DE4446153A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der jeweils aus Leichtmetall bestehende Innen- und Außen­ mantel derartiger Wärmetauscher kann recht kostengünstig im Druckgußverfahren hergestellt werden. Der Innen- und Außen­ mantel werden dabei jeweils separat gegossen. Bei diesem Herstellverfahren können am Innenumfang des Innenmantels ausschließlich durchgehende gerade Längsrippen erzeugt wer­ den. Dabei müssen diese Rippen sich in radialer und Um­ fangsrichtung über die axiale Länge wegen der für eine Druckgußherstellung notwendigen Aushebeschräge verjüngen. Dies ist insbesondere bei langen Wärmetauschern von Nach­ teil, weil eine maximale Beaufschlagung mit Rippen nur an einem Ende des Wärmetauschers möglich ist, wenn der Innen- und Außenmantel jeweils topfförmig mit einem geschlossenen Boden gegossen wird.

Bei größeren, d. h. insbesondere relativ langen Wärmetau­ schern, werden der Innen- und Außenmantel meist aus Stahl­ blech hergestellt. Bei Innenmänteln aus Stahl werden die innenliegenden Rippen angelötet bzw. angeschweißt. Die Her­ stellung des Innenmantels erfolgt dadurch, daß einzelne Ringsegmente über die Länge des Innenmantels aneinander ge­ schweißt werden. Die radial innenliegenden Rippen können bei diesem Herstellungsverfahren beliebig geformte Rippen­ segment sein, die als kurze Einzelelemente beliebig zur Längsachse des Innenmantels geneigt über den Umfang ver­ teilt angebracht werden können. Durch diese Freiheit bei der Rippengestaltung und Ausrichtung kann in dem zweiten Ringraum zwischen Innenmantel und Flammrohr eine turbulente Heizgasströmung erzielt werden, durch die ein guter Wärme­ übergang von dem Heizgas auf den Innenmantel erzielt werden kann. Allerdings besitzt Stahl gegenüber Leichtmetall, wie beispielsweise Aluminium, eine erheblich schlechtere Wärme­ leitfähigkeit. Daher besitzen Wärmetauscher mit einem In­ nenmantel aus Stahl trotz einer wärmeübertragungsmäßig gün­ stigen Form und Ausrichtung der Innenrippen keinen beson­ ders günstigen Wirkungsgrad.

Hiervon ausgehend beschäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, einen Wärmetauscher mit einem Leichtmetall-Innen­ mantel mit für einen Wärmeübergang günstig geformten und ausgerichteten Innenrippen zu schaffen, um hierdurch mit einem möglichst kleinbauenden Wärmetauscher einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei kostengünstiger Herstellbarkeit zu erreichen.

Eine Lösung für dieses Problem besteht nach dem kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 in einer Herstellung zu­ mindest des Innenmantels in einem mit verlorenen Formteilen arbeitenden Gießverfahren.

Diese Lösung beruht auf dem Gedanken, daß auf diese Weise beliebige Formen und Ausrichtungen der Innenrippen grund­ sätzlich möglich sind.

Um auch die verlorenen Formteile rationell herstellen zu können, werden diese als Einzelsegmente erzeugt und an­ schließend zu einem einzigen kompakten Formteil zusammen­ gefügt. Das kompakte Formteil bildet dann die Basis für das im Formgußverfahren herzustellende Innenmantelteil.

Das Formgußverfahren kann ein Vollform-Verfahren sein, das auch als Lost-Foam-Verfahren bezeichnet wird. Bei einem derartigen Vollformguß-Verfahren können Konstruktionen ver­ wirklicht werden, bei denen praktisch keine Ausformschrägen berücksichtigt werden müssen. Ein besonderer Vorteil bei diesem Verfahren besteht darin, daß die verlorene Form aus praktisch beliebig vielen Einzelteilen zusammengesetzt wer­ den kann. So werden bei diesem Verfahren verlorene Modelle aus Polystyrol in binderfreien Formsand eingebettet. Der Formhohlraum, der hier der Innenmantel mit den daran ange­ formten Rippen ist, welcher durch das bei Schmelztemperatu­ ren verdampfende Polystyrol entsteht, wird dabei vollstän­ dig mit Schmelze ausgefüllt.

Bei der vorliegenden Erfindung wird das kompakte verlorene Modell insbesondere aus einzelnen Ringscheibenelementen zu­ sammengesetzt. Bei der Herstellung dieser Ringscheiben sind beliebige abgesetzte Innenrippenformen problemlos reali­ sierbar. So können die Rippen insbesondere gegenüber der Längsrichtung des Innenmantels geneigt und gegeneinander abgesetzt hergestellt werden. Im Extremfall können die Rip­ pen radial ausgerichtete in Längsrichtung gegeneinander versetzte Stifte sein. Näheres zu der Vielzahl möglicher Rippenformen wird in einem nachfolgenden Ausführungsbei­ spiel noch konkret ausgeführt werden.

Bei Anwendung eines Vollformgußverfahrens ist es sogar mög­ lich, den Außen- und Innenmantel zu einem integralen Leichtmetall-Mantelteil zusammenzufassen, das als ein ein­ ziges Teil gießbar ist. Bei diesem Mantelteil können sogar gleichzeitig auf der Innen- und Außenseite des Innenmantels Rippen angebracht sein. Auf der Außenseite des Innenmantels ist gewöhnlich eine schraubenförmige sich über die gesamte Länge des Mantels erstreckende Rippe vorgesehen, um das dort strömende Wärmeträgermedium schraubenförmig um den In­ nenmantel zu führen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der gegossene Innenmantel mit einem einstückig radial angegossenen Stutzen zur Verbindung des zweiten Ringraumes mit einem Bereich radial außerhalb des Außenmantels ver­ sehen. Eine solche Ausführung ist dann von Bedeutung, wenn der Innen- und Außenmantel nicht als ein integrales Teil hergestellt, sondern getrennt gegossen und danach miteinan­ der verbunden werden.

An Stelle eines Lost-Foam-Gußverfahrens kann die Erfindung auch mit einem Gießverfahren nach dem Wachsausschmelz- Prinzip realisiert werden. Auch weitere an sich bekannte mit verlorenen Raumteilen arbeitende Gießverfahren können dem Grunde nach angewendet werden. Entscheidend ist für eine vorteilhafte Anwendung insbesondere, daß die verlorene Form bzw. das verlorene Modell aus kostengünstig herstell­ baren Einzelelementen zusammensetzbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Gußverfahren können beispielswei­ se in den Innenmantel bzw. einen integral an diesen ange­ formten Stutzen Kanäle eingeformt sein. Durch einen solchen Kanal kann beispielsweise flüssiger Brennstoff, der zum Erzeugen einer Flamme in dem Flammrohr erforderlich ist, in recht wirksamer Weise vorgewärmt werden. Besonders wirksam ist eine Vorwärmung in einem solchen Kanal deshalb, weil er in gut wärmeleitendes Leichtmetall eingeformt ist und mit geringem Abstand zu den wärmeabgebenden Heizgasen gelegt werden kann.

Des weiteren ist es in recht einfacher Weise möglich, in den Innen- und/oder Außenmantel des Wärmetauschers Auf­ nahmen für von außen anzubringende Meß- und Kontrollgeräte einzuformen. Besonders günstig ist dies bei einem aus einem Innen- und Außenmantel bestehenden integralen Wärmetau­ scher-Mantelteil. In solche Aufnahmen können beispielsweise Temperaturmeßfühler eingesetzt werden, mit denen die Gefahr lokaler Überhitzungen an dem Innenmantel feststellbar und durch entsprechende Auswertung der Meßsignale durch Ab­ schalten oder Reduzieren der Heizenergie beseitigt werden können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung können den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen entnommen werden. Diese sind in einer Zeichnung dargestellt.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das verlorene Form­ teil axial segmentweise aufgebaut wird, können Form und Ausrichtung der Rippen der einzelnen Segmente im Prinzip jeweils unterschiedlich festgelegt sein. Hiervon kann vor­ teilhafter Weise in den beiden Endbereichen Gebrauch ge­ macht werden, um dort speziell gewünschte Strömungsverhält­ nisse zu erzeugen. So können beispielsweise strömungsgün­ stige Heißgasumlenkungen im Bodenbereich des Innenmantels erreicht werden. Im vorderen Bereich des Innenmantels kann eine für die gesamte Wärmeübertragung innerhalb des Wärme­ tauschers günstige Ausrichtung der Heißgasströmung mit Be­ zug auf den Gasauslaß durch entsprechend geformte und ver­ teilte Rippen eingestellt werden.

Es zeigen

Fig. 1 einen Innenmantel aus Aluminium mit einer Hälfte im Längsschnitt und der anderen Hälfte in An­ sicht,

Fig. 2 einen Teilschnitt und eine Ansicht des Innenman­ tels nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 Beispiele möglicher Rippenformen als Ausschnitte aus dem Längsschnitt in Fig. 1,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Wärmetauscherteil eines Heizgerätes für ein Kraftfahrzeug,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein Wärmetauscherteil nach Fig. 4 in einer alternativen Ausführung,

Fig. 6 einen Ausschnitt eines Teiles nach Fig. 4, bei dem der Innen- und Außenmantel als ein integrales Mantelteil geformt ist.

In Fig. 1 ist der Innenmantel 1 eines Wärmetauschers eines Kraftfahrzeug-Innenraum-Heizgerätes gezeigt. Dieser Innen­ mantel 1 ist topfförmig ausgebildet und sitzt in dem Wärme­ tauscher in einem mit strichpunktierten Linien angedeuteten Außenmantel 2. Gedichtet über diesen Außenmantel 2 ist der Innenmantel an seinem offenen Ende über einen Flansch 3, der radial außen mit einer Dichtung 4 versehen ist.

Auf dem Außenumfang ist der Innenmantel 1 üblicherweise mit einer über die gesamte Länge verlaufenden schraubenförmige Rippe 5, die den Ringspalt zwischen Innenmantel 1 und Außenmantel 2 ausfüllt, versehen. In der Fig. 1 ist von dieser schraubenförmigen Rippe lediglich ein Teil mit einer strichpunktierten Linie angedeutet. Tatsächlich verläuft diese Rippe 5 jedoch über den gesamten Umfang und die ge­ samte Länge des Innenmantels 1. In Fig. 2 ist diese schrau­ benförmige Rippe nicht dargestellt, obwohl sie in Wirklich­ keit auch dort sichtbar wäre.

In Fig. 1 ist der Innenmantel 1 über seine Länge in 3 Ab­ schnitte A, B, C aufgeteilt. Diese Abschnitte spielen bei der Fertigung des verlorenen Modells für die Herstellung des Innenmantels 1 im Vollformgußverfahren (Lost-Foam-Ver­ fahren) eine Rolle.

In dem Abschnitt B ist das verlorene Modell aus beispiels­ weise 5 Ringsegmenten zusammengesetzt. In der Fig. 1 sind die 5 Ringsegmente durch strichpunktierte horizontale Li­ nien angedeutet. Strichpunktiert sind diese Linien deshalb, weil das in Fig. 1 abgebildete Teil der fertiggegossene Innenmantel 1 ist und nicht das formgleiche Modell, das aus Einzelelementen zusammengesetzt ist.

Die einzelnen Ringelemente des verlorenen Modells sind mit den daran in Längsrichtung des Innenmantels 1 versetzt angeordneten Rippen 6 einfach herstellbar. Die versetzte Anordnung der Rippen 6 ist möglich, da das einzelne Ring­ element in Längsrichtung in einer geteilten Form herstell­ bar ist.

In Fig. 3 sind mögliche Formen und Ausrichtungen verschie­ dener Rippen 6 dargestellt. Die Anordnungen und Formen sind jeweils so gewählt, daß die betreffenden Ringelemente mit den Rippen in einer Herstellungsform hinterschnittfrei ent­ formt werden können.

Mit den aufgezeigten Rippen formen läßt sich in dem Ring­ spalt zwischen einem in den Fig. 1 und 2 wiederum mit einer strichpunktierten Linie angedeuteten Flammrohr 7 und der Innenfläche das Innenmantels 1 eine für einen Wärmeübergang günstige turbulente Heißgasströmung erreichen.

In dem Bereich B sind jeweils gleiche Ringelemente aneinan­ dergesetzt, d. h. durch unterschiedliche Anzahl aneinander­ gereihter Ringelemente lassen sich mit den gleichen Grund­ elementen verschieden lange Innenmäntel 1 äußerst rationell herstellen. Die Ringelemente des Abschnittes B sind an den Enden dieses Abschnittes einerseits mit einem Bodenteil versehen, das in der Fig. 1 durch den Abschnitt C angegeben ist und andererseits mit einem Flansch 3 der in der Fig. 1 in dem Bereich A liegt. Der beschriebene elementartige Auf­ bau betrifft lediglich das Gußmodell, während das fertige Innenmantel-Teil 1 von dieser Aufteilung nichts mehr erkennen läßt. Durch den elementartigen Aufbau des Guß­ modells können die Form und Ausrichtung der Rippen 6 pro­ blemlos über die Länge des Innenmantels 1 variiert werden. Diese Variationsmöglichkeit ist insbesondere für die Berei­ che A und C wichtig, um dort die Strömungsverhältnisse mit Bezug auf eine optimale Wärmeübertragung ausrichten zu kön­ nen.

Bei der Ausführung eines Wärmetauschers nach Fig. 4 umfas­ sen der Innen- und Außenmantel 1 bzw. 2 auch denjenigen Teil des Wärmetauschers, in den die Heißgase durch einen Stutzen 8 aus dem Inneren des Innenmantels 1 durch den Außenmantel 2 hindurch abgeführt werden. Dieser Stutzen 8 ist in in dem Innenmantel 1 sowie dem Außenmantel 2 vorge­ sehene Öffnungen eingesteckt und in diesen dicht angebun­ den. Die Herstellung der beiden ineinander gesteckten und dicht miteinander verbundenen Innen- und Außenmäntel 1 bzw. 2 erfolgt nach einem Gießverfahren mit einem verlorenen Mo­ dell, wie es mit Bezug auf das Teil nach den Fig. 1 bis 3 ausführlich beschrieben ist. Insofern können auch die bei der Ausführung nach Fig. 4 mit 9 bezeichneten Rippen als über die Länge versetzte Rippenstücke mit Formen nach der Fig. 3 ausgebildet sein. In jedem Fall kann auch eine durchgehende Längsrippe 9 ohne eine für eine Herstellung im Druckgußverfahren notwendige Aushebeschräge geformt sein. Bei der Darstellung des Innenmantels 1 ist die schrauben­ förmige Rippe 5, die in den Fig. 1 und 2 lediglich strich­ punktiert angedeutet ist, real dargestellt.

Die Wärmeträgerströmungen verlaufen in dem Wärmetauscher nach Fig. 4 wie folgt.

Mit Hilfe der Flamme eines Brenners in dem Flammrohr 7 er­ hitzte Luft durchquert den zwischen dem Flammrohr 7 und dem verrippten Innenumfang des Innenmantels 1 liegenden Ring­ raum, aus dem es durch den Stutzen 8 aus dem Wärmetauscher abgeführt wird. Den Ringraum zwischen Außenmantel 2 und Innenmantel 1 durch strömt in einer durch die schrauben­ förmige Rippe 5 vorgegebenen schraubenförmigen Führung Was­ ser, das dort aufgeheizt wird. Die Zu- und Abfuhr des Wassers erfolgt über nicht dargestellte Stutzen in den Bereichen des Außenmantels 2, die in der Fig. 4 mit Wöl­ bungen nach radial außen erkennbar sind.

Die Ausführung nach Fig. 5 entspricht im Prinzip derjenigen nach Fig. 4. Im Unterschied zu der Ausführung nach Fig. 4 ist bei derjenigen nach Fig. 5 der Stutzen 8 integral an den Innenmantel 2 angeformt und zwar zusammen mit einem Teil des Außenmantels 2. Ferner ist in den Stutzen 8 ein Kanal 10 eingeformt, der über kleine Stutzen 11 eine Zu- und Ableitung nach außen besitzt. Durch diesen Kanal 10 kann flüssiger Brennstoff für den Brenner des Heizgerätes zur Vorwärmung geführt werden. Ebenso wie der Kanal 10 in den Innenmantel 1 eingeformt ist, können in den Innen- und/oder Außenmantel 1 bzw. 2 beliebige Anschlüsse für Meß- und Kontrolleinrichtungen bei der Gußherstellung eingeformt werden.

Bei der Ausführung nach Fig. 6 sind der Innen- und Außen­ mantel 1, 2 als ein kompaktes integrales Mantelteil ausge­ bildet. Dies ist mit der Anwendung des für die Erfindung vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens ohne weiteres mög­ lich. Dabei kann eine durch den Außenmantel 2 bis in den Innenmantel 1 eingreifende Ausnehmung 12 für ein Kontroll­ gerät einfach eingeformt sein. Ein solches einfaches Ein­ formen gilt selbstverständlich auch für die Zu- und Ab­ leitungsstutzen zu dem Ringraum zwischen dem Innen- und Außenmantel 1 bzw. 2, von denen ein Stutzen in der Fig. 6 dargestellt ist.

Um bei einer Ausführung des Innenmantels 1 aus Aluminium einer Temperaturüberhitzung vorzubeugen, kann der von dem Flammrohr 7 beaufschlagte Bereich des Innenmantels 1 durch einen gegebenenfalls durchlässigen Flamm-Schutzschild 13 geschützt werden.

Grundsätzlich können zum Schutze gegen eine Überhitzung des Innemantels alle an sich für einen solchen Schutz bekannten Maßnahmen ergriffen werden, die darin bestehen, an den Män­ teln sowie dem Wärmeträgermedium eine Überhitzungsgefahr signalisierende Parameter zu erfassen. Eine solche Erfas­ sungseinrichtung kann beispielsweise ein in dem Ringraum zwischen Innen- und Außenmantel 1, 2 eingesetzter Blasen­ detektor bei Wasser als Wärmeträgermedium in diesem Raum sein. Auch ein an sich in seinem Aufbau bekannter Flüssig­ keitsstandgeber kann bei Wasser als Wärmeträgermedium in dem Zwischenraum zwischen Innen- und Außenmantel 1, 2 ein­ gesetzt werden.

Mit dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Her­ stellverfahren können Wärmetauscher für insbesondere motorunabhängige Fahrzeugheizungen sehr kompakt, mit hohem Wirkungsgrad und kostengünstig dargestellt werden. Die mögliche Zusammensetzung des verlorenen Gießmodells aus einer Vielzahl von Einzelelementen erlaubt eine hohe Kon­ struktionsfreiheit für insbesondere vielfältige Rippen­ formen am Innenumfang des Innenmantels. Gerade durch solche Rippen formen und Anordnungen kann der Wärmeübertragungswir­ kungsgrad ganz erheblich gesteigert und damit zur Erzielung einer kompakten Bauweise optimiert werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers mit ei­ nem von einem Außen- (2) und koaxial darin liegenden, beid­ seitig verrippten, Leichtmetall-Innenmantel (1) begrenzten ein erstes, insbesondere flüssiges Wärmeträgermedium, füh­ renden ersten Ringraum und einem mit radialem Abstand innerhalb des Innenmantels (1) liegenden einen zweiten, dem ersten Ringraum radial benachbarten, Ringraum bildenden Flammrohr (7), in dem ein zweites, gasförmiges, Wärmeträ­ germedium erhitzt und von einem axialen Ende des Flamm­ rohres (7) aus durch den zweiten Ringraum geführt wird, gekennzeichnet durch eine Herstellung mindestens des Innenmantels (1) in einem mit verloren Formteilen arbeitenden Gießverfahren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verlorenen Formteile einzelne, insbesondere ring­ förmige, Segmente sind und als solche zu einem einzigen kompakten Form- bzw. Modellteil zusammengefügt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießverfahren ein Wachsausschmelz- oder Vollform- (Lost-Foam-) Verfahren ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6) des Innenmantels (1) längs der Achse des Wärmetauschers unterbrochen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterbrochenen Rippen (6) gegenüber der Achse des Wärmetauschers versetzt und/oder beliebig geneigt sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außen- und der Innenmantel (2) bzw. (1) als ein integrales Leichtmetall-Mantelteil (14) gegossen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gegossene Innenmantel (1) mit einem einstückig radial angegossenen Stutzen (8) zur Verbindung des zweiten Ringraumes mit einem Bereich radial außerhalb des Außenman­ tels (2) versehen ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Innenmantel (1) bzw. einen angeformten Stutzen (8) ein Kanal (10) eingeformt wird, in dem ein für das Er­ zeugen einer Flamme in dem Flammrohr (7) bestimmter flüssi­ ger Brennstoff vorgewärmt werden kann.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Innen- und/oder Außenmantel (1) bzw. (2) des Wärmetauschers, insbesondere wenn diese beiden Mäntel (1) , (2) als ein integrales Mantelteil (14) gegossen sind, Auf­ nahmen (12) für von außen anzubringende Meß- und Kontroll­ geräte eingeformt werden.

10. In einem Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche hergestellter Innenmantel (1) eines Wärmetauschers, der insbesondere zusammen mit dem zugehörigen Außenmantel (2) ein integrales Mantelteil (14) sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen-Rippen (6) des Innenmantels (1) in dessen axialen Endbereichen (A, B) und/oder in deren Nähe unter­ schiedlich gegenüber denjenigen Rippen (6) in dem dazwi­ schen liegenden Bereich (A) geformt und ausgerichtet sind.