DE29704343U1

DE29704343U1 - Wärmetauschernetz und daraus hergestellter Wärmetauscher sowie Leitblech zu deren Herstellung

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Publication number: DE29704343U1
Application number: DE29704343U
Authority: DE
Original assignee: Autokuehler GmbH and Co KG
Current assignee: Autokuehler GmbH and Co KG
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2007-03-12

Description

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Diplom-Physiker

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Wärmetauschernetz und daraus hergestellter Wärmetauscher sowie Leitblech zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschernetz und einen daraus hergestellten Wärmetauscher, insbesondere einen Luft/Luft-Wärmetauscher, sowie ein Leitblech zu deren Herstellung.

Wärmetauscher dieser Art sind hauptsächlich als Wasser- oder Ölkühler bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren bekannt und für diesen Anwendungszweck auch mit den erforderlichen großen Leistungen bei vergleichsweise kleiner Baugröße herstellbar, insbesondere wenn hierbei die Wärmetauscherrohre nicht mit kreisförmigen, sondern z.B. mit ovalen oder flachovalen Querschnitten versehen werden. Ein Vorteil der oben bezeichneten Wärmetauscher besteht darin, daß sie ohne Anwendung eines aus Gründen des Umweltschutzes immer weniger gewünschten Lot-, Schweiß- oder Klebevorgangs od. dgl. hergestellt werden können. Die mechanische Verbindung der Leitbleche mit den Rohren kann dabei insbesondere auf drei Arten erfolgen.

Eine erste bekannte Verbindungsart (DE 34 23 746 Al, EP 0 389 970 Al) besteht darin, die Öffnungen der Leitbleche mit rundum laufenden Kragen zu versehen und die Rohre nach dem Einführen in die Öffnungen aufzuweiten, beispielsweise unter Anwendung eines durch die Rohre gezogenen Werkzeugs. Dieses Verfahren ist bei bestimmten Anwendungszwecken nur bedingt geeignet, z.B. wenn es sich um die Herstellung von Luft/Luft-Wärmetauschern, insbesondere Ladeluftkühlern handelt, die zur Vergrößerung der

wärmeaustauschenden Oberflächen Rohre aufweisen, die auf ihren Innenseiten mit das Durchziehen von Werkzeugen behindernden Profilierungen in Form von Rippen, Stegen od. dgl. versehen sind (DE 93 15 296 Ul).

Es ist daher auch bereits bekannt (DE 33 02 150 C2), die Leitbleche mit ersten, meistens vergleichsweise langen, bei flachovalen Rohren im Bereich der Längsseiten der Rohre liegenden Kragen zu versehen, die schräg in die Querschnitte der Öffnungen ragen und beim Einsetzen der Rohre von diesen elastisch nach außen weggebogen werden. In diesem Fall werden somit die Kragen anstelle der Rohre aufgeweitet. Dem Vorteil eines guten Wärmeübergangs steht hierbei allerdings der Nachteil einer häufig geringen mechanischen Stabilität entgegen. Werden die Rohre nämlich, weil es aus fertigungstechnischen Gründen problematisch ist, nicht mit einer ausreichend großen Vorspannung in die Leitblechöffnungen getrieben, dann lassen sie sich nach der Herstellung des Netzes verhältnismäßig leicht relativ zu den Leitblechen verschieben, insbesondere in Richtung der freien Kragenenden. Daher ist es bei Anwendung dieses Verfahrens wie auch bei den zuerst genannten Verfahren in der Regel erforderlich, die Leitbleche mit zusätzlichen Abstandhaltern, z.B. in Form von doppelt umgebogenen Kragen, zu versehen, was mit zusätzlichen Fertigungskosten verbunden ist.

Schließlich ist es bei Rohren mit kreisrunden Querschnitten bekannt (DE-OS 25 52 348), die Rohre dadurch mit den Leitblechen zu verbinden, daß sie mit größeren Außendurchmessern versehen werden, als den Innendurchmessern der Leitblechöffnungen entspricht. Beim Eintreiben der Rohre werden hierbei die Öffnungsränder gewaltsam aufgeweitet und zu Kragen umgeformt, so daß diese mehr oder weniger elastisch an den Außenwandungen der Rohre anliegen. Eine solche Verfahrensweise mag für runde Rohre mit verhältnismäßig kleinen Durchmessern brauchbar sein. Bei der Anwendung von ovalen oder flachovalen Rohren ergeben sich aufgrund des vergleichsweise großen Rohrumfangs jedoch ungünstige Reibungsverhältnisse, die sehr hohe Kräfte für das Durchziehen oder -schieben der Rohre erfordern. Außerdem können die Offnungsränder unkontrolliert reißen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Wärmetauschernetz der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden und herzustellen, daß beim Einschieben der

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Rohre in die Leitblechöffnungen nur verhältnismäßig geringe Reibungskräfte zu überwinden sind und dennoch gute Wärmeübergänge und ein ausreichend fester Sitz der Leitbleche auf den Rohren erhalten werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprüche 1, 8 und 9.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschernetzes, das aus Leitblechen und darin eingesetzten Rohren besteht;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein einzelnes, erfindungsgemäßes Leitblech mit zur Aufnahme von Wärmetauscherrohren bestimmten Öffnungen in einem vergrößerten Maßstab;

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 2, jedoch mit eingesetzten Wärmetauscherrohren; und
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Fig. 4 bis 7 Schnitte längs der Linien IV-IV bis VII-VII der Fig. 2 und 3 in einem gegenüber Fig. 2 und 3 nochmal vergrößerten Maßstab.

Fig. 1 zeigt ein Wärmetauschernetz 1, das nach Art eines Röhrenkühlers aus einer Vielzahl von parallel und mit Abstand angeordneten, plattenförmigen Leitblechen 2 und wenigstens einem Wärmetauscherrohr 3 besteht, wobei im Ausführungsbeispiel zwölf derartiger Rohre 3 dargestellt sind. Wie insbesondere Fig. 2 und 3 zeigen, durchragt jedes Rohr 3 aufeinander ausgerichtete Öffnungen 4 bzw. Durchzüge der Leitbleche 2. Im _t Ausführungsbeispiel handelt es sich um Rohre 3 mit sogenannten flachovalen Querschnitten, die demnach zwei parallele, im wesentlichen ebene Längswände 5 und zwei diese verbindende kurze, kreisförmig gebogene Wandabschnitte 6 aufweisen, wodurch senkrecht zueinander stehende maximale und minimale Durchmesser al bzw. bl entstehen. Die Querschnitte der Öffnungen 4 entsprechen im wesentlichen den Außenquer-

schnitten der Rohre 3. Die Öffnungen 4 sind daher von zwei parallelen, langen, im wesentlichen geraden Randabschnitten 7 (Fig. 2) und zwei zwischen diesen liegenden bzw. sie verbindenden, gekrümmten Randabschnitten 8 begrenzt, wodurch größte bzw. kleinste Durchmesser a2 und b2 entstehen.
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Zur Vergrößerung der wärmeleitenden Flächen, wie es insbesondere bei der Anwendung des Wärmetauschernetzes für Luft/Luft-Wärmetauscher, z.B. Ladeluftkühler, erwünscht ist, weisen die Rohre 3 an ihren Innenwandungen nach innen ragende Rippen 9 mit im Rohrinneren liegenden, freien Enden und vorzugsweise auch geschlossene, zwei gegenüberliegende Rohrwände verbindende Stege 10 auf, die wie die Rippen 9 senkrecht oder auch schräg zu den Rohrwänden stehen können. Die Stege 10 unterteilen die Rohre 3 in mehrere Kammern 11 (Fig. 3) und führen gleichzeitig zu einer mechanischen Versteifung und Stabilisierung der Rohre 3 derart, daß diese auch im montierten Zustand nicht die Neigung haben, senkrecht zu den langen Längswänden 5 einzufallen oder sich beim Durchleiten eines unter Druck stehenden Mediums auszubeuten und dadurch den guten wärmeleitenden Kontakt mit den die Öffnungen 4 begrenzenden Leitblechrändern zu beeinträchtigen. Durch die Stege 10 und Rippen 9 können die Rohre 3 außerdem in Abhängigkeit vom gewünschten Betriebsverhalten in Kammern 11 mit unterschiedlichen Formen und Querschnitten unterteilt werden.

Die Herstellung der Rohre 3 erfolgt zweckmäßig durch Strangpressen. Als Material eignet sich z.B. Aluminium.

Fig. 2, 4 und 5 zeigen ein erfindungsgemäßes Leitblech 2 im Ausgangszustand. Danach sind die langen Randabschnitte 7 der Öffnungen 4 mit ersten, in Umfangsrichtung der

Öffnungen 4 vergleichsweise langen, hochstehenden Kragen 12 versehen, die entsprechend Fig. 5 vorzugsweise nicht um 90°, sondern um einen kleineren Winkel vom Leitblech 2 abgewinkelt sind und daher schräg in die Öffnungen 4 ragen. Dagegen weisen die kurzen Randabschnitte 8 keine Kragen auf.
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Die Herstellung der Leitbleche 2 erfolgt zweckmäßig dadurch, daß sie zunächst in einem Stanzvorgang unter Anwendung eines Schnittstempels und einer eine Schneidkante aufweisenden Matrize mit Öffnungen versehen werden, wobei der Schnittstempel parallel

zum kleinsten Durchmesser b2 ein um die Kragenbreite kleineres Schnittmaß und parallel zum größten Durchmesser a2 ein genau dem Maß a2 entsprechendes Schnittmaß aufweist. Daran anschließend werden in einem Biegeschritt unter Anwendung eines Ziehstempels und einer weiteren Matrize die langen Kragen 12 entsprechend Fig. 4 und 5 ausgeformt, während die langen Durchmesser unverändert bleiben. Die Dicke der Leitbleche beträgt beispielsweise 0,1 mm.

Zur Herstellung des Wärmetauschernetzes 1 werden weiterhin Rohre 3 vorbereitet, deren kürzeste Außendurchmesser bl im wesentlichen dem Wert b2 entsprechen. Die längsten Durchmesser a2 der Öffnungen 4 erhalten dagegen im Vergleich zu den längsten Durchmessern al der Rohre ein gewisses Untermaß, das z.B. insgesamt 0,3 mm betragen kann. Die Rohre 3 werden außerdem an ihren einen Enden angespitzt oder mit einem eingesteckten Führungsdorn versehen.

Die Herstellung des Wärmetauschernetzes 1 nach Fig. 1 kann schließlich z.B. auf folgende Weise erfolgen:

Die Leitbleche 2 werden in paralleler Anordnung in die Schlitze einer Kammkassette eingelegt, in der ihre Abstände wie im fertigen Netz z.B. 1,8 mm betragen und die einander zugeordneten Öffnungen 4 axial aufeinander ausgerichtet sind. Danach werden die Rohre 3 mit ihren angespitzten oder mit dem Führungsdorn versehenen Ende nacheinander oder gleichzeitig in die Öffnungen 4 eingeschoben, und zwar in einer die ersten Kragen 12 spreizenden Richtung (d.h. in Fig. 5 von oben her). Da die Rohrdurchmesser al gegenüber dem Öffnungsdurchmesser a2 ein gewisses Übermaß aufweisen, werden deren kurze Randabschnitte 8 dabei zwangsweise aufgeweitet und umgebogen, so daß sich zweite, in Umfangsrichtung der Öffnungen 4 verhältnismäßig kurze Kragen 14 (Fig. 6) bilden. Dabei ist das Übermaß der Rohre 3 zweckmäßig so gewählt, daß die zweiten Kragen 14 um weniger als 90° und vorzugsweise im elastischen Bereich umgebogen werden, damit sie mit ihren vergleichsweise scharfen Kanten 15 (Fig. 7) federnd an der Rohraußenwand zu liegen kommen bzw. sich sogar etwas in diese eingraben und sich dadurch in ihnen verkrallen. Eine plastische Verformung der Öffnungsränder 8 wäre allerdings auch möglich. Gleichzeitig werden bei diesem Vorgang die ersten Kragen 12 in der aus Fig. 7 ersichtlichen Weise in eine etwa 90° entsprechende Stellung umgebogen, so

daß sie ebenfalls federnd, aber möglichst vollflächig an den Außenwandungen der Rohre anliegen.

Nach dem Einführen aller Rohre wird das fertige Wärmetauschernetz der Kammkassette entnommen und der weiteren Bearbeitung zugeführt, insbesondere mit üblichen Sammelkästen versehen, um den kompletten Wärmetauscher fertigzustellen.

Die Erfindung bringt zahlreiche wesentliche Vorteile mit sich. Besonders wichtig ist, daß die Größe und die Ausformung der ersten und zweiten Kragen in Abhängigkeit von ihren speziellen Aufgaben gewählt werden können. Die ersten, insbesondere dem Wärmeübergang zwischen den Leitblechen 2 und den Rohren 3 dienenden Kragen 12 können z.B. großflächig und so ausgebildet werden, daß sie satt an den Rohrwänden anliegen (Fig. 7), wohingegen die zweiten Kragen 14 vorzugsweise so ausgebildet werden, daß sie unter einem Winkel an den Rohrwandungen anliegen (Fig. 6) und dadurch hauptsächlich für eine feste Verbindung der Leitbleche 2 mit den Rohren 3 sorgen. Versuche haben gezeigt, daß diese Verbindungen zu einem so festen Sitz der Leitbleche 2 auf den Rohren führen können, daß keine zusätzlichen Abstandhalter benötigt werden und sich die Leitbleche 2 dennoch beim üblichen Gebrauch der mit ihnen hergestellten Wärmetauscher nicht in Achsrichtung der Rohre 3 verschieben. Auch Verkippungen der Leitbleche 2 relativ zu den Rohren 3 können weitgehend verhindert werden. Weiter ist vorteilhaft, daß die Rohre 3 nicht aufgeweitet werden brauchen und daher in beliebiger Weise mit inneren Profilierungen, Rippen bzw. Stegen versehen werden können. Weiterhin werden für das Einschieben der Rohre in die Leitbleche nur verhältnismäßig kleine Kräfte benötigt, da nur die zweiten, kurzen Öffnungsränder 8 gewaltsam aufgebogen werden müssen.

In einem praktischen Beispiel haben sich Öffnungen 4 mit größten Durchmessern a2 von 26,7 mm und kleinsten Durchmessern b2 von 4,5 mm als brauchbar erwiesen, wenn die größten Durchmesser der Rohre al = 27,0 mm und die kleinsten Durchmesser der Rohre bl = 4,5 mm betragen. Die Kragenhöhe im Bereich der langen Kragen 12 (Maß c in Fig. 7) beträgt dabei im eingebauten Zustand z.B. 1,4 mm, während sich die Kragenhöhe der kurzen Kragen 14 aus der Differenz von al und a2 und dem jeweiligen Biegezustand ergibt (Maß d in Fig. 6).

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf vielfache Weise abgewandelt werden kann. Insbesondere kann die Erfindung auch mit anderen als flachovalen Rohren und entsprechenden Öffnungen in den Leitblechen realisiert werden, indem beispielsweise in Umfangsrichtung der jeweiligen Öffnungen abwechselnd Randabschnitte mit langen Kragen und Randabschnitte ohne Kragen vorgesehen werden und den Öffnungen dort, wo die kurzen Kragen entstehen sollen, ein entsprechendes Untermaß gegeben wird. Die kurzen Kragen werden dabei bevorzugt an solchen Stellen längs des Öffnungsrandes vorgesehen, wo die Krümmungsradien kleiner als an anderen Stellen sind. Allerdings kann es bei bestimmten Rohrformen, insbesondere bei gedrungenen Rohren, auch zweckmäßig sein, den ersten und zweiten Kragen dieselbe Länge zu geben oder sogar die zweiten Kragen länger als die ersten Kragen auszubilden. Außerdem könnten insbesondere die ersten Kragen aus mehreren, in Umfangsrichtung voneinander getrennten Kragenabschnitten bestehen. Weiterhin könnten die Öffnungsränder im Bereich der kurzen Randabschnitte 8 abweichend vom beschriebenen Ausführungsbeispiel dort, wo die zweiten Kragen 14 nach Fig. 6 entstehen sollen, bereits vor dem Einführen der Rohre mit kleinen, zumindest abschnittsweise aus der Leitblechebene herausragenden, kragenförmigen Ansätzen versehen werden, die durch das Einfuhren der Rohre dann weiter aufgebogen oder entsprechend Fig. 6 zu den zweiten Kragen ausgeformt werden. Dabei ist es im Prinzip gleichgültig, ob die Rohre runde, eckige, trapezförmige, ovale oder sonstige Querschnitte aufweisen, obwohl aus wärmetechnischen Gründen Rohre mit ovalen und flachovalen Querschnitten besonders bevorzugt werden. Im übrigen versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen verwendet werden können.

Claims

Ansprüche

1. Wärmetauschernetz, insbesondere für Luft/Luft-Wärmetauscher, mit einer Mehrzahl von parallel und mit Abstand angeordneten Leitblechen (2), die aufeinander ausgerichtete Öffnungen (4) aufweisen, die von ersten, vor allem dem Wärmeübergang dienenden Kragen (12) und von zweiten Kragen (14) begrenzt sind, und mit einem senkrecht dazu verlaufenden, die Öffnungen (4) durchragenden Rohr (3), das ohne Anwendung eines Lot-, Schweiß- oder Klebmittels od. dgl. mit den Leitblechen (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß dazu die zweiten Kragen (14) so ausgebildet sind, daß sie beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Wärmetauschernetzes Verschiebungen der Leitbleche (1) relativ zum Rohr (3) verhindern.
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2. Wärmetauschernetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kragen (14) zumindest teilweise durch Aufweiten der zugehörigen Randabschnitte (8) der Öffnungen (4) beim Einschieben der Rohre (3) gebildet sind.

3. Wärmetauschernetz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (4) und Rohre (3) mit nicht kreisförmigen, kleine und große Radien aufweisenden, insbesondere ovalen Querschnitten versehen und die zweiten Kragen (14) im Bereich der kleinen Radien vorgesehen sind.

4. Wärmetauschernetz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (4) und Rohre (3) flachovale Querschnitte aufweisen und die ersten Kragen (12) im Bereich der geraden Randabschnitte (7), die zweiten Kragen (14) dagegen im Bereich der gekrümmten Randabschnitte (8) angeordnet sind.

5. Wärmetauschernetz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kragen (14) scharfkantig an der Außenwandung des Rohrs (3) anliegen.

6. Wärmetauschernetz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die langen Kragen (12) eine größere Höhe (c) als die kurzen Kragen (14) aufweisen.

7. Wärmetauschernetz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3) nach innen vorstehende, zur Schaffung großer Wärmeaustauschflächen bestimmte Rippen (9) und/oder Stege (10) aufweisen.

8. Leitblech mit einer zur Aufnahme eines Wärmetauscherrohrs (3) bestimmten Öffnung (4) zur Herstellung eines Wärmetauschernetzes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (4) von die ersten Kragen (12) aufweisenden, ersten Randabschnitten (7) und von dazwischen liegenden zweiten Randabschnitten (8) begrenzt ist, wobei die ersten Kragen (12) schräg in die Öffnung (4) ragend ausgebildet sind, und daß der Öffnungsdurchmesser im Bereich der zweiten Randabschnitte (8) kleiner als der Außendurchmesser der zugehörigen Abschnitte des Wärmetauscherrohrs (3) ist.

9. Wärmetauscher mit einem Wärmetauschernetz, insbesondere für Luft/Luft-Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauschernetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.