DE69905862T2

DE69905862T2 - Wärmetauscher mit biegsamen rohren

Info

Publication number: DE69905862T2
Application number: DE69905862T
Authority: DE
Inventors: Laurence Marechal; Manuel Martins
Original assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Current assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: WO2000039517A1; JP2002533655A; EP1058807B1; FR2787873A1; DE69905862D1; US6390187B1; FR2787873B1; EP1058807A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich von Wärmeaustauschern, insbesondere für Kühlanlagen von Kraftfahrzeugmotoren. Die Erfindung betrifft ganz besonders Wärmeaustauscher mit weichen Rohren, die zum Beispiel aus Kunststoffmaterial hergestellt sind.
Derartige Wärmeaustauscher, die insbesondere in der nicht veröffentlichten französischen Patentanmeldung Nr. 98 04966 der Anmelderin beschrieben werden, umfassen Rohre, die aus einem im Wesentlichen weichen Material hergestellt sind und deren Enden mit mindestens einem Sammelgehäuse eines Wärmeaustauschfluids verbunden sind, das zum Beispiel mit einem Luftstrom zusammenwirkt, der den Austauscher durchquert.
Um das thermische Zusammenwirken des Stroms mit den Rohren des Austauschers zu verbessern, ist es zur Zeit erwünscht, Zwischenräume zwischen den Rohren einzuhalten, durch welche der Luftstrom eindringen kann. Derartige Zwischenräume würden außerdem ermöglichen, dass der Strom durch Störrippen, wie sie für gewöhnlich auf Wärmeaustauschern mit steifen Rohren zu finden sind, gestört wird.
Die vorliegende Erfindung verbessert somit die augenblickliche Situation.
Sie betrifft einen Wärmeaustauscher mit weichen Rohren der zuvor genannten Art, welcher gemäß eines allgemeinen Merkmals der Erfindung Mittel zum Halten der Rohre in im Wesentlichen parallelen Reihen aufweist. Die Rohre sind so geformt, dass sie Grundformen im Wesentlichen sinusförmiger Linien aufweisen. Die Sinuslinien von zwei miteinander in Kontakt stehenden Rohren der jeweiligen zwei aufeinander folgenden Reihen sind im Wesentlichen zueinander verschoben, so dass die zwei Rohre pro Sinusperiode in zwei Kontaktbereichen gehalten werden.
Vorzugsweise sind die Sinuslinien der jeweiligen Rohre der zwei aufeinander folgenden Reihen im Wesentlichen in entgegengesetzter Phase, während die Sinuslinien einer selben Reihe in Phase sind.
Gemäß eines weiteren, optionalen Merkmals der vorliegenden Erfindung befinden sich die Kontaktbereiche der jeweiligen Rohre von aufeinander folgenden Reihen im Wesentlichen in einer zu den Reihen senkrechten Ebene.
Vorteilhafterweise ist der Abstand zwischen den Reihen im Wesentlichen konstant.
Gemäß eines weiteren vorteilhaften Merkmals der Erfindung ist mindestens ein Teil der Außenfläche der Rohre, umfassend die zuvor genannten Kontaktbereiche, mit einer Klebemittelschicht überzogen, um Mittel zum Halten der Rohre zu bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Außenflächen der Rohre ein Material auf, das durch eine Vulkanisierungsbehandlung haftend gemacht wurde, wodurch die zuvor genannte Klebemittelschicht gebildet wird.
In einer fortgeschritteneren Ausführungsform der Erfindung weisen die Mittel zum Halten ferner eine Vielzahl von Stäben auf, die im Wesentlichen senkrecht zu den Reihen angeordnet sind und von denen jeder zwischen den jeweiligen Sinuslinien von aufeinander folgenden Reihen positioniert ist, um die Rohre der aufeinander folgenden Reihen im Wesentlichen beabstandet zu halten.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der Lektüre der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und bei Betrachtung der angefügten Zeichnungen hervorgehen, wobei:
- Fig. 1 eine schematische Teilansicht einer Kühlvorrichtung des Motors eines Kraftfahrzeuges im beschriebenen Beispiel darstellt,
- Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Wärmeaustauschers darstellt, insbesondere eines Kühlradiators 2 einer in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,
- Fig. 3A die Rohre eines Wärmeaustauschers gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, die im Wesentlichen sinusförmigen Linien entsprechen,
- Fig. 3B die Rohre von Fig. 3A gemäß einer Vorderansicht darstellt,
- Fig. 3C eine Ansicht gemäß Schnitt C-C der Fig. 3B in der Schnittebene der Rohre ist,
- Fig. 3D eine Ansicht gemäß Schnitt D-D der Fig. 3B ist,
- Fig. 3E eine Seitenansicht der Rohre der Fig. 3A ist,
- Fig. 4A die Rohre eines Wärmeaustauschers darstellt, die mit parallelen Stäben versehen sind,
- Fig. 4B eine Draufsicht der Rohre der Fig. 4A ist, und
- Fig. 4C eine Seitenansicht der Rohre der Fig. 4A ist.
Die angefügten Zeichnungen enthalten im Wesentlichen Elemente bestimmten Merkmals. Sie werden nicht nur dazu dienen können, die vorliegende Erfindung besser zu verstehen, sondern erforderlichenfalls auch zu seiner Definition beitragen können.
Zuallererst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, um eine Kühlvorrichtung eines Kraftfahrzeugmotors zu beschreiben.
Eine solche Vorrichtung weist in an sich bekannter Weise einen Lüftersatz 1 auf, der mit einer Vielzahl von Schaufeln ausgestattet ist. Der Lüftersatz 1 ist für gewöhnlich hinter dem Kühlergrill (nicht dargestellt) des Fahrzeuges angeordnet. Ein Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung ist in einen Luftstrom (Pfeile F) zwischengeschaltet, der die Rotation der Schaufeln des Lüftersatzes 1 oder sogar auch das Fortbewegen des Fahrzeuges bewirkt. In der Praxis wird der Wärmeaustauscher durch die Kühlflüssigkeit des Motors versorgt, für gewöhnlich unter der Steuerung eines Thermostatventils 3. Die Anordnung eines solchen Ventils im Kreislauf der Kühlflüssigkeit 4 ermöglicht es im Allgemeinen, eine befriedigende Leistung des Motors M bei seinem Kaltstart zu erhalten, wobei die Versorgung des Radiators unterbrochen wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nun die Struktur des Wärmeaustauschers 2 (im Beispiel Kühlradiator) beschrieben. Dieser Wärmeaustauscher weist weiche Rohre 20 (in Fig. 2 durch Schraffierungen dargestellt) auf, die im Allgemeinen aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sind, welche durch ihre Enden mit zwei Sammelgehäusen 21 und 22 verbunden sind. Die Sammelgehäuse sind also mit Öffnungen 215 und 225 versehen, welche die Enden der Rohre 20 eng aufnehmen. In der Praxis weisen die Gehäuse Sammelplatten auf, die mit Öffnungen 215 und 225 versehen sind und die somit Mittel zum Halten der Rohre bilden, insbesondere ihrer Enden.
Die Sammelgehäuse 25 und 22 weisen für gewöhnlich Abteilungen 250, 251, 252 und 221, 222 auf, die durch Trennwände 253, 254 bzw. 223 getrennt sind, um eine Strecke des zuvor genannten Wärmeaustauschfluids (im beschriebenen Beispiel Kühlflüssigkeit) zwischen einem Eingang C (Pfeil E), der mit einer Zufuhrleitung 23 verbunden ist, und einem Ausgang (Pfeil S), der mit einer Abflussleitung 24 verbunden ist, zu definieren. Im Beispiel, das in Fig. 2 dargestellt ist, umfassen die Sammelgehäuse insgesamt fünf Abteilungen, und das Wärmeaustauschfluid führt insgesamt drei Wegstrecken "hin" und zwei Wegstrecken "zurück" vom Sammelgehäuse 21 zum Sammelgehäuse 22 aus.
Die Strecken des Fluids zwischen den zwei Sammelgehäusen 21 und 22 werden dann durch die Rohre 20 gewährleistet, in denen das Fluid zirkuliert. Somit wirken die Rohre mit dem Luftstrom F thermisch zusammen. Zur Optimierung des Wärmeaustauschs zwischen den Rohren 20 einerseits und des Luftstroms F andererseits ist es jedoch notwendig, die Rohre im Wesentlichen voneinander beabstandet zu halten, um zwischen ihnen Zwischenräume zu schaffen.
Nun wird auf die Fig. 3A bis 3E Bezug genommen, um die Gesamtheit der Rohre eines Wärmeaustauschers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
Gemäß eines allgemeinen Merkmals der Erfindung sind die Rohre 20 des Austauschers im beschriebenen Beispiel (Fig. 3E) in horizontalen Reihen 20A angeordnet. Diese Reihen sind im Wesentlichen zueinander parallel und im beschriebenen Beispiel durch eine Distanz voneinander beabstandet, die im Wesentlichen einer Dicke des Rohrs 20 entspricht, so dass die unterschiedlichen Reihen im Wesentlichen durch jeweilige Rohrpaare von zwei aufeinander folgenden Reihen, die im Wesentlichen miteinander in Kontakt stehen, nebeneinander liegen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3A geht hervor, dass die Rohre allgemein im Wesentlichen sinusförmige Grundformen aufweisen. Die Sinuslinien der Rohre 211, 212 ein und derselben Reihe 20A sind im Wesentlichen in Phase. Unter Bezugnahme auf Fig. 3B geht hervor, dass zwei miteinander in Kontakt stehende Rohre 211, 212 von zwei jeweiligen aufeinander folgenden Reihen in entgegengesetzter Phase sind und sich in Bereichen 210 in Kontakt befinden, die Knotenpunkten der zwei Sinuslinien entsprechen.
Fig. 3C stellt eine Schnittansicht (Schnittebene der Rohre) von Knotenpunkten der zuvor genannten Sinuslinien dar. Die Rohre ein und derselben Reihe 20A sind im Wesentlichen voneinander beabstandet, da die Sinuswellen ein und derselben Reihe in Phase sind, während die Rohre von zwei aufeinander folgenden Reihen auf Höhe der Bereiche 210 (Knotenpunkte der Sinuslinien) in Kontakt stehen.
Fig. 3D ist eine Schnittansicht (Schnittebene der Rohre) der Bäuche, welche die Sinuslinien der Rohre der aufeinander folgenden Reihen bilden. Es erscheint somit eine Toleranz zwischen zwei Rohren von zwei jeweiligen aufeinander folgenden Reihen, da die Sinuslinien der zwei Rohre von einer Reihe 20A zur anderen, darauf folgenden Reihe in entgegengesetzter Phase sind.
Wie in Fig. 3C gezeigt, befinden sich die Kontaktbereiche 210 zwischen den aufeinander folgenden Reihen in im Wesentlichen horizontalen Ebenen, während die Reihen 20A in im Wesentlichen vertikalen Ebenen angeordnet sind. Somit befinden sich die Kontaktbereiche 210 der jeweiligen Rohre von aufeinander folgenden Reihen im Wesentlichen in zu den Reihen 20A senkrechten Ebenen.
Die Rohre sind vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, das durch eine Wärmebehandlung haftend gemacht wurde. Nach der Wärmebehandlung werden die Rohre somit mechanisch miteinander durch Leimen in ihren Kontaktbereichen 210 verbunden. Alternativ dazu kann vorgesehen werden, die Außenflächen der Rohre mit einem Material, das eine solche Eigenschaft aufweist, oder auch mit einer Klebemittelschicht zu überziehen, um die zuvor genannten Mittel zum Halten zu bilden. Insbesondere reichen Klebepunkte, die auf den Kontaktbereichen 210 angeordnet sind, aus, um die Rohre in Reihen 20A und im Wesentlichen feststehend zueinander zu halten. Es ist zu beachten, dass die Öffnungen der Sammelgehäuse selbst in Reihen und Säulen angeordnet sind, um die Enden der Rohre auf einmal in Reihen zu halten.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4A bis 4C wird die Anordnung der Rohre eines Wärmeaustauschers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in der ersten, zuvor beschriebenen Ausführungsform bilden die Rohre ein und derselben Reihe 20A Sinuslinien, die im Wesentlichen in Phase sind, während die Rohre von zwei aufeinander folgenden Reihen Sinuslinien mit entgegengesetzter Phase bilden. In dieser Ausführungsform sind darüber hinaus Stäbe 213 vorgesehen, die zueinander im Wesentlichen parallel und zu den Reihen 20A senkrecht sind. Jeder dieser Stäbe fügt sich in die Bäuche ein, welche die Sinuslinien der Rohre von aufeinander folgenden Reihen bilden, wie in Fig. 4B gezeigt. Solche Stäbe 213 ermöglichen es somit, die Rohre in den aufeinander folgenden Reihen im Wesentlichen beabstandet zu halten. Infolgedessen ist es nicht notwendig, hier einen haftenden Überzug auf den Rohren vorzusehen, insbesondere auf den Kontaktbereichen 210. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Außenflächen der Rohre und insbesondere die Außenflächen der Stäbe mit einer Klebemittelschicht oder einem durch Wärmebehandlung, z. B. durch Vulkanisierung, haftend gemachten Überzug zu versehen, um das Halten der Rohre in miteinander verschachtelten Reihen, wie in den Fig. 3A und 4A dargestellt, zu verstärken.
Somit lässt der Abstand zwischen den Rohren, insbesondere in den Bäuchen der Sinuslinien, den Luftstrom F in den Austauscher eindringen, während der Strom F vorteilhafterweise gestört wird. Darüber hinaus weisen die weichen Rohre des Austauschers im Allgemeinen einen kleinen Durchmesser auf, typischerweise ungefähr 1 bis 4 mm, und eine Wandstärke von ungefähr 0,2 mm. Es wird dann gewünscht, die Rohre durch ihre Anordnung in Sinuslinien, die zuvor beschrieben wurden, in im Wesentlichen steifer Struktur zu halten, um sie gegenüber Nutzungsbeanspruchungen (Vibrationen, Materialermüdung, Druck des Wärmeaustauschfluids usw.) zu schützen, welche dazu neigen, die Rohre zu schwächen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Rohre fest zueinander gehalten werden.
Vorzugsweise liegt die Sinusperiode im Bereich von 40 bis 80 mm und ihre Amplitude, im Verhältnis zu einer Rohrhauptachse, zwischen einem halben Rohrdurchmesser und zwei Rohrdurchmessern. Unter Bezugnahme insbesondere auf Fig. 3A sind die Enden der Rohre auf einer Länge von ungefähr 5 bis 25 mm aneinanderstoßend und flach, damit sie mit dem Sammelgehäuse verbunden werden können, während die Gesamtlänge der Rohre zum Beispiel in der Größenordnung von 500 mm liegt.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor beispielhaft beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Sie erstreckt sich vielmehr auch auf andere Ausführungsformen.
Man wird somit verstehen, dass die Sinuslinien der Rohre ein und derselben Reihe nicht notwendigerweise in Phase sind. Als Alternative dazu kann also vorgesehen sein, die Rohre ein und derselben Reihe ausreichend beabstandet anzuordnen, während die Phasen zwischen ihrer Sinuslinie im Wesentlichen zufällig sind.
Darüber hinaus sind die benachbarten Rohre von zwei aufeinander folgenden Reihen nicht notwendigerweise in entgegengesetzter Phase. Es reicht also, die zwei Sinuslinien phasenmäßig zu verschieben, um einen Luftstrom zwischen die Rohre eindringen zu lassen. Die Anordnung der zwei Sinuslinien in entgegengesetzter Phase ermöglicht jedoch ein maximales Eindringen des Luftstroms durch die Bäuche, welche diese bilden.
Im zuvor beschriebenen Beispiel sind die Reihen im Wesentlichen horizontal, während die Kontaktbereiche 210 im Wesentlichen in vertikalen Ebenen angeordnet sind. Im Allgemeineren sind diese Ebenen zu den Reihen nicht notwendigerweise senkrecht, insbesondere wenn die benachbarten Rohre zwischen aufeinander folgenden Reihen seitlich von einer Reihe zur anderen verschoben sind.
Die vorhin genannten Mittel zum Halten der Rohre (Klebemittelfilm, durch Wärmebehandlung haftend gemachter Überzug, Zwischenstäbe 213) wurden zuvor beispielhaft beschrieben. Andere Mittel zum Halten können ins Auge gefasst werden.
Darüber hinaus umfasst der Austauscher 2 im in Fig. 2 dargestellten Beispiel zwei Sammelgehäuse. Als Alternative dazu kann auch nur ein Sammelgehäuse vorgesehen sein, das mit Öffnungen versehen ist, in welche die Enden der Rohre eingefügt werden, während jedes Rohr eine "U"-Form aufweist, bei der die zwei Schenkel wellenförmig sind und sich in derselben Reihe befinden oder ineinander verschlungen sind, während jeder Schenkel des "U" sich in einer anderen Reihe befindet.
Schließlich ist der zuvor beispielhaft beschriebene Wärmeaustauscher dazu bestimmt, als Kühlradiator eines Kraftfahrzeuges zu dienen. Alternativ dazu kann dieser Wärmeaustauscher als Heizradiator, der in einem Heißluftabzwelgung einer Lüftungs-, Heizungs- und/oder Klimavorrichtung des Fahrgastraums des Fahrzeuges angeordnet ist, oder als Verdampfer einer Klimatisierungsschleife dieser Vorrichtung oder als andere Vorrichtung vorgesehen sein. Darüber hinaus kann das Fluid, das den Wärmeaustauscher durchquert (Luftstrom F im zuvor beschriebenen Beispiel) anderer Natur sein, beispielsweise Öl, insbesondere für eine Anwendung des Austauschers als Radiator zur Kühlung des Motoröls.

Claims

1. Wärmeaustauscher, insbesondere einer Kühlanlage eines Kraftfahrzeugmotors, der Art, die eine Vielzahl von Rohren (20) umfasst, die aus einem im Wesentlichen weichen Material hergestellt sind und dazu bestimmt sind, ein Wärmeaustauschfluid zu befördern, das geeignet ist, mit einem Fluss an Fluid (F) zusammenzuwirken, das den Austauscher durchquert,

dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel umfasst, um die Rohre in im Wesentlichen parallelen Reihen (20A) zu halten, und dadurch, dass die Rohre (20) so geformt werden, dass sie Grundformen im Wesentlichen sinusförmiger Linien aufweisen, wobei die Sinuslinien von zwei miteinander in Kontakt stehenden Rohren (211, 212) von zwei jeweiligen aufeinander folgenden Reihen zueinander im Wesentlichen phasenverschoben sind, so dass die zwei Rohre pro Sinusperiode in zwei Kontaktbereichen (210) gehalten werden.

2. Austauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinuslinien der jeweiligen Rohre (211, 212) von zwei aufeinander folgenden Reihen im Wesentlichen in entgegengesetzter Phase sind, während die Sinuslinien einer selben Reihe (20A) in Phase sind.

3. Austauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (210) der jeweiligen Rohre von aufeinander folgenden Reihen sich im Wesentlichen in einer zu den Reihen senkrechten Ebene befinden.

4. Austauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Reihen (20A) im Wesentlichen konstant ist.

5. Austauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Außenflächen der Rohre, umfassend die Kontaktbereiche (210), mit einer Klebemittelschicht überzogen ist, um Mittel zum Halten der Rohre zu bilden.

6. Austauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen der Rohre (20) ein Material aufweisen, das durch eine Wärmebehandlung haftend gemacht wurde.

7. Austauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Halten eine Vielzahl von Stäben (213) aufweisen, welche im Wesentlichen senkrecht zu den Reihen (20A) angeordnet sind und von denen jeder zwischen den jeweiligen Sinuslinien von aufeinander folgenden Reihen positioniert ist, um die Rohre (211, 212) der aufeinander folgenden Reihen im Wesentlichen beabstandet zu halten.

8. Austauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein Sammelgehäuse. (25, 22) aufweist, das mit Öffnungen (215, 225) versehen ist, welche jeweils mit einem Ende eines Rohres verbunden und so angeordnet sind, dass sie die Enden der Rohre eng aufnehmen, wodurch Mittel zum Halten der Enden der Rohre gebildet werden.

9. Austauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinusperiode zwischen 40 und 80 mm umfasst.

10. Austauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Sinuslinien im Verhältnis zu einer Rohrhauptachse (20) zwischen einem halben Rohrdurchmesser und zwei Rohrdurchmessern liegt.

11. Austauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Rohre (20) auf einer Länge von ungefähr 5 bis 25 mm aneinanderstoßend und flach sind.