordnung ist hinsichtlich des inneren Druckverlustes mit Nachteilen behaftet. In der 24 dieser Veröffentlichung ist eine zwischen den Wärmeübertragern befindliche Sicke im Rohrboden vorhanden, mit der Wärmespannungen kompensiert werden können. Sie stellt deshalb den nächstliegenden Stand der Technik dar.
Der erwähnte Nachteil kann auch der aus der DE 699 02 614 T2 bekannt gewordenen Anordnung nachgesagt werden, die nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde.
Der Druckverlust ist auch bei den Wärmeübetrageranordnungen aus der DE 91 11 412 U1 oder aus dem PAJ – JP 09 15 22 98 A zu hoch.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kompakte Wärmeübertrageranordnung zu schaffen, die in einer einzigen Lötoperatioin mit einer relativ geringen Anzahl von Bauteilen herstellbar ist, die durch wechselnde Erwärmung und Abkühlung verursachte Spannungen widerstehen kann und die hinsichtlich des inneren Druckverlustes verbessert ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Wärmeübetageranordnung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Es ist vorgesehen, dass die Enden der Flachrohre mindestens bei einem der Wärmeübertrager in Durchzügen um Öffnungen von zwei gegenüberliegenden Rohrböden befestigt sind, die in Richtung der einmündenden Flachrohre weisen, derart, dass die Flachrohre nicht bis in das Innere der Sammelkästen ragen. Dadurch wird der Druckverlust deutlich reduziert. Die Rohrböden sind jeweils als ein zusammenhängendes Bauteil ausgebildet, das die Rohrenden der Flachrohre sämtlicher Wärmeübertrager der Anordnung aufnimmt. Die Rohrböden weisen einen Bereich, mindestens zwischen den in Luftströmungsrichtung hintereinander angeordneten Wärmeübertragern, auf, der Wärmespannungen kompensierend ausgebildet ist, wobei dieser Bereich die tragende Verbindung zwischen den Wärmeübertragern darstellt und eine Vielzahl von Öffnungen mit dazwischenliegenden Stegen besitzt.
Weil lediglich zwei Rohrböden für mehrere Wärmeübertrager vorhanden sind, wurde durch die Erfindung die Anzahl der Bauteile reduziert. Wärmespannungen werden dadurch kompensiert, dass in den Rohrböden Bereiche vorhanden sind, die bei auftretenden Spannungen nachgeben. Es ist also durch die Erfindung erreicht worden, dass Spannungsrisse, die den Ausfall der Wärmeübertrageranordnung bedeuten, verhindert oder deutlich reduziert worden sind. Separate Halter für die einzelnen Wärmeübertrager sind nicht erforderlich, was sich kostensenkend auswirkt.
Die Stege zwischen den einzelnen Öffnungen können relativ schmal ausgebildet sein. Sie gewährleisten einerseits, dass die Wärmeübertrageranordnung kompakt und stabil ist, andererseits geben die schmalen Stege gegenüber Wärmespannungen leichter nach, als eine durchgehende Sicke. Die schmalen Stege können ferner im Bedarfsfall einfach abgetrennt werden, wenn einer der Wärmeübertrager ausgetauscht werden muss. Der Ersatz-Wärmeübertrager könnte dann mittels Spangen an der Anordnung befestigt werden. Es ist also nach der Erfindung nicht mehr notwendig, die gesamte Anordnung bei Ausfall eines Wärmeübertragers auszutauschen.
Anspruch 2 sieht vor, dass die Rohrböden aufgerichtete Ränder zur Verbindung mit den Sammelkästen besitzen und Reihen von in Richtung der Sammelkästen weisende Noppen vorgesehen sind, die so dicht an den Rändern angeordnet sind, dass beim Aufsetzen der Sammelkästen deren Ränder an die Ränder des Rohrbodens gedrückt werden. Diese Maßnahme unterstützt – gemeinsam mit der Maßnahme aus Anspruch 4 – die einfache Vorfixierung der Sammelkästen mit den Rohrböden und sorgt deshalb für eine einwandfreie Lötverbindung. Deshalb befinden sich die beiden Reihen der Noppen so dicht an den aufgerichteten Rändern der Rohrböden, dass ihre Flanken beim Aufsetzen der Sammelkästen deren Lötränder nach außen drücken. Dadurch wurde den Noppen eine über die bisher bekannte Versteifungsfunktion (für den Rohrboden) hinausgehende zusätzliche Aufgabe übertragen.
Gemäß Anspruch 3 gestattet die Erfindung, einen zusätzlichen Wärmeübertrager neben den anderen Wärmeübertragern anzuordnen. Zwischen den nebeneinander angeordneten Wärmeübertragern können die Rohrböden ebenfalls mit Wärmespannungen kompensierenden Bereichen ausgebildet sein.
Anspruch 4 bietet eine geeignete Möglichkeit, die Sammelkästen an den Rohrböden zu fixieren, bis der Lötprozeß abgeschlossen ist. Dazu werden die Öffnungen in der Sicke benutzt.
Anspruch 5 trägt zur weiteren Reduzierung der Anzahl der Einzelteile bei.
Die erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung kann nach dem Zusammenfügen der Einzelteile in nur einer Lötoperation fertiggestellt werden. Sämtliche Teile bestehen in bekannter Art aus lotbeschichteten Aluminiumblechen.
Anspruch 6 beschreibt die Ausbildung der Stirnbleche in den Sammelkästen. Sie sind vorfixiert, um vor und während des Lötprozesses ihre Position zu halten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Abbildungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht auf eine Wärmeübertrageranodnung gemäß der Erfindung,
2 eine Ansicht auf den Rohrboden der Anordnung von 1 mit und ohne Sammelkasten,
3 eine Seitenansicht im Prinzip mit zwei Wärmeübertragern und durchgehender Wellrippe,
4 eine Ansicht mit drei Wärmeübertragern,
5 eine Frontansicht mit zwei Wärmeübertragern
6 ein Ausführungsbeispiel mit einem nebengeordneten Wärmeübertrager,
7 einen Teilquerschnitt durch den Rohrboden mit Sammelkästen,
8 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform,
9 eine Draufsicht auf den Rohrboden von 8
Die Wärmeübertrageranordnung 1 ist für den Einsatz im Kraftfahrzeug vorgesehen. Die perspektivische Ansicht gemäß 1 zeigt nur eine Seite der Wärmeübertrageranordnung 1. Die gegenüberliegende andere Seite ist identisch. In diesen ersten Abschnitt der Beschreibung sind ebenfalls die 2 und 7 einbezogen.
Die Anordnung 1 besteht aus Rohrböden 13, die die Enden der Flachrohre 5 zweier Wärmeübertrager 2, 3 in je einer Reihe von Öffnungen 12 aufnehmen. Der in 1 vorne liegende Wärmeübertrager 3 könnte der Wasser/Luft-Kühler des Kraftfahrzeugmotors sein, während der hintere einen Kondensator 2 der Klimaanlage darstellt. Die Öffnungen 12 für die Enden der Flachrohre 5 des Wasser/Luft-Kühlers 3 und des Kondensators 2 besitzen Durchzüge 11, die in Richtung der Flachrohre 5 bzw. in Richtung der zwischen den Flachrohren 5 angeordneten Wellrippen 8 weisen, wodurch der Druckverlust in der Kühlflüssigkeit (bzw. im Kältemittel), die durch die Flachrohre 5 strömt, äußerst gering ist. Diesem Zweck dient auch, dass die Enden der Flachrohre 5 nicht bis in das Innere 14 der Sammelkästen 6, 7 reichen. Sie enden sogar unterhalb der inneren Oberfläche des Rohrbodens 13, wie die 7 deutlich zeigt. Die Enden der Flachrohre 5 sind in dem Ausführungsbeispiel nach 7 eingezogen worden. In dem anderen Ausführungsbeispiel nach 8 haben die Flachrohre 5 eine solche Verengung nicht. Jeder Rohrboden 13 hat zwischen den Wärmeübertragern 2, 3 einen Wärmespannungen kompensierenden Bereich B, der als Längssicke 17 ausgebildet ist. Der Bereich B sorgt dafür, dass es aufgrund von Wärmespannungen nicht zum Bruch von Lötverbindungen, z. B. zwischen den Flachrohren 5 und dem Rohrboden 13, kommen kann, weil Kontraktionen und Expansionen durch diesen Bereich B aufgenommen bzw. ausgeglichen werden. Im First der Längssicke 17 befindet sich eine Reihe von Öffnungen S1 mit zwischen den Öffnungen S1 angeordneten schmalen Stegen 20, die die Funktion des Bereiches B unterstützen. (2 und 9) Die Stege 20 stellen die einzige tragende Verbindung zwischen den Wärmeübertragern 2, 3 dar.
Zwischen den Öffnungen 12 in den Rohrböden 13 sind jeweils zwei Noppen 16 eingeprägt worden, die in das Innere 14 des Sammelkastens 6 bzw. 7 zeigen. Innerhalb eines Wärmeübertragers 2, 3 bilden also die Noppen 16 je zwei Reihen aus. Wie insbesondere die 7 zeigt, befinden sich die Reihen der Noppen 16 relativ weit außen, weil sie so ihrer Funktion gerecht werden können, die darin besteht, beim Aufsetzen der Sammelkästen 6 bzw. 7 deren Ränder 18 fest an die aufgerichteten Ränder 15 der Rohrböden 13 zu drücken, um die qualitätsgerechte Verlötung zwischen den genannten Rändern 15, 18 zu unterstützen. Um die Sammelkästen 6 bzw. 7 zum Löten vorfixieren zu können, werden die Ränder 15 des Rohrbodens 13 punktuell ein – bzw. ausgeprägt. Die entsprechenden Ausprägungen wurden mit Z1 bis Z3 bezeichnet. Die Ausprägungen Z3, die sich im Bereich B bzw. in der Längssicke 17 befinden, werden mit einem Werkzeug hergestellt, das durch die Öffnungen S1 in der Längssicke 17 hindurchgreift. (nicht dargestellt)
Die Stirnseiten 21 der Sammelkästen 6 und 7 sind durch Stirnbleche 22 verschlossen. Dies zeigen die 1 und 2. An den Stirnblechen 22 befinden sich Vorsprünge 23, die gemeinsam mit den Schlitzen S2 im Rohrboden 13 und im Sammelkasten 6 bzw. 7 dem Zweck dienen, die Stirnbleche 22 provisorisch zu halten, bis der Lötprozess abgeschlossen ist. Am hinteren Ende der 1 sind die durch den Schlitz S2 der Sammelkästen 6 und 7 ragenden Vorsprünge zu erkennen. In 1 wurde außerdem die Luftströmungsrichtung LR angegeben.
Die 3 zeigt eine Wärmeübertrageranordnung, bestehend aus zwei Wärmeübertragern 2, 3, bei der die Wellrippen 8 durchgehend ausgebildet sind, d. h. sie reichen über die Rohrreihen beider Wärmeübertrager 2, 3.
Die 4 zeigt drei in Luftströmungsrichtung hintereinander angeordnete Wärmeübertrager 2, 3, 4, die alle mittels zweier gegenüberliegender Rohrböden 13 vereinigt sind. Die Bereiche B sind wie in 7 gezeigt ausgebildet worden.
Die 5 stellt auch eine prinzipielle gesamte Frontansicht zur Verfügung. Im Unterschied zur 3 sind hier einzelne Wellrippen 8 vorgesehen worden. Zu erkennen sind die Ein – und Auslässe 9, 10 für den Kondensator und für den Wasser/Luft-Kühler, die an den Sammelkästen 6 und 7 angeordnet sind.
Die 6 stellt dar, dass es auch vorteilhaft ist, zwei Wärmeübertrager, beispielsweise einen Kondensator und einen Ölkühler in einer Ebene nebeneinander anzuordnen. Für diesen Fall ist auch zwischen den nebeneinander angeordneten Wärmeübertragern im Rohrboden 13 ein Wärmespannungen kompensierender Bereich B vorgesehen. Dieser Bereich B unterscheidet sich nicht wesentlich von dem Bereich B, der im Zusammenhang mit der 7 beschrieben worden ist. Neben der Längssicke 17 muß lediglich noch ein Quersicke eingeprägt werden.
Die 8 zeigt einen Querschnitt durch den oberen Teil der Wärmetauscheranordnung im Bereich des Einlasses 9 am Wärmetauscher 3 und die 9 die zugehörige Draufsicht auf den Rohrboden ohne Sammelkästen 6, 7. Im Unterschied zu den vorne beschriebenen Ausführungsbeispielen, wurden hier die Noppen 16 in den Rohrböden 13 weggelassen. Das Andrücken der Ränder 15 und 18 erfolgt mittels der Einprägungen Z1 und Z2, die in 1 zu sehen sind. Außerdem wurden die Durchzüge 11 am Rohrboden 13 lediglich für die Flachrohre 5 des Wärmetauschers 3 in Richtung derselben weisend ausgebildet. Bei dem anderen Wärmetauscher 2, der auch hier ein Kondensator ist, wurden die Enden der Flachrohre 5 nach innen durchgesteckt, um die Verbindung widerstandsfähiger gegen hohen Innendruck zu machen.

Claims

Wärmeübertrageranordnung (1) mit hintereinander angeordneten und unlösbar verbundenen Wärmeübertragern (2, 3, 4), deren Bauteile aus Aluminiumblech bestehen, das je nach Bedarf mit einer Lotschicht versehen ist, wobei die Wärmeübertrager Flachrohre (5), die zwischen Sammelkästen (6, 7) angeordnet sind, zwischen den Flachrohren (5) angeordnete Wellrippen (8) sowie Ein- und Auslässe (9, 10) aufweisen, wobei Rohrböden (13) vorgesehen sind, die als ein zusammenhängendes Bauteil ausgebildet sind, das im Verbindungsbereich (B) zwischen den Wärmeübertragern (2; 3; 4) eine Längssicke (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Flachrohre (5) mindestens bei einem der Wärmeübertrager (3) in Durchzügen (11) von zwei gegenüberliegenden Rohrböden (13) der Sammelkästen (6; 7) befestigt sind, wobei die Durchzüge (11) in Richtung der Flachrohre (5) weisen und die Flachrohre (5) nicht bis in das Innere (14) der Sammelkästen (6, 7) ragen und wobei im First der Längssicke (17) Öffnungen (S1) und Stege (20) vorgesehen sind.
Wärmeübertrageranordnung nach den Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrböden (13) aufgerichtete Ränder (15) zur Verbindung mit den Sammelkästen (6, 7) besitzen und Reihen von in Richtung der Sammelkästen (6, 7) weisende Noppen (16) vorgesehen sind, die so dicht an den Rändern (15) angeordnet sind, dass beim Aufsetzen der Sammelkästen (6, 7) deren Ränder (18) an die Ränder (15) der Rohrböden (13) gedrückt werden.
Wärmeübertrageranordnung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrböden (13) zusätzlich mit Öffnungen zur Aufnahme der Enden der Flachrohre (5) eines nebengeordneten Wärmeübertragers (OC) ausgebildet sind und zwischen den nebeneinander angeordneten Wärmeübertragern (C, OC) ein Bereich (B) vorgesehen ist, der Wärmespannungen kompensiert.
Wärmeübertrageranordnung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelkästen (6, 7) an den Rohrböden (13) vorfixierbar (Z3) sind, durch Andrücken mittels Werkzeug, das durch die Öffnungen (S1) im First der Sicke (17) hindurchgreift.
Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der zwischen den Flachrohren (5) angeordneten Wellrippen (8) sich über sämtliche hintereinander angeordnete Reihen der Flachrohre (5) der Wärmeübertrager (2, 3, 4) erstreckt, oder dass jeder Wärmeübertrager (2, 3, 4) zwischen seinen Flachrohren (5) separate Wellrippen (8) aufweist.
Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Stirnseiten (21) der Sammelkästen (6, 7) mittels Stirnbleche (22) verschlossen sind, die Vorsprünge (23) aufweisen, um in Schlitze (S2) des Rohrbodens (13) und/oder der Sammelkästen (6, 7) zur Vorfixierung eingreifen zu können.