DE9107174U1

DE9107174U1 - Wasserkasten für einen Wärmetauscher

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Publication number: DE9107174U1
Application number: DE9107174U
Authority: DE
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1991-06-11
Publication date: 1991-07-25
Anticipated expiration: 2001-06-12
Also published as: EP0518224B1; ES2066519T3; EP0518224A1; DE59201124D1

Description

Dipl.-lng. W. Ja-¹ lieh & Partner

Behr GmbH & Co. A 39 558/kru

Mauserstr. 3 91-B-25

7000 Stuttgart 30 ¹⁰· ^{Juni 1991}

Wasserkasten für einen Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Wasserkasten für einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger aus einem haubenartigen Grundkörper bestehender Wasserkasten wird mittels Reibschweißen durch einen Rohrboden flüssigkeitsdicht verschlossen, wobei der Rohrboden gleichzeitig als Anschlußkörper für das Rohrbündel des Wärmetauschers dient. Die im Grundkörper angeordneten Trennwände zur Bildung unterschiedlicher Kammern im Wasserkasten werden fest auf im Rohrboden ausgebildete Befestigungsleisten aufgedrückt, wobei die an der Befestigungsleiste anliegende Längskante der Trennwand ebenfalls eine Schweißverbindung mit dem Rohrboden eingeht. Dieses Zusammenfügen mittels Reibschweißen ist an sich zufriedenstellend, wenn insbesondere bei quer zur Amplitude des Schweißvorgangs liegender Trennwand - die Trennwand ausreichend dick und damit steif ausgeführt ist. Zur Erzielung einer Schweißverbindung muß sichergestellt sein, daß das Material der Trennwand zuverlässig erweicht. Bei sehr dick ausgeführter Trennwand wird hierzu eine große Reibschweißenergie aufgebracht, wobei die Gefahr besteht, daß Teilbereiche der Längskante der Trennwand bereits stark verflüssigen und als Schweißaustrieb in die Kammern eintreten, während andere Teilbereiche der

Längskante zum Verschweißen noch nicht ausreichend erweicht sind. Über die Länge der Trennwand ergibt sich somit nur
eine zufällige bereichsweise Verschweißung, was an sich zur Flüssigkeitstrennung der Kammern untereinander ausreichend
ist, bei auftretenden Druckunterschieden aber zu einem teilweisen Ausweichen der Trennwand und damit zu einem Kurzschluß im Flüssigkeitskreislauf führt. Derartige Wasserkästen sind aber unbrauchbar und müssen vernichtet werden. Bei der Produktion von Wasserkästen mit auf dem Grundkörper
durch Reibschweißen befestigtem Rohrboden ergibt sich daher ein unvermeidbarer Ausschuß. Auch tritt bei funktionssicher verschweißter Trennwand ein erheblicher Schweißaustrieb im
Bereich der Schweißnähte auf, was unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wasserkasten der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß die
Trennwand mittels Reibschweißen zuverlässig fest mit dem
Rohrboden verbunden werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Durch die zapfenartigen Erhebungen werden Schweißnocken gebildet, die über die Längskante der Trennwand an definierten Stellen Schweißpunkte darstellen, so daß die nicht mit dem
Rohrboden verschweißten Abschnitte der Trennwand nicht größer sein können als der Abstand benachbarter Erhebungen.
Beim Reibschweißvorgang werden die geringen Massen der zapfenartigen Erhebungen sicher verflüssigt und verlaufen im
wesentlichen in Längsrichtung der Trennwandlängskante. Es
erfolgt daher im wesentlichen eine punktuelle Verschweißung der Trennwand mit dem Rohrboden, bei der kaum Schweißaus-

trieb auftritt. Die Verbindung kann im übertragenen Sinne als "leichte" Reibschweißverbindung von Trennwand und Boden bezeichnet werden. Die nicht verschweißten Abschnitte der Längskante sind auf jeden Fall nicht größer als der Abstand benachbarter zapfenartiger Erhebungen, wobei der Abstand so gewählt ist, daß der unverschweißte Trennwandabschnitt so steif ist, daß er der erforderlichen Druckbelastung standhält und nicht ausweicht. Die bei einem geforderten Prüfdruck weitgehend flüssigkeitsdichte Trennung der Kammern ist daher mit hoher Sicherheit erzielbar, so daß aufgrund der konstruktiven Ausbildung der Längskante der Trennwand der Ausschuß in einer laufenden Produktion minimiert ist.

Vorteilhaft sind die zapfenförmigen Erhebungen, also die Schweißnocken durch die freien Enden von in der Trennwand integrierten Versteifungen gebildet. Die Versteifungen erstrecken sich insbesondere als zylinderförmige Stäbe über die ganze Höhe der Trennwand, so daß die Trennwand selbst zur Einsparung von Material in Richtung auf ihre Längskante schmal zulaufend ausgebildet werden kann. Da aufgrund der konstruktiven Ausbildung mit hoher Sicherheit eine Verschweißung der freien Enden der Versteifungen am Rohrboden gewährleistet ist, sind die zwischen den Versteifungen liegenden schwächeren Abschnitte der Trennwand lagefixiert und können auch bei hohem Prüfdruck nicht ausweichen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachfolgend im einzelnen beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Wärmetauschers,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Wärmetauschers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Wärmetauscher nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Innenseite des haubenförmigen Grundkörpers eines Wasserkastens des Wärmetauschers nach Fig. 1,

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Rohrboden des Wasserkastens nach Fig. 4 von der Seite der Rohrbündel gesehen,

Fig. 6 eine Seitenansicht des Rohrbodens nach Fig. 5, teilweise geschnitten,

Fig. 7 eine Draufsicht auf die dem Grundkörper des Wasserkastens nach Fig. 4 zugewandte Seite des Rohrbodens,

Fig. 8 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 4,

Fig. 9 in vergrößerter Darstellung eine Draufsicht auf eine auf der Längskante der Trennwand angeordnete zylindrische Erhebung.

Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher hat einen oberen Wasserkasten 1, einen unteren Wasserkasten 2 und ein zwischen den Wasserkästen angeordnetes Rohrbündel 3 mit Lamellen 4 zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche.

Jeder Wasserkasten 1, 2 besteht im wesentlichen aus einem haubenförmigen Grundkörper 5 bzw. 6, der durch einen Rohrboden 7 bzw. 8 verschlossen ist. Der Rohrboden 7 bzw. 8 dient gleichzeitig zur Halterung des zwischen den Wasserkästen 1, 2 angeordneten Rohrbündels 3.

Im folgenden ist die Erfindung anhand einer detaillierten Beschreibung des Wasserkastens 1 erläutert; entsprechend ist der Wasserkasten 2 ausgebildet.

Der in Fig. 4 dargestellte haubenförmige Grundkörper 5 des Wasserkastens 1 hat in Draufsicht im wesentlichen rechteckige Grundform. Eine sich über die ganze Länge des Grundkörpers 5 erstreckende Trennwand 10 teilt eine Kammer 11 ab; auf der der Kammer 11 abgewandten Seite der Trennwand 10 ist etwa mittig eine quer zur Längsrichtung verlaufende Trennwand 12 vorgesehen, durch die zwei in Längsrichtung hintereinander liegende Kammern 13 und 14 abgeteilt sind. Durch die Trennwände 10 und 12 ist der Gesamtinnenraum des haubenf örmigen Grundkörpers 5 somit in drei Kammern 11, 13 und 14 aufgeteilt. Jeder Kammer ist ein Zu- bzw. Abflußstutzen 9a, 9b und 9c zugeordnet, wie insbesondere in Fig. 1 und dargestellt ist.

Die Stirnseite des Randes 15 des Grundkörpers 5 weist einen erhabenen Verbindungssteg 16 auf, der etwa mittig auf der Stirnseite des Randes 15 liegt und längs des Randes 15 in sich geschlossen umläuft. Der Verbindungssteg 16 hat über den Umfang des Randes gleichbleibende Höhe und Breite u.

Der Grundkörper 5 ist zusammen mit den Trennwänden 10, 12 und dem Verbindungssteg 16 einteilig aus einem reibschweißfähigen Material, vorzugsweise Kunststoff einteilig gefertigt.

Der haubenförmige Grundkörper 5 des Wasserkastens 1 ist durch den in den Fig. 5 bis 7 dargestellten Rohrboden 7 flüssigkeitsdicht verschlossen. Hierzu weist der Rohrboden auf seiner dem Grundkörper 5 zugewandten Seite einen U-förmigen Aufnahmerand 17 auf, dessen sich in Längsrichtung erstreckende Längsseiten 17a eine Breite &ngr; haben, die etwa der Breite u des umlaufenden Verbindungssteges entspricht. Der Rohrboden ist so am Grundkörper 5 quer zur Längsrichtung weitgehend spielfrei gehalten. Die Querseiten 17b des U-förmigen Aufnahmerandes 17 sind in ihrer Breite w breiter als der Verbindungssteg 16 ausgebildet, so daß dieser in Längsrichtung des Rohrbodens mit Spiel in den Querseiten 17b des U-förmigen Aufnahmerandes 17 liegt. Durch diese Ausbildung ist es möglich, nach dem Aufsetzen des Rohrbodens 7 in Längsrichtung des Rohrbodens 7 eine hochfrequente Schwingung aufzubringen, um ein Reibverschweißen des Verbindungssteges 16 mit dem Boden 19 des U-förmigen Aufnahmerandes 17 zu erzielen. Während des Reibschweißvorganges bewegt sich der Rohrboden in Richtung des Doppelpfeils 18 relativ zum Grundkörper 5 .

Wie die Fig. 5 bis 7 zeigen, sind im Rohrboden Anschlußstutzen 20 für die einzelnen Rohre 14 (Fig. 1) des Rohrbündel-Wärmetauschers ausgebildet. Die Anschlußstutzen 20 liegen mit ihrem Anschlußende 21 vom Grundkörper 5 abgewandt, also dem Rohrbündel 3 zugewandt. Dabei sind im Rohrboden 7 mehrere Reihen Anschlußstutzen angeordnet, wobei zur Erzielung

einer gedrängten Bauweise die Anschlußstutzen der einen Reihe versetzt zu den Anschlußstutzen der benachbarten Reihe liegen.

Die Zulaufenden 22 der Anschlußstutzen 20 ragen auf der Seite des Grundkörpers 5 über die Rohrbodenebene hinaus, wobei eine in Längsrichtung liegende Befestigungsleiste 25 für die Trennwand wellenförmig von der einen Querseite 17b des Aufnahmerandes bis zur anderen Querseite 17b verläuft. Eine der Quertrennwand 12 zugeordnete Befestigungsleiste 26 verläuft etwa mittig lotrecht zur Längsmittelachse des Rohrbodens 7 und erstreckt sich von der Trennwand 10 bis zur Längsseite 17a des Aufnahmerandes 17.

Wie sich aus Fig. 6 ergibt, liegen die Befestigungsleisten 25 und 26 mit ihrer den Trennwänden 10 und 12 zugewandten Stirnseite um ein Maß s höher als die dem Verbindungssteg 16 zugewandte Stirnseite des Bodens 19 des Aufnahmerandes 17.

Der Rohrboden 7 mit den Anschlußstutzen 20, dem U-förmigen

Aufnahmerand 17 und den Befestigungsleisten 25, 26 ist aus

einem reibschweißfähigen Material, insbesondere Kunststoff, einteilig gefertigt.

Auf der dem Rohrboden 7 zugewandten Stirnseite 30 der Trennwände 10 und 12 sind Erhebungen 40 angeordnet, die vorzugsweise breiter als die Dicke d der Trennwand in Höhe der Längskante 30 sind und als Schweißnocken dienen. Die Erhebungen 40 liegen in Längsrichtung der Trennwand 10 bzw. der Trennwand 12 in einer Reihe mit frei wählbarem, insbesondere auch unterschiedlichem Abstand hintereinander und ragen über eine gedachte Teilungsebene T-T (Fig. 8) zwischen Trennwand

10 bzw. Grundkörper 5 und Rohrboden 7. Die Erhebungen liegen in Längsrichtung zum Beispiel der Trennwand 10 vorzugsweise mit äquidistantem Abstand a (Fig. 4) zueinander und sind insbesondere - in Draufsicht gemäß Fig. 9 - zylindrisch ausgebildet. Die Längskante 30 der Trennwand 10 ist zwischen den Schweißnocken bildenden Erhebungen 40 in Richtung ihrer Dicke d flach bzw. eben ausgebildet.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Erhebungen 40 jeweils durch das Ende einer in die Trennwand integrierten Versteifung 41 gebildet, wobei sich die Versteifung 41 lotrecht zur Trennwand 10 vom Fuße der Trennwand bis über die Längskante 30 hinaus erstreckt. Die Versteifung hat vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, ist also zylindrisch ausgebildet. Es kann vorteilhaft sein, die Versteifung 41, ausgehend vom Fuße der Trennwand aus, in Richtung auf die Erhebung 40 mit einem Winkel 42 leicht konisch verjüngt auszubilden .

Zum Zwecke der Materialersparnis ist die Trennwand 10 in Richtung auf ihre am Rohrboden 7 festzulegende Längskante 30 schmaler werdend ausgebildet. Die Trennwand 10 verjüngt sich dabei unter einem Winkel 31, wobei der Verjüngungswinkel 31 der Trennwand 10 vorzugsweise identisch dem Verjüngungswinkel 42 der Versteifung 41 ist.

Wie Fig. 8 zeigt, reichen die auf der Längskante 30 ausgebildeten Erhebungen 40 bis etwa auf halbe Höhe des Verbindungssteges 16; in Draufsicht gemäß Fig. 9 liegt die Erhebung 40 genau symmetrisch zur Längsmittellinie 32 der Trennwand 10.

&udigr;\

Die Trennwand 10 verläuft in ihrer Längsrichtung aufgrund der engen Anordnung der Zulaufenden 22 im Rohrboden 7 entsprechend dem Verlauf der Befestigungsleiste 25 wellenförmig, wobei die Versteifungen vorzugsweise jeweils im Scheitelpunkt 33 einer Welle angeordnet sind.

Die Höhe H der zapfenförmigen Erhebung 40, der Durchmesser D sowie der Abstand a der Erhebungen 40 zueinander sind so ausgelegt/ daß bei der Befestigung der Trennwand am Rohrboden kein übermäßig hoher Schweißaustrieb entsteht.

Nach Aufsetzen des Rohrbodens 7 auf den Grundkörper 5 werden die Teile durch Schwingungserregung gemäß Doppelpfeil 18 in ihrer Längsrichtung relativ zueinander hochfrequent bewegt, wodurch der Verbindungssteg 16 mit dem Boden 19 des U-förmigen Aufnahmerandes 17 flüssigkeitsdicht verschweißt und die als Schweißnocken dienenden zapfenförmigen Erhebungen 40 eine etwa punktförmige Verschweißung der Längskante 30 der Trennwand 10 bzw. 12 auf den zugeordneten Befestigungsleisten 25, 26 im Rohrboden 7 gewährleisten. Aufgrund des gewählten Übermaßes &zgr; ist sichergestellt, daß die Längskante 30 der Trennwand 10 fest auf die Befestigungsleiste 25 angedrückt wird, so daß ein weitgehend flüssigkeitsdichter Abschluß erzielt ist. Auch bei hohen Druckunterschieden zwischen den Kammern 11, 13 und 14 ist ein Ausweichen der Trennwand 10 bzw. 12 mit hoher Sicherheit vermieden, da durch die gezielte punktförmige Verschweißung die Längskante 30 der Trennwand in vorzugsweise äquidistanten Abständen die Trennwand eine hohe Steifigkeit hat. Da die Erhebungen durch die freien Enden der in der Trennwand integrierten Versteifungen 41 gebildet sind, ist die Trennwand in ihren versteiften Bereichen fest mit dem Rohrboden verschweißt. Zwi-

01 tt'

-loschen zwei Versteifungen 41 liegende, schwächer dimensionierte Trennwandabschnitte werden so fest gehalten und können nicht ausweichen.

Die Form der zapfenförmigen Erhebungen 40 bzw. Schweißnocken muß nicht notwendigerweise im Querschnitt kreisförmig, d.h. zylindrisch sein. Es kann auch zweckmäßig sein, die zapfenförmigen Erhebungen mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt, zum Beispiel elliptisch, auszubilden oder einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt vorzusehen .

Claims

Patentanwalt Dipl.-lnp. W. .";:-.'- -XU £ Partner Menzr ;( /,■ Behr GmbH & Co. A 39 558/kru Mauserstr. 3 91-B-25 Stuttgart 30 10. Juni 1991 Ansprüche

1. Wasserkasten für einen Wärmetauscher, bestehend aus einem haubenförmigen Grundkörper (5), dessen Innenraum durch mindestens eine im Grundkörper (5) angeordnete Trennwand (10, 12) in Kammern (11, 13, 14) unterteilt ist und mit einem durch Reibschweißen am Grundkörper (5) und der Trennwand (10) flüssigkeitsdicht zu befestigenden Rohrboden (7), an den ein Rohrbündel (3) des Wärmetauschers angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10, 12) auf ihrer dem Rohrboden (7) zugewandten Längskante (30) in Längsrichtung der Trennwand (10, 12) in einer Reihe mit Abstand (a) hintereinander liegende, zapfenförmige Erhebungen (40) aufweist, die über eine gedachte Teilungsebene (T-T) zwischen Trennwand (10, 12) und Rohrboden (7) überstehen.

2. Wasserkasten nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen mit frei wählbarem, vorzugsweise äquidistantem Abstand (a) zueinander liegen.

3. Wasserkasten nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebung (40) breiter als die Dicke (d) der Trennwand (10, 12) ist.

au

4. Wasserkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebung (40) zylindrisch ausgebildet ist.

5. Wasserkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebung (40) das freie Ende einer in die Trennwand (10, 12) integrierten Versteifung (41) ist.

6. Wasserkasten nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung (41) über die ganze Höhe der Trennwand (10, 12) verläuft.

7. Wasserkasten nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10, 12) in ihrer Längsrichtung wellenförmig verläuft und jeweils im Scheitelpunkt (33) einer Welle eine Versteifung (41) liegt.

8. Wasserkasten nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung (41) die Form eines Zylinders aufweist.

9. Wasserkasten nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung in Richtung auf ihr die Erhebung (40) bildendes freies Ende leicht konisch verjüngt zuläuft.

10. Wasserkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10, 12) in Richtung auf ihre am Deckel (7) festzulegende Längskante (30) schmaler werdend zuläuft.

11. Wasserkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10, 12) in ihrer bis zur Längskante (30) gemessenen Höhe mit geringem Übermaß (z) ausgebildet ist.

12. Wasserkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskante (30) der Trennwand (10) in Richtung ihrer Dicke (d) flach ausgebildet ist.

13. Wasserkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß einteilig mit dem Rohrboden (7) eine dem Gehäuserand (15) und eine der Längskante (30) der Trennwand (10, 12) zugeordnete Befestigungsleiste (25, 26) ausgebildet ist.

14. Wasserkasten nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsleiste (25, 26) der Trennwand (10, 12) vorzugsweise in einer Ebene oberhalb der Befestigungsleiste (19) des Gehäuserandes (15) liegt.