DE69215277T2

DE69215277T2 - Wärmetauscher in Modulbauweise

Info

Publication number: DE69215277T2
Application number: DE69215277T
Authority: DE
Inventors: James Thomas Haasch; Stanley Frank Meizelis Jr; Robert F Poehlman; Charles James Rogers; Raymond Dale Stratton
Original assignee: Caterpillar Inc; Modine Manufacturing Co
Current assignee: Caterpillar Inc; Modine Manufacturing Co
Priority date: 1991-06-20
Filing date: 1992-06-02
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2012-06-03
Also published as: ES2096720T3; AU1716992A; KR930000926A; KR100212073B1; CA2069246A1; US5137080A; JP3349524B2; CA2069246C; EP0519615A1; JPH05215475A; AU644993B2; MX9203056A; ATE145471T1; DE69215277D1; EP0519615B1; BR9202241A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft modulare Wärmetauscher und insbesondere Wärmetauscher, die als Kühler bei Schwerlastfahrzeugen eingesetzt werden können.

Hintergrund der Erfindung

Die Kosten von vielen Schwerlastgeräten, so beispielsweise von Geländefahrzeugen oder Baugeräten sind so hoch, daß sie relativ konstant genutzt werden müssen, damit sich die Kosten mit gewinnträchtiger Rate amortisieren. Darüber hinaus enthalten viele Bauverträge Leistungsklauseln und/oder Strafen, um den Auftragnehmer dazu zu bringen, das Projekt früher als geplant oder planmäßig abzuschließen. Beide Faktoren sind ein gewichtiges Argument dafür, daß derartige Geräte so konstruiert werden, daß die Ausfallzeit aufgrund von Fahrzeugstörungen auf ein absolutes Minimum verringert wird.
Da Fahrzeuge und Baugeräte dieser Art nur dann ordnungsgemäß funktionieren, wenn ihre Motoren ausreichend gekühlt werden, werden alle möglichen Maßnahmen ergriffen, um sicherzustellen, daß die Kühlsysteme für derartige Motoren langlebig und leicht zu warten sind. Dieser spezielle Aspekt hat zur Entwicklung des sog. modularen Kühlers geführt.
Bei modularen Kühlem werden relativ kleine Kerne, das heißt, Rippen- und Röhrenstrukturen nebeneinander als einzelne Module aufgereiht, die sich zwischen Sammlern (headers) erstrecken. Wenn in einem der Module aufgrund der Funktion des Fahrzeugs oder aus anderen Gründen ein Leck auftritt, ist es weit weniger zeitaufwendig, den undichten Modul auszuwechseln, als den gesamten Kühler auszutauschen. Dadurch wird die Stillstandszeit erheblich verringert, und das Fahrzeug kann schneller wieder eingesetzt werden.
Modulare Kühler sind jedoch nicht ohne Nachteile. Zunächst ist ihre anfängliche Montage erheblich kostenaufwendiger. Darüber hinaus nehmen viele derartige modulare Kühler mehr Raum in dem Fahrzeug ein, als wünschenswert ist, da die Rahmen der modularen Kühler so konstruiert werden müssen, daß Bewegung der Module zueinander möglich ist, so daß einer von ihnen entfernt oder installiert werden kann, ohne mit den anderen in Berührung zu kommen.
In jüngster Zeit ist ein modularer Kühler mit Wärmetauschmodulen, die Rippenröhren enthalten, die sich zwischen beabstandeten Tanks erstrecken, in US-A-4,741,392 vorgeschlagen worden. Der in diesem Patent offenbarte Wärmetauscher umfaßt: einen länglichen Verteiler mit einem inneren Einlaßkanal und einer Vielzahl von beabstandeten Einlaßöffnungen an dem Verteiler, die mit dem Einlaßkanal in Fluidverbindung stehen; ein längliches Element, das von dem Verteiler beabstandet und parallel zu ihm ist; sowie eine Vielzahl von Wärmetauschmodulen, die jeweils erste und zweite beabstandete Tanks aufweisen, wobei die Wärmetauschmodule nebeneinander zwischen dem Verteiler und dem Element angebracht sind und jeder zweite Tank eine Einlaßöffnung aufweist, die mit einer entsprechenden der Einlaßöffnungen in dem Verteiler fluchtend und in Fluidverbindung ist.
Obwohl sich mit dieser Konstruktion eine Reihe der Probleme umgehen lassen, die bisher beim Einsatz von modularen Kühlern aufgetreten sind, wirkt sich die Notwendigkeit des Vorhandenseins von zwei Tanks für jeden Modul, die mit zwei Verteilern verbunden sind, nachteilig auf die Kosten aus.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der obenstehenden Probleme zu lösen und schafft einen modularen Wärmetauscher, der umfaßt:
eine Vielzahl von Wärmetauschmodulen, die jeweils beabstandete Tanks aufweisen, eine Vielzahl Rippenröhren, die sich zwischen den Tanks erstrecken, wobei jede Röhre ein erstes Ende aufweist, das sich zu einem der Tanks und darin öffnet, sowie ein zweites Ende, das sich zu dem anderen der Tanks und darin öffnet, einen Einlaß und einen Auslaß in einem der Tanks, sowie eine Zwischenwand, die in dem einen Tank zwischen dem Einlaß und dem Auslaß angeordnet ist und direkten Fluidstrom zwischen dem Einlaß und dem Auslaß verhindert; einen Verteiler mit einem Einlaßkanal, der mit den Einlassen der Wärmetauschmodule in Fluidverbindung steht, sowie einem Auslaßkanal, der mit den Auslassen der Wärmetauschmodule in Fluidverbindung steht; eine Dichtung, die sich zwischen jedem der einen Tanks und der angrenzenden Fläche des Verteilers befindet; und ein längliches Rahmenelement, das von dem Verteiler beabstandet und parallel zu ihm ist, wobei die Wärmetauschmodule zwischen dem Rahmenelement und dem Verteiler nebeneinander angebracht sind.
Bei einer stark bevorzugten Ausführung sind die Röhren in einer Vielzahl von Reihen angeordnet und es befindet sich eine Vielzahl Röhren in jeder dieser Reihen. Die Rippen erstrecken sich zwischen den Röhren an der Außenseite derselben, und jeder Modul ist mit einer Haltestruktur in Form eines Halteansatzes bzw. einer Haltetülle versehen.
Bei einer stark bevorzugten Ausführung sind die Haltestrukturen bzw. -tüllen an den Tanks so ausgerichtet, daß der Modul in einem Rahmen in einer von zwei Positionen angeordnet werden kann, die auf einer Achse, die zwischen den Tanks verläuft, um 180º auseinanderliegen. Das heißt, jeder Modul weist eine Mittellinie auf, und die Tülle bzw. Haltestruktur befindet sich auf der Mittellinie, wobei die Öffnungen einander um die Mittellinie herum diametral gegenüberliegen und von der Mittellinie gleichmäßig beabstandet sind.
Bei einer Ausführung haben die Röhren abgeflachte Seiten, und die Zwischenwand ist länglich und im allgemeinen quer zu den abgeflachten Seiten.
Der Verteiler weist eine Vorderseite und eine Rückseite auf. Wenn er zusammen mit einem Gebläselüfter eingesetzt wird, befindet sich der Einlaßkanal näher an der Vorderseite als der Auslaßkanal. Wenn er mit einem Sauglüfter eingesetzt wird, befindet sich der Einlaßkanal näher an der Rückseite. Dadurch wird ein Zweiweg-Gegenstrom-Wärmetauscher mit hohem Wirkungsgrad geschaffen.
Bei einer stark bevorzugten Ausführung besteht der Verteiler selbst aus einer Vielzahl von nebeneinander abgedichtet angeordneten Verteilermodulen, und jeder der Verteilermodule weist wenigstens eine Einlaßöffnung und wenigstens eine Auslaßöffnung auf. Die Kanäle in den Modulen sind zueinander fluchtend und abgedichtet.
Die Erfindung sieht das Vorhandensein von elastischen Dichtungseinrichtungen zwischen den Tanks mit den Öffnungen und dem Verteiler zusammen mit einem Schwingungsdämpfer zwischen den anderen Tanks und dem Rahmenelement vor.
Die elastische Dichtungseinrichtung ist vorzugsweise eine Gummidichtung, die so bemessen ist, daß sie zwischen den Verteiler und jeden der Tanks mit dem Öffnungen paßt. Der Schwingungsdämpfer ist ein Gummiring, der über jeden der anderen Tanks paßt, um die Tanks gegenüber dem Rahmenelement zu isolieren. Der Dämpfer weist einen Innenrand und einen Außenrand mit einer Rinne dazwischen auf, wobei der Außenrand kürzer ist als der Innenrand.
Die Erfindung sieht des weiteren vor, daß der Wärmetauscher in einer vertikalen Ausrichtung eingesetzt wird, wobei sich das Rahmenelement oben befindet und sich der Verteiler unten befindet.
Bei einer stark bevorzugten Ausführung eines Wärmetauschers weist ein länglicher Verteiler beabstandete innere Einlaß- und Auslaßkanäle auf, eine Vielzahl von Einlaßöffnungen an dem Verteiler, die jeweils in Fluidverbindung mit dem Auslaßkanal stehen, sowie ein längliches Rahmenelement, das von dem Verteiler beabstandet und parallel zu ihm ist und eine Vielzahl beabstandeter Haltestrukturen daran aufweist. Eine Vielzahl Wärmetauschermodule sind zwischen dem Rahmenelement und dem Verteiler nebeneinander angebracht. Jeder Modul weist erste und zweite beabstandete Tanks auf, wobei sich eine Vielzahl von Rippenröhren zwischen den Tanks erstreckt und in Fluidverbindung mit ihnen steht. Der erste Tank weist eine eingreifende Haltestruktur auf, die in eine entsprechende eingreifende Struktur an dem Rahmenelement eingreift. Der zweite Tank weist eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung auf, die mit einer entsprechenden Einlaßöffnung und einer entsprechenden Auslaßöffnung in dem Verteiler fluchtend sind und in Fluidverbindung damit stehen. Eine Zwischenwand ist in dem zweiten Tank zwischen den Einlaß- und den Auslaßöffnungen desselben angeordnet, so daß selbige in dem Tank voneinander isoliert sind. Der erste Tank weist wenigstens eine Entlüftungseinrichtung an der Außenseite der Tankeingriffshaltestruktur auf. Die modulare Entlüftungseinrichtung kann mit den Entlüftungseinrichtungen angrenzender Module verbunden werden, so daß benachbarte Module darüber in Fluidverbindung stehen können. Das heißt, jeder Modul weist zwei röhrenförmige Entlüftungseinrichtungen auf, die sich von selbigem erstrecken, wobei eine U-förmige Rhre benachbarte Entlüftungseinrichtungen zwischen benachbarten Modulen verbindet.
Andere Aufgaben und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

Beschreibung der zeichnungen

Fig. 1 ist eine Ansicht eines modularen Wärmetauschers, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Seitenansicht des modularen Wärmetauschers;
Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Vorderansicht des modularen Wärmetauschers;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht eines der Tanks des Moduls;
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf einen der Verteilermodule mit einem dazugehörigen Einlaß- und Auslaßanschlußteil, das daran angebracht ist;
Fig. 6 ist eine Ansicht einer weiteren Ausführung eines modularen Wärmetauschers, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 7 ist eine Seitenansicht eines einzelnen Wärmetauschermoduls aus Fig. 6;
Fig. 8 ist eine Seitenansicht des Moduls in Fig. 7, der an dem Wärmetauscher angebracht ist;
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf den modularen Wärmetauscher in Fig. 6;
Fig. 10 ist eine Draufsicht auf ein Halteteil für den oberen Tank;
Fig. 11 ist eine Seitenansicht des Halteteils in Fig. 10;
Fig. 12 ist eine Draufsicht auf einen Dichtungsring für den oberen Tank;
Fig. 13 ist eine Seitenansicht auf einen Abschnitt des Dichtungsrings in Fig. 12;
Fig. 14 ist eine Draufsicht auf eine untere Verteilerplatte;
Fig. 15 ist eine Hinteransicht einer Dichtung für den unteren Tank; und
Fig. 16 ist eine Seitenansicht der Dichtung für den unteren Tank in Fig. 15; und
Fig. 17 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer alternativen Ausführung der Dichtung für den unteren Tank.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Eine beispielhafte Ausführung eines modularen Kühlers, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist, ist in Fig. 1 dargestellt, und daraus ist ersichtlich, daß sie einen Rahmen enthält, der allgemein mit 10 gekennzeichnet ist, der seinerseits eine Vielzahl einzelner Wärmetauschmodule aufnimmt, die jeweils allgemein mit 12 gekennzeichnet sind. Normalerweise sind die Module alle gleich lang, dies ist jedoch nicht immer der Fall.
Der Rahmen 10 besteht aus einem Halteteil 14 für den oberen Tank, das die Form einer länglichen, sich nach oben öffnenden U-förmigen Leiste hat. An seinen Enden ist das Halteteil 14 lösbar mit einem rechten und einem linken Seitenteil 16 und 18 verbunden.
An der untersten Position im Rahmen befindet sich ein unteres Rahmenelement, das auch als Verteiler dient und allgemein mit 20 gekennzeichnet ist. Der Verteiler 20 besteht, wie zu sehen ist, aus einer Vielzahl von Verteilermodulen, die jeweils allgemein mit 22 gekennzeichnet sind, und einem weiter unten erläuterten Zweck dienen. An einem Ende kann an dem Verteiler 20 ein Einlaß-/Auslaßanschlußteil 24 angebracht sein, das seinerseits mit Einlaß- und Auslaßleitungen 26, 28 (Fig. 5) verbunden ist.
Wie zunächst aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, enthält jeder Modul 12 eine Vielzahl Röhren mit ovalem bzw. abgeflachtem Querschnitt, die mit 30 gekennzeichnet sind. Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, sind sechs Reihen von jeweils zehn Röhren vorhanden. Rippen 32 erstrecken sich zwischen den Außenseiten der Röhren in den verschiedenen Reihen. Die Rippen sind, wie dargestellt, sog. Plattenrippen, für den Fachmann liegt jedoch auf der Hand, daß auch Schlangenrippen eingesetzt werden könnten.
Am oberen Ende jeder der Röhren 30 ist eine sich nach oben öffnende, schalenförmige Sammlerplatte 34 vorhanden, durch die die Röhren 30 hindurchverlaufen, und an der die Röhren auf jede gewünschte Weise befestigt und abgedichtet werden können.
Vorzugsweise besteht die Anbringung und Abdichtung aus der, die unter dem Warenzeichen Beta-Weld von einem der Abtretungsempfänger der vorliegenden Anmeldung vertrieben wird. Eine sich nach unten öffnende, flache schalenförmige Tankhälfte 36 ist in der Sammlerplatte 34 aufgenommen und daran abgedichtet. Bei der dargestellten Ausführung bestehen die Sammlerplatte 34 und die Tankhälfte 36 aus Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Messing, und können miteinander verlötet, verschweißt oder hartverlötet werden. Es ist jedoch anzumerken, daß auch Kunststoffbauteile verwendet werden können. In jedem Fall bilden die Sammlerplatte 34 und die Tankhälfte 36 einen Tank am Ende des Bündels von Röhren 30 bzw. des Endes eines Kerns, der von den Röhren 30 und den Rippen 32 gebildet wird.
Von der oberen Außenfläche der Tankhälfte 36 steht eine Positioniertülle bzw. ein Ansatz 40 nach oben vor. Der Ansatz 40 wird in einer Öffnung 42 in der Wölbung 44 des Tankhalteteils 14 aufgenommen. Vorteilhafterweise wird eine elastische Buchse 46 zwischen die Seiten der Öffnung 42 und den Ansatz 40 eingesetzt, um Schwingungen zu dämpfen. Auf die gleiche Weise wird eine elastische Auflage 48 zwischen der Unterseite der Wölbung 44 und der Oberseite des Tanks 36 angebracht, die als Schwingungsdämpfer dient. Bei einer bevorzugten Ausführung können die Buchse 46 und die Auflage 48 aus einem Teil bestehen.
Gegenüber dem Tank, der durch die Sammlerplatte 34 und die Tankhälfte 36 gebildet wird, endet das Röhrenbündel in einer zweiten Sammlerplatte 50, in der die Enden der Röhren 30 auf gleiche Weise wie bei der Sammlerplatte 34 befestigt und abgedichtet sind. Wie die Sammlerplatte 34 ist die Sammlerplatte 50 leicht schalenförmig, sie öffnet sich jedoch nach unten und nimmt eine flache, schalenförmige, sich nach oben öffnende Tankhälfte 52 auf. Auch diese Bauteile bestehen aus Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Messing, sie können jedoch, wenn gewünscht, aus Kunststoff bestehen.
Die Röhren 30 sind, wie bereits angedeutet, ovale Röhren, das heißt, von der Art, die einander gegenüberliegende abgeflachte Seiten 56 aufweisen. In dem unteren Tank, der durch die Sammlerplatte 50 und die Tankhälfte 52 gebildet wird, und in der Mitte zwischen den Reihen von Röhren 30, in diesem Fall zwischen drei Röhren auf der linken und drei Röhren auf der rechten Seite, befindet sich eine längliche Zwischenwand 60 (Fig. 2 und 4), die den unteren Tank in zwei Hälften mit im wesentlichen gleichem Volumen unterteilt. Bei einem Modul mit Rinnen von Röhren (furrows of tubes) befindet sich die Zwischenwand zwischen zweieinhalb Reihen auf der linken und auf der rechten Seite. Auf einer Seite der Zwischenwand 60 befindet sich ein sich nach unten erstreckendes Anschlußstück 62, das als Fluideinlaßöffnung zu dem unteren Tank dient, der durch die Sammlerplatte 50 und Tank 52 gebildet wird. Auf der gegenüberliegenden Seite der Zwischenwand 60 befindet sich ein sich nach unten erstreckendes Anschlußstück 64, das als Auslaßöffnung für diesen Tank dient. Es liegt auf der Hand, daß aufgrund des Vorhandenseins der Zwischenwand 60 Fluid, das über den Einlaß 62 in den Modul 12 gelangt, nicht direkt über den unteren Tank zu dem Auslaß 64 strömen kann. Statt dessen muß es durch die, in Fig. 2 gesehen, rechten drei Reihen von Röhren 30 nach oben zum oberen Tank strömen, der durch den Sammler 34 und Tankhälfte 36 gebildet wird. An diesem Punkt kann es nach links strömen und dann durch die linken drei Reihen von Röhren schließlich zum unteren Tank und aus dem Auslaß 64 herausfließen.
Vorzugsweise ist die Anordnung so, daß der Strom des zweiten Wärmetauschfluids, normalerweise Luft, in der Richtung der Pfeile 66 stattfindet, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Daher beginnt eintretendes Kühlmittel, wenn der Wärmetauscher als Kühler benutzt wird, seinen Weg an der Rück- bzw. Stromabseite des Moduls und fließt vorwärts, so daß aufgrund des Vorhandenseins der Zwischenwand 60 eine Gegenstromanordnung zusammen mit einer Zweiwegeanordnung entsteht.
Die Anschlußstücke 62 und 64 sind in entsprechenden Aufnahmeöffnungen bzw. Bohrungen 68 und 70 in einem der Verteilermodule 22 aufgenommen. Zu Dichtungszwecken befindet sich eine Dichtung, die allgemein mit 72 gekennzeichnet ist, zwischen dem unteren Tank und der Oberseite 74 jedes der Module 22. Jede Dichtung 72 enthält einen flachen planen Abschnitt 76 und zwei im allgemeinen zylindrische Abschnitte 78 und 80, die von dem flachen Abschnitt 76 nach unten vorstehen. Die zylindrischen Abschnitte 78 und 80 sind so bemessen, daß sie in die Aufnahmeöffnungen 68 und 70 in jedem Verteilermodul 22 passen und die Seiten desselben an den Seiten der Anschlußstücke 62 und 64 abdichten. Der flache Abschnitt 76 dichtet und isoliert den Verteiler gegen die Module 12 zu Schwingungsdämpfungszwecken ab.
Wie aus Fig. 2, 3 und 5 ersichtlich ist, enthält jeder der Verteilermodule 22 einen Einlaßkanal 84 und einen Auslaßkanal 86. Die Einlaßöffnungen 68 stehen in Fluidverbindung mit dem Einlaßkanal 84, und die Auslaßöffnungen stehen in Fluidverbindung mit den Auslaßkanälen 86. An einer Fläche jedes Verteilermoduls 22 befindet sich eine Umfangsaussparung 90 um jeden der Kanäle 84,86 herum und nimmt eine O-Ring-Dichtung 92 auf. Dadurch können die einzelnen Verteilermodule 22 zusammen mit den Kanälen 84 und 86 geschichtet werden und aufeinander ausgerichtet werden, und nehmen über Bohrungen 94 Zugbolzen (nicht dargestellt) auf, die sie, wie in Fig. 1 dargestellt, zusammenhalten. Die O-Ring-Dichtungen 92 dichten dabei die Grenzflächen der einzelnen Module 22 ab.
Das Anschlußteil 24 kann, wenn gewünscht, mit den gleichen Zugbolzen festgehalten werden.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß jeder der Module 12 eine Mittellinie hat, die zwischen dem oberen und dem unteren Tank verläuft, und auf die der Ansatz 40 zentriert ist. Die Anordnung der Mittellinie, wie sie hypothetisch erscheinen würde, wenn sie zu einem der Verteilermodule 22 verlängert wird, ist in Fig. 5 mit Punkt 100 dargestellt, und es ist zu sehen, daß die Öffnungen 68 und 70, die natürlich mit den Anschlußstücken 62 und 64 am unteren Tank fluchtend sind, einander über die Mittellinie diametral gegenüberliegen und von selbiger gleichmäßig beabstandet sind.
Diese Ausrichtung ermöglicht es, einen Modul in dem Rahmen auch von kaum ausgebildeten Arbeitskräften installieren zu lassen. Der Modul kann in dem Rahmen nur in einer von zwei Positionen angebracht werden, die um die Mittellinie des Moduls herum um 180º auseinanderliegen, und in beiden Positionen sind die Zwischenwände 60 quer zur Richtung des Luftstroms 66, das heißt, die flachen Seiten 56 der Röhren 30 sind vorteilhafterweise parallel zur Richtung des Luftstroms 66. Wenn der Installierende die Anordnung des Moduls 22 unbeabsichtigt umkehren sollte, so daß die Auslaßöffnung 64 desselben in der Einlaßöffnung 68 des entsprechenden Verteilermoduls 22 angeordnet wird, und die Einlaßöffnung 62 des Moduls in der Verteileröffnung 70 angeordnet wird, spielt dies aufgrund der erwähnten Beziehung keine Rolle, und die Bauteile funktionieren ordnungsgemäß.
Eine weitere beispielhafte und stark bevorzugte Ausführung eines modularen Kühlers, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist, ist in Fig. 6 bis 16 dargestellt.
In Fig. 6 ist zu sehen, daß ein modularer Kühler einen rechteckigen Rahmen enthält, der allgemein mit 110 bezeichnet ist und eine Vielzahl einzelner Wärmetauschmodule aufnimmt, die jeweils allgemein mit 112 gekennzeichnet sind. Der Rahmen 110 besteht aus einem oberen Tankhalteteil 114, das die Form einer länglichen L-förmigen Leiste hat, die an den Enden lösbar mit beabstandeten, vertikalen Seitenteilen 116 und 117 verbunden ist und eine Vielzahl von Halteplatten 119, das heißt eine für jeden Modul, trägt. Bei einer alternativen Ausführung kann eine Platte für ein, zwei oder mehr Module verwendet werden. Unten im Rahmen befindet sich ein unteres Rahmenelement 120, das auch als Verteiler dient.
In Fig. 7 ist zu sehen, daß jeder Modul eine Vielzahl von Röhren mit ovalem oder abgeflachtem Querschnitt 130 enthält, wie dies bei der vorhergehenden Ausführung der Fall ist. Am oberen Ende jeder der Röhren 130 befindet sich eine sich nach oben öffnende, schalenförmige Sammlerplatte 134, durch die die Röhren 130 hindurch verlaufen, und an denen die Röhren wie bei der vorhergehenden Ausführung befestigt und abgedichtet sein können. Eine sich nach unten öffnende, flache schalenförmige Tankhälfte 136 ist in der Sammlerplatte 134 aufgenommen und daran abgedichtet. Die Sammlerplatte 134 und Tankhälfte 136 bilden einen Tank 139 am oberen Ende des Moduls. Wie bei der vorhergehenden Ausführung bestehen der Tank 139 und die Halteplatten 119 aus Metall, es können jedoch auch Kunststoffbauteile eingesetzt werden.
Von der oberen Außenfläche der Tankhälfte 136 steht eine Positioniertülle bzw. ein Ansatz 140 nach oben vor. Der Ansatz 140 wird in einer entsprechenden Halteplatte 119 (Fig. 6,8 und 9) aufgenommen, wie dies weiter unten deutlich wird. Von der Oberseite jedes Ansatzes 140 steht wenigstens eine Entlüftungsröhre 150 vor. Wie in Fig. 6 zu sehen ist, stehen bei einer bevorzugten Ausführung von jedem Ansatz 140 zwei Röhren vor. Die Röhren 150 stehen vertikal nach oben vor und weisen eine Krümmung in die Horizontale auf, und zwar innerhalb der Umhüllenden des entsprechenden Ansatzes 140. Die Röhren 150 stehen in Fluidverbindung mit dem Inneren des entsprechenden Tanks 139 und wirken als Entlüftungseinrichtungen für Gase oder Dämpfe, die durch Verbrennungsgaslecks in dem Motor entstehen können. Sie leiten des weiteren Luft aus der Oberseite jedes Moduls ab, wenn der Kühler mit Kühlmittel gefüllt wird, und wirken, wie weiter unten ersichtlich wird, zusammen und ermöglichen so die Ausdehnung des Kühlmittels.
In Fig. 9 ist zu sehen, daß die benachbarten Entlüftungseinrichtungen einandergrenzender Module durch Entlüftungsschläuche 160 in Fluidverbindung miteinander gebracht werden. Jeder Entlüftungsschlauch 160 ist U-f örmig und paßt um die horizontalen Abschnitte der Röhren 150. Der Schlauch 160 wird mit Klemmen 162 befestigt. Obwohl nur einer dargestellt ist, ist zu sehen, daß alle aneinandergrenzenden Module auf gleiche Weise verbunden werden können. Auf diese Weise werden die Gase, die durch Verdampfung entstehen, über die Röhren 150 abgeleitet und mit Entlüftungsschläuchen 160 über die Länge des Kühlers durch die oberen Tanks 139 aller Module 112 geleitet.
Eine Röhre an einem Ende der Reihe von Modulen kann zugeklemmt werden. Am anderen Ende der Reihe kann eine Röhre über einen Schlauch (nicht dargestellt) mit einer Öffnung 164 (Fig. 6) eines herkömmlichen Ableitungstanks (shunt tank) 166 verbunden sein. Der Tank 166 enthält eine herkömmliche Einfüll und Druckkappe 168. Dadurch dienen die Röhren 150 auch als ein Mittel, mit dem heißes Kühlmittel, dessen Volumen aufgrund von Erwärmung zugenommen hat, zu dem Ausdehnungstank 166 geleitet werden kann.
Wie in Fig. 6 - 8 zu sehen ist, weist jeder Tank zwei Entlüftungsröhren 150 auf. Bei einer alternativen Konstruktion wäre, obwohl dies nicht dargestellt ist, eine Entlüftungsröhre pro Tank vorhanden, und die Entlüftungsröhren benachbarter Tanks würden mit T-förmigen Schläuchen in Fluidverbindung gebracht werden.
Als Alternative dazu können die Module 112 in umgekehrter Position in den Kühler integriert werden, in der sich die Tanks 139 ganz unten befinden. In diesem Fall können die Röhren 150 als Abflüsse dienen, wenn der Kühler entleert wird.
In Fig. 8 - 11 ist zu sehen, daß die Halteplatten 119 L-förmig sind und über die oberen Außenflächen entsprechender Tankhälften 136 passen. Jede Platte 119 weist ein Loch 162 auf, das den entsprechenden Positionieransatz 140 aufnimmt. Jede Halteplatte 119 weist des weiteren einen Flansch 184 zur Anbringung an dem Tankhalteteil 114 mit Schrauben 185 auf. Da sich die Entlüftungsröhren 150 innerhalb der Umhüllenden der Zapfen 140 befinden, lassen sich letztere leicht in die Öffnungen 182 einführen.
In Fig. 8, 12 und 13 ist zu sehen, daß ein Dichtungsring 186 zwischen jeder Tankhälfte 136 und der dazugehörigen Halteplatte 119 angeordnet ist. Der Dichtungsring 136 besteht aus Gummi oder Elastomer, das die Auswirkungen der Wärmeausdehnung und der Schwingung auf den Modul 112 dämpft. Der Dichtungsring 186 enthält konzentrische, beabstandete, radiale innere und äußere zylindrische Flächen 188 bzw. 189, die jeweils entsprechende obere Abschlußflächen 190, 191 aufweisen, sowie eine dazwischen befindliche Umfangsrinne bzw. Nut 192, die die Zusammendrückbarkeit verbessert. Der Dichtungsring 186 weist eine Mittelöffnung 194 auf, die fest um den Positionieransatz 140 herum paßt.
Die Außenfläche 189 ist kürzer als die Innenfläche 188 und schützt vor den Auswirkungen axialer Schwingungen und der wärmeausdehnung. Die Oberseite bzw. das Ende 190 der kürzeren Fläche 189 liegt an der Unterseite der oberen Halteplatte 119 an und absorbiert axiale Komponenten der Schwingungen. Die längere Innenfläche 191 erstreckt sich durch die Öffnung 182, so daß sie sich zwischen jedem Ansatz 140 und der entsprechenden Halteplatte 119 befindet und vor den Auswirkungen von radialen Schwingungen schützt. Das heißt, die längere Fläche 191 erstreckt sich über die Position hinaus, an der die Halteplattenöffnung 182 auf den Ansatz 140 auftrifft, so daß Isolierung zwischen den Metallmaterialien gewährleistet ist und die radialen Komponenten von Schwingungen sowie die Auswirkungen der Wärmeausdehnung gedämpft werden.
In Fig. 11 ist zu sehen, daß bei einer bevorzugten Ausführung die Halteplatte 119 einen das Loch 182 umgebenden Rand 196 aufweist, der um den Ansatz 140 herumpaßt und unterhalb der Oberseite des Ansatzes 140 endet. Der Rand 196 paßt, obwohl nicht dargestellt, um die Außenseite der längeren Innenfläche 191. Der Einsatz des Randes 196 verringert den Druck auf den Dichtungsring 186 in der radialen Richtung in bezug auf das Loch 182.
Im allgemeinen ermöglicht der Dichtungsring 186 neben der erwähnten Isolierung eine Lockerung der Toleranzanforderungen an das System.
In Fig. 7 ist zu sehen, daß an dem dem oberen Tank 139 gegenüberliegenden Ende des Moduls das Röhrenbündel jedes Moduls in einer Sammlerplatte 198 endet, in der die Enden der Röhren 130 befestigt und abgedichtet sind. Die Sammlerplatte 198 ist leicht schalenförmig und öffnet sich nach unten, so daß sie eine flache, sich nach oben öffnende Tankhälfte 200 aufnimmt. Die Sammlerplatte 198 und die Tankhälfte 200 bilden einen unteren Tank 201. Der Aufbau des unteren Tanks 201 ist der gleiche wie der bei der ersten Ausführung beschriebene, er weist eine Einlaßtülle und eine Auslaßtülle 210 bzw. 212 an einander gegenüberliegenden Seiten einer Zwischenwand 214 auf, die den unteren Tank im wesentlichen in zwei gleiche Abschnitte, einen Einlaßabschnitt 215 und einen Auslaßabschnitt 216, unterteilt.
In Fig. 8 und 14 ist zu sehen, daß die unteren Tanks 201 jedes der Module 112 durch Z-Winkel 220 mit Schrauben 226 an einer Platte 224 gehalten werden, die die Oberseite des Verteilers 120 bildet. Die Platte 224 weist eine Vielzahl von im allgemeinen kreisförmigen Löchern bzw. Öffnungen 228 auf, die die Einlaß- und Auslaßtüllen 210 und 212 jedes der Module aufnehmen, so daß sie mit entsprechenden Öffnungen 228 in dem Verteiler 120 in Verbindung stehen.
In Fig. 15 und 16 ist zu sehen, daß eine Dichtung der unteren Halterung 230 um den unteren Tank 201 jedes Moduls herum angeordnet werden kann und zwischen den unteren Tank 201 und den entsprechenden Abschnitt der Platte 224 sowie die Z-Winkel 220 paßt. Die Dichtung 230 ist c-förmig und weist Seitenwände 232 und obere Flansche 234 auf, die fest um den unteren Tank 201 herumpassen und ihn gegen die Platte 224 und die Z- Winkel 220 isolieren. Der zweite Abschnitt der Dichtung 230 weist darüber hinaus zylindrische Ansätze 240 und 242 auf, die die Einlaß- und Auslaßtüllen 210 und 212 umgeben, so daß Isolierung zwischen dem unteren Tank 201 und dem Verteiler 120 gewährleistet ist. In Fig. 17 ist zu sehen, daß eine alternative Ausführung der Dichtung 230 aus zwei separaten Abschnitten besteht. Ein Abschnitt 246 befindet sich zwischen den Z-Winkeln 220 und dem Tank 201. Ein zweiter Abschnitt 248 ist wie der Boden der Dichtung 230 geformt und befindet sich an dem unteren Tank 201 zwischen dem entsprechenden Abschnitt der Platte 224. Die Dichtung 230, die aus Gummi oder Elastomer besteht, wirkt sowohl als Dichtung als auch als Isolierung und verhindert Abrieb der Metalle, die aneinanderreiben, wenn der Modul 112 vibriert, und dichtet die Grenzfläche jedes Moduls 112 und des Verteilers 120 ab. Das elastische Material dämpft sowohl Schwingungen als auch die Auswirkungen von Wärmeausdehnung.
Zusätzlich zu der Platte 224 enthält der Verteiler 120 eine U-förmige Umhüllung 260. Eine Zwischenwand 262 ist vertikal in der Längsrichtung im Innern der Umhüllung angeordnet und unterteilt den Verteiler im wesentlichen in zwei gleiche U- förmige Kammern 264, 266, die als die Einlaß- und Auslaßkammern dienen. Die Zwischenwand 262 erstreckt sich von dem Boden der Umhüllung bis zur Platte 224, so daß zwei isolierte Kammern entstehen und eine Reihe der Öffnungen 228 Einlaßöffnungen 268 und die andere Reihe Auslaßöffnungen 269 sind.
In Fig. 6 und 8 ist zu sehen, daß der Verteiler 120 eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung 270 und 272 an einer Fläche 280 des Verteilers 120 an die Einlaßkammer 264 angrenzend aufweist. In Fig. 8 ist zu sehen, daß eine Röhre 290 die Auslaßkammer 266 über die Einlaßkammer 266 und Zwischenwand 262 mit der Auslaßöffnung 272 verbindet.
Fluid wird über die Verteilereinlaßöffnung 270 in die Verteilereinlaßkammer 264 gebracht. Wie bei der vorangegangen Ausführung hält die Verteilerzwischenwand 262 das Fluid davon ab, direkt in die Auslaßkammer 266 des Verteilers 120 einzuströmen. Das Fluid bewegt sich über die entsprechenden Moduleinlaßtüllen 210 nach oben in die Einlaßabschnitte 215 aller unteren Tanks 201 des Moduls hinein.
Die Zwischenwände 214 der unteren Tanks in den Modulen 212 hindern das Fluid daran, direkt in die Auslaßabschnitte 216 der unteren Tanks 201 einzuströmen&sub4; Daher strömt das Fluid in den Röhren 130, die in Fluidverbindung mit den Einlaßabschnitten 215 stehen, nach oben zu den oberen Tanks 139 und anschließend durch die anderen der Röhren 130 in die Auslaßabschnitte 216 der unteren Tanks 201. Von dort aus strömt das Fluid über die Auslaßtüllen 212 der Module 112 und entsprechende Auslaßöffnungen 269 in der Verteilerplatte 224 durch die Röhre 290 in den Verteiler 120 zu der Auslaßöffnung 272.
Für den Fachmann liegt auf der Hand, daß der obenstehende Aufbau alle Vorteile beibehält, die bisher von modularen Konstruktionen her bekannt waren und mit ihnen in Zusammenhang gebracht wurden, wobei gleichzeitig neue erzielt werden. Jeder einzelne Modul kann entfernt werden, indem lediglich die Tankhalteteile 14 bzw. 220 gelöst werden. Damit wird die umfangreiche Demontage, die bei Klapp-Vorder-Modularbaugruppen (folded front type modular assemblies) erforderlich ist, vermieden.
Bei einem Wärmetauscher, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wird lediglich ein einzelner Verteiler 20, 120 eingesetzt, so daß die Kosten vermieden werden, die mit dem Einsatz von oberen und unteren Verteilern einhergehen, die sich bei einigen Konstruktionen finden.
Der Einsatz eines Mehrweg-Gegenstrom-Strömungsbildes, das durch die Verwendung der Module und insbesondere das Vorhandensein der Zwischenwand 60 in den unteren Tanks möglich wird, verbessert den Wärmeübertragungswirkungsgrad.
Es ist auch anzumerken, daß es, da sich die Öffnungen 62 und 64 bzw. 215 und 216 am gleichen Ende jedes Moduls befinden, nicht erforderlich ist, genaue Toleranzen bei der Herstellung einzuhalten, wie dies bei anderen Systemen der Fall sein kann, bei denen sich die Öffnungen an einander gegenüberliegenden Seiten bzw. Enden der einzelnen Module befinden.
Des weiteren ermöglichen die Entlüftungseinrichtungen 150 das Ablassen von Gasen aus dem System, so daß sich die Wärmetauschkapazitt verbessert. Die Dichtungen 186 und 230 an dem oberen und dem unteren Tank 139 und 201 dämpfen Schwingungen, die ansonsten den Kühler beschädigen würden und verlängern somit die Lebensdauer des Systems.

Claims

1. Modularer Wärmetauscher, der umfaßt:

eine Vielzahl von Wärmetauschmodulen (12,112), die jeweils beabstandete Tanks (36,52) aufweisen, eine Vielzahl Rippenröhren (30), die sich zwischen den Tanks erstrecken, wobei jede Röhre ein erstes Ende aufweist, das sich zu einem der Tanks und darin öffnet, sowie ein zweites Ende, das sich zu dem anderen der Tanks und darin öffnet, einen Einlaß (62) und einen Auslaß (64) in einem (52) der Tanks, sowie eine Zwischenwand (60), die in dem einen Tank (52) zwischen dem Einlaß und dem Auslaß angeordnet ist und direkten Fluidstrom zwischen dem Einlaß und dem Auslaß verhindert; einen Verteiler (20) mit einem Einlaßkanal (84), der mit den Einlassen (62) der Wärmetauschmodule in Fluidverbindung steht, sowie einem Auslaßkanal (86), der mit den Auslassen (64) der Wärmetauschmodule in Fluidverbindung steht; eine Dichtung (72), die sich zwischen jedem der einen Tanks (52) und der angrenzenden Fläche des Verteilers (20) befindet; und ein längliches Rahmenelement (14), das von dem Verteiler beabstandet und parallel zu ihm ist, wobei die Wärmetauschmodule zwischen dem Rahmenelement (14) und dem Verteiler (20) nebeneinander angebracht sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das längliche Element (14) eine Vielzahl von Öffnungen (42,182), das heißt eine für jeden Modul (12) enthält, und der andere Tank (36) jedes Wärmetauschmoduls eine Tülle (40,140) enthält, die in einer entsprechenden der Öffnungen (42) angeordnet ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entlüftungseinrichtung (150) in jeder der Tüllen (140) vorhanden ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungseinrichtungen (160) die Entlüftungseinrichtungen (150) an einer Vielzahl der Module (112) miteinander verbinden.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (62) und der Auslaß (64) mit entsprechenden Einlaß- und Auslaßöffnungen (68,70,268,269) in dem Verteiler in Eingriff sind; wobei die Dichtung (72,230) einen planen Abschnitt (76,248) und zylindrische Abschnitte (78,80,240,242) aufweist, die von dem planen Abschnitt (76,284) nach unten vorstehen, und die zylindrischen Abschnitte (78,80,240,242) fest über den Einlaß und den Auslaß (62,64) passen.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der einen Tanks (201) mit einem Z-Winkel (220) an dem Verteiler (120) angebracht ist, und die Dichtung (230) zwischen den Z-Winkel (220) und den einen Tank (201) paßt, wobei die Dichtung (230) vorzugsweise beabstandete parallele Wände (232) aufweist, die von dem planen Abschnitt (248) in der dem zylindrischen Abschnitt (240,242) entgegengesetzten Richtung vorstehen, wobei die Wände (232) zwischen den einen Tank (250,201) und die Z-Winkel (220) passen.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (14) eine Vielzahl von Halteplatten (119) mit den Öffnungen (182) darin enthält, und ein Dichtungsring (188) zwischen jeder der Tüllen (140) und den entsprechenden der Platten (119) vorhanden ist.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tülle (140) im allgemeinen zylindrisch ist und der Dichtungsring (188) eine erste im allgemeinen zylindrische Wand (194) aufweist, die im allgemeinen die gleiche vertikale Höhe wie die Tülle hat, sowie eine zweite im allgemeinen zylindrische Wand (189), eine Rinne (192) zwischen der ersten Wand (194) und der zweiten Wand (189) angeordnet ist, die zweite Wand (189) eine vertikale Höhe hat, die etwas geringer ist als der Abstand der Platte (119) zur Oberseite des anderen Tanks (136), und die Platte (119) vorzugsweise L- förmig ist, wobei ein erster im allgemeinen planer Abschnitt die Öffnung enthält, und eine im allgemeinen zylindrische Fläche aufweist, die die Öffnung (182) umgibt, wobei die Fläche um die erste zylindrische Wand (194) herum angeordnet werden kann.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Dichtungsringe einen inneren Rand (194), einen äußeren Rand (190) sowie eine ringförmige Rinne (192) zwischen den Rändern (190,194) enthält, wobei der äußere Rand (190) eine geringere Höhe hat als der innere Rand (194).

10. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Module (12) eine Mittellinie aufweist und daß der Einlaß und der Auslaß (62,64) des einen Tanks identisch sind und einander um die Mittellinie herum diametral gegenüberliegend angeordnet und von selbiger gleichmäßig beabstandet sind.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Tank eine Haltestruktur aufweist, die mit einer Haltestruktur an dem Rahmenelement in Eingriff ist, und die Haltestruktur auf der Mittellinie angeordnet ist.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Haltestrukturen die Tülle (40,140) ist und die andere die Öffnung (42,182) ist.