EP0990868A2 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP0990868A2
EP0990868A2 EP99118524A EP99118524A EP0990868A2 EP 0990868 A2 EP0990868 A2 EP 0990868A2 EP 99118524 A EP99118524 A EP 99118524A EP 99118524 A EP99118524 A EP 99118524A EP 0990868 A2 EP0990868 A2 EP 0990868A2
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EP
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heat exchanger
tube
tubes
soldering
exchanger according
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Viktor Brost
Hans-Dieter Härtel
Michael Ehlers
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Modine Manufacturing Co
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Modine Manufacturing Co
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/18—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding
    • F28F9/182—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding the heat-exchange conduits having ends with a particular shape, e.g. deformed; the heat-exchange conduits or end plates having supplementary joining means, e.g. abutments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
    • F28D2021/0082—Charged air coolers

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger with a plurality of tubes, the Ends in around the openings in the tube sheets, pointing towards the heat exchanger network Insert passages, the cross section of which is curved inwards, and the are connected in a liquid-tight manner, through the pipes and around separate heat exchanging media flow around the pipes.
  • Heat exchangers equipped with these features are known from EP 798 531 known. Because the pressure loss of the heat-exchanging media is always low in this document, the passages are advantageously to the heat exchanger network been ordered. This ensures that the ends the pipes do not have to have an overhang that extends into the collecting space extends.
  • the cross section of the passages has an inward curvature, to facilitate the insertion of the pipe ends.
  • the disadvantage is that the ends The tubes need to be widened in a tulip-shaped manner due to the bulge to reduce the reduced connecting area with the swings again and to achieve a tight metallic connection by soldering.
  • the expansion requires an additional operation.
  • the individual tube ends are down to the level of the tube sheet level or even been inserted into the passages up to this level, whereby the individual pipes with the same size of the heat exchanger a little longer have to be what with a multitude of such pipes as additional weight and imposes additional costs.
  • the object of the invention is to further improve the stated state the technology regarding the metallic connection between the pipes and the tube sheets in a heat exchanger, which is the preamble of the claim 1 corresponds.
  • the pipe ends to below the Extend levels of the tube sheet surface and with the passages a circumferential Form the contact surface between the two sides in a soldering gap Pipe and thread runs out.
  • the pipe ends are preferably not widened or drawn in, although after the inventive teaching these variants are also possible.
  • soldering gaps on both sides cause the solder to adhere during the soldering process stuck in these soldering gaps and thus a perfect, tight solder connection arises.
  • the heat exchangers to be soldered no longer have to be in one be placed in the soldering oven such that the solder in the joints can flow.
  • the adhesive forces also hold the solder against gravity, i.e.
  • the location of the heat exchanger to be soldered is irrelevant, which means essential Simplifications of the manufacturing process are possible.
  • connection area is significantly smaller than in the prior art solder joints can be produced according to the teaching of the invention, which in each Relationship meet the requirements.
  • the tubes are preferably designed as flat tubes, the same positive ones Effects also occur with all other cross-sectional shapes of the pipes.
  • the pipe ends are preferably located around the thickness of the Tube sheet below the one tube sheet surface. So that is occurring Pressure drop is extremely low.
  • the opening angle of the also circumferential, acute-angled soldering gaps lies in Preferred range from 10 to 25 °, because it has been found that at this opening angle with a view to the adhesive forces to achieve the best results are.
  • the opening angle of the two soldering gaps can be different or equally large opening angles can be provided on both soldering gaps become.
  • the circumferential connection surface should have a width that is approximately in Thickness range of the tube sheets is or is larger, which is however significantly smaller than in EP 798 531.
  • Heat exchangers of the generic type can be referred to as mass products where there are already supposedly minor improvements or Differences from the known prior art lead to considerable advantages.
  • the heat exchanger consists of a plurality of tubes 1, the ends 2 in Openings 4 of the tube sheets 3 arranged and liquid-tight with the passages 5 are connected by soldering.
  • Figs Tube 1 shown because all tubes 1 of the heat exchanger in the same Are fixed in the openings 4 of the tube sheets 3.
  • the tubes 1 are Flat tubes.
  • the cooling network is usually below the tube sheet 3 consisting of the aforementioned plurality of tubes 1 and between the tubes 1 arranged slats or corrugated ribs, not shown. Through the corrugated ribs cooling air usually flows through and 1 cooling water or inside the pipes Air, for example charge air, which is to be cooled.
  • the pipe ends 2 are clearly below the tube sheet surface 6 has been arranged.
  • the distance between the tube ends 2 and the tube sheet surface 6 equal to the thickness d of the tube sheet 3.
  • the same dimension has the width b of the contact surface -or Connection surface 7.
  • the opening angle ⁇ is above and below 20 °. Only the lower opening angle ⁇ was drawn.
  • the tube sheet 3 and / or the tubes 1 are made of solder-coated aluminum been. But it could also be another solder coated, act metallic material.
  • solder layer melts and is forced into the soldering gaps by adhesive forces 8 drawn in or adheres to the soldering gaps 8. This will make the interface 7 slightly enlarged, because depending on how much solder is available, fill the soldering gaps 8 with the same and ensure a perfect, tight and durable solder joint.
  • FIG. 2 is a view from the long side of the flat tube 1.
  • the end 2 of the flat tube 1 has been slightly sculpted, but the upper and lower solder gap 8 with its described advantages is retained.
  • the tulip which does not require an additional operation, as far as network installation is concerned is carried out at the same time that the tube sheets are being pulled up
  • Advantages that the cohesion of the parts before soldering is improved and that the solder gap 8 is narrower, which further improves the adhesion effect. It will also depend on the degree of deformation of the passages 5, whether you choose this Embodiment decides, or the one from Fig. 1 chooses.
  • Fig. 3 shows the basic structure of an intercooler and only a part the same.
  • Flat tubes 1 and folded fins 9 form a heat exchanger network put together.
  • the hot charge air flows through the flat tubes 1, as by means Flow arrows has been indicated.
  • the cooling air flows freely through the Slats 9 occupied spaces.
  • the heat exchanger network is replaced by a Side panel 10 limits that usually at opposite ends as well is connected to the tube sheets 3.
  • the tube sheet 3 has on the peripheral edge a U-shaped deformation in which a seal 11 is located.
  • In this U-shaped Forming is a so-called air box 12 with its in the circumferential Forming appropriate edge termination used and by bending individual tabs of the U-shaped forming attached sealing.
  • the hot one Charge air enters the air box 12 through the charge air inlet 13 and is distributed on the flat tubes 1. Because the flat tubes 1 are slightly below the level of the Tube bottom 3 ends, the pressure loss of the charge air remains very low.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Rohren, deren Enden in um die Öffnungen in den Rohrböden, zum Wärmetauschernetz hinweisenden Durchzügen stecken, deren Querschnitt nach innen gewölbt ist, und die darin flüssigkeitsdicht metallisch verbunden sind, wobei durch die Rohre und um die Rohre herum unterschiedliche wärmeaustauschende Medien strömen. Die Aufgabe der Erfindung ist die weitere Verbesserung des Standes der Technik hinsichtlich Kostensenkung und der metallischen Verbindung zwischen den Rohren und den Rohrböden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Rohrenden (2) bis unterhalb des Niveaus der Rohrbodenoberfläche (6) reichen und mit den Durchzügen (5) eine umlaufende Kontaktfläche (7) ausbilden, an die sich beidseitig ein Lötspalt (8) zwischen Rohr (1) und Durchzug (5) anschließt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Rohren, deren Enden in um die Öffnungen in den Rohrböden, zum Wärmetauschernetz hinweisenden Durchzügen stecken, deren Querschnitt nach innen gewölbt ist, und die darin flüssigkeitsdicht metallisch verbunden sind, wobei durch die Rohre und um die Rohre herum getrennte wärmeaustauschende Medien strömen.
Mit diesen Merkmalen ausgestattete Wärmetauscher sind aus dem EP 798 531 bekannt. Weil der Druckverlust der wärmeaustauschenden Medien stets gering sein soll, sind in diesem Dokument die Durchzüge vorteilhafterweise zum Wärmetauschernetz hin angeordnet worden. Dadurch wird erreicht, daß die Enden der Rohre keinen Überstand haben müssen, der sich in den Sammelraum hinein erstreckt. Der Querschnitt der Durchzüge besitzt eine nach innen weisende Wölbung, um das Einführen der Rohrenden zu erleichtern. Nachteilig ist, daß die Enden der Rohre tulpenförmig aufgeweitet werden müssen, um die durch die Wölbung reduzierte Verbindungsfläche mit den Durchzügen wieder zu vergrößern und um dadurch eine dichte metallische Verbindung durch Löten zu erreichen.
Das Aufweiten erfordert einen zusätzlichen Arbeitsgang.
Die einzelnen Rohrenden sind bis auf das Niveau der Rohrbodenebene oder sogar bis über dieses Niveau in die Durchzüge hineingesteckt worden, wodurch die einzelnen Rohre bei gleicher Baugröße des Wärmetauschers etwas länger sein müssen, was sich bei einer Vielzahl solcher Rohre als zusätzliches Gewicht und zusätzliche Kosten niederschlägt.
Die Aufgabe der Erfindung ist die weitere Verbesserung des angegebenen Standes der Technik hinsichtlich der metallischen Verbindung zwischen den Rohren und den Rohrböden bei einem Wärmetauscher, der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht.
Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, daß sich die Rohrenden bis unterhalb des Niveaus der Rohrbodenoberfläche erstrecken und mit den Durchzügen eine umlaufende Kontaktfläche ausbilden, die beidseitig in je einen Lötspalt zwischen Rohr und Durchzug ausläuft.
Bevorzugt sind die Rohrenden nicht aufgeweitet oder eingezogen, obwohl nach der erfinderischen Lehre auch diese Varianten möglich sind.
Die beidseitigen Lötspalte führen dazu, daß das Lot beim Lötprozeß durch Adhäsion in diesen Lötspalten anhaftet und dadurch eine perfekte, dichte Lötverbindung entsteht. Die zu lötenden Wärmetauscher müssen nicht mehr in einer solchen Position in den Lötofen gebracht werden, daß das Lot in die Fugen fließen kann. Die Adhäsionskräfte halten das Lot auch entgegen der Schwerkraft, d.h. die Lage der zu lötenden Wärmetauscher ist unerheblich, wodurch wesentliche Vereinfachungen des Herstellungsprozesses möglich sind.
Obwohl die Verbindungsfläche deutlich kleiner ist, als beim Stand der Technik sind nach der erfindungsgemäßen Lehre Lötverbindungen herstellbar, die in jeder Beziehung den Forderungen entsprechen.
Die Rohre sind bevorzugt als Flachrohre ausgebildet, wobei die gleichen positiven Wirkungen auch bei allen anderen Querschnittsformen der Rohre auftreten.
Weiterhin bevorzugt befinden sich die Rohrenden etwa um die Dicke des Rohrbodens unterhalb der einen Rohrbodenoberfläche. Somit ist der auftretende Druckverlust denkbar gering.
Der Öffnungswinkel der ebenfalls umlaufenden, spitzwinkligen Lötspalte liegt im Vorzugsbereich von 10 bis 25°, weil sich herausgestellt hat, daß bei diesem Öffnungswinkel mit Blick auf die Adhäsionskräfte, die besten Resultate zu erreichen sind. Dabei kann der Öffnungswinkel der beiden Lötspalte unterschiedlich sein oder es können gleich große Öffnungswinkel an beiden Lötspalten vorgesehen werden. Die umlaufende Verbindungsfläche sollte eine Breite haben, die etwa im Dickenbereich der Rohrböden liegt oder größer ist, die jedoch deutlich kleiner als bei dem EP 798 531 ist.
Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art können als Massenprodukte bezeichnet werden, bei denen bereits vermeintlich geringfügige Verbesserungen bzw. Unterschiede zum bekannten Stand der Technik zu erheblichen Vorteilen führen.
Gerade die Verbindung zwischen Rohren und Rohrböden war seit jeher Gegenstand von umfangreichen Untersuchungen und vielen kleinen Verbesserungsschritten, wie durch eine unglaublich hohe Zahl von Veröffentlichungen belegt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
  • Fig. 1 zeigt die Verbindung Rohr/Rohrboden einer ersten Ausführungsform
  • Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Ausführungsform
  • Fig. 3 zeigt den Ausschniit aus einem Wärmetauscher
    • Der Wärmetauscher besteht aus einer Vielzahl von Rohren 1, deren Enden 2 in Öffnungen 4 der Rohrböden 3 angeordnet und mit den Durchzügen 5 flüssigkeitsdicht durch Löten verbunden sind. Es wurde in den Fig. 1 und 2 nur ein einziges Rohr 1 dargestellt, weil sämtliche Rohre 1 des Wärmetauschers in gleicher Weise in den Öffnungen 4 der Rohrböden 3 befestigt sind. Die Rohre 1 sind Flachrohre. Unterhalb des Rohrbodens 3 befindet sich das Kühlnetz, gewöhnlich bestehend aus der genannten Vielzahl von Rohren 1 und zwischen den Rohren 1 angeordneten nicht gezeigten Lamellen bzw. Wellrippen. Durch die Wellrippen hindurch strömt gewöhnlich Kühlluft und innerhalb der Rohre 1 Kühlwasser oder Luft, beispielsweise Ladeluft, die zu kühlen ist. Die Rohrenden 2 sind deutlich unterhalb der Rohrbodenoberfläche 6 angeordnet worden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Abstand der Rohrenden 2 von der Rohrbodenoberfläche 6 gleich der Dicke d des Rohrbodens 3. Das gleiche Maß hat die Breite b der Kontaktfläche-oder Verbindungsfläche 7. An die Verbindungsfläche 7 schließt sich nach oben und nach unten je ein Lötspalt 8 an, der, genau wie die Verbindungsfläche 7 umlaufend ausgebildet ist. Das bedeutet, er ist um den gesamten Umfang des Rohres 1 in gleicher Weise ausgebildet. Der Öffnungswinkel α beträgt oben und unten 20°. Es wurde nur der untere Öffnungswinkel α eingezeichnet. Der Rohrboden 3 und /oder die Rohre 1 sind aus lotbeschichtetem Aluminium hergestellt worden. Es könnte sich aber auch um einen anderen lotbeschichteten, metallischen Werkstoff handeln. Wenn die zum Löten erforderliche Temperatur erreicht ist, schmilzt die Lotschicht und wird durch Adhäsionskräfte in die Lötspalten 8 hineingezogen bzw. haftet in den Lötspalten 8 an. Dadurch wird die Verbindungsfläche 7 etwas vergrößert, denn je nach dem wieviel Lot vorhanden ist, füllen sich die Lötspalten 8 mit demselben auf und sorgen für eine perfekte, dichte und haltbare Lötverbindung.
    Im Gegensatz zu Fig. 1, die das Flachrohr 1 von der Schmalseite zeigt, ist die Fig. 2 eine Ansicht von der Längsseite des Flachrohres 1. Das Ende 2 des Flachrohre 1 ist geringfügig aufgetulpt worden, wobei jedoch auf jeden Fall der obere und untere Lötspalt 8 mit seinen beschriebenen Vorteilen erhalten bleibt. Das Auftulpen, wozu kein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist, weit es bei der Netzmontage zeitgleich mit dem Aufziehen der Rohrböden durchgeführt wird, hat die Vorteile, daß der Zusammenhalt der Teile vor dem Löten verbessert ist und daß der Lötspalt 8 enger ist, was die Ahäsionswirkung weiter verbessert. Es wird auch von dem Verformungsgrad der Durchzüge 5 abhängen, ob man sich für diese Ausführungsform entscheidet, oder diejenige aus Fig. 1 wählt.
    Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Ladeluftkühlers und zwar nur einen Teil desselben. Flachrohre 1 und gefaltete Lamellen 9 sind zu einem Wärmetauschernetz zusammengefügt. Die heiße Ladeluft strömt durch die Flachrohre 1, wie mittels Strömungspfeilen angedeutet worden ist. Die Kühlluft strömt frei durch die mit Lamellen 9 belegten Zwischenräume. Das Wärmetauschernetz wird durch ein Seitenteil 10 begrenzt, daß gewöhnlich an den gegenüberliegenden Enden auch mit den Rohrböden 3 verbunden ist. Der Rohrboden 3 hat am umlaufenden Rand eine u-förmige Umformung, in der sich eine Dichtung 11 befindet. In diese uförmige Umformung wird ein sogenannter Luftkasten 12 mit seinem in die umlaufende Umformung passenden Randabschluß eingesetzt und mittels Umbiegen einzelner Laschen der u-förmigen Umformung abdichtend befestigt. Die heiße Ladeluft tritt durch den Ladelufteintritt 13 in den Luftkasten 12 ein und verteilt sich auf die Flachrohre 1. Weil die Flachrohre 1 etwas unterhalb des Niveaus des Rohrbodens 3 enden, bleibt der Druckverlust der Ladeluft sehr gering.

    Claims (6)

    1. Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Rohren, deren Enden in um die Öffnungen in den Rohrböden, zum Wärmetauschernetz hinweisenden Durchzügen stecken, deren Querschnitt nach innen gewölbt ist, und die darin flüssigkeitsdicht metallisch verbunden sind, wobei durch die Rohre und um die Rohre herum unterschiedliche wärmeaustauschende Medien strömen,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Rohrenden (2) bis unterhalb des Niveaus der Rohrbodenoberfläche (6) reichen und mit den Durchzügen (5) eine umlaufende Kontaktfläche (7) ausbilden, an die sich beidseitig ein Lötspalt (8) zwischen Rohr (1) und Durchzug (5) anschließt.
    2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (2) vorzugsweise um die Dicke (d) des Rohrbodens (3) unterhalb der Rohrbodenoberfläche (6) angeordnet sind.
    3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötspalte (8) etwa einen Öffnungswinkel (α) von 10 bis 25° aufweisen und beide Lötspalte (8) gleiche oder unterschiedliche Öffnungswinkel (α) besitzen.
    4. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) Flachrohre oder Rundrohre sind, deren Querschnitt an den Rohrenden (2) identisch mit dem übrigen Rohrquerschnitt ist.
    5. Wärmetauscher nach einen der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (2) unter Beibehaltung des Lötspaltes (8) aufgetulpt sind.
    6. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Kontakt-oder Verbindungsfläche (7) eine Breite (b) hat, die ungefähr der Dicke (d) des Rohrbodens (3) entspricht.
    EP99118524A 1998-09-30 1999-09-18 Wärmetauscher Expired - Lifetime EP0990868B1 (de)

    Applications Claiming Priority (2)

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    DE19844848 1998-09-30

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    Publication Number Publication Date
    EP0990868A2 true EP0990868A2 (de) 2000-04-05
    EP0990868A3 EP0990868A3 (de) 2000-07-26
    EP0990868B1 EP0990868B1 (de) 2002-08-28

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