EP1923653B1

EP1923653B1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: EP1923653B1
Application number: EP20060023588
Authority: EP
Inventors: Helmut Roll
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2026-11-14
Also published as: EP1923653A1; DE502006006082D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager als Löt - oder Schweißkonstruktion, der Schmal - und Breitseiten aufweisende Flachrohre und Wellrippen sowie Sammelkästen besitzt, die als zwei schalenartige Teile ausgeführt sind, wobei die beiden Teile in einer Mittellängsebene des Wärmeübertragers oder in einer dazu parallelen Ebene zusammengesetzt sind.
Dieser Wärmeübertrager ist aus dem EP 864 839B1 und aus anderen Veröffentlichungen bekannt.
Der bekannte Wärmeübertrager besitzt keine Rohrböden sondern aufgeweitete Rohrenden, die blockartig aneinander gefügt sind. Der Abschlussrand jedes zweiteiligen Sammelkastens umgreift bündig abschließend den Block aus Rohrenden. Der bekannte Wärmeübertrager besitzt den Vorteil, dass etwas weniger Werkstoff, bspw. Aluminiumblech, eingesetzt werden könnte, da - wie erwähnt - Rohrböden nicht vorhanden sind. Das Einsatzgewicht des Wärmeübertragers wird dadurch jedoch nur unwesentlich reduziert, weil das Aufweiten der Rohrenden vergleichsweise größere Wanddicken der Flachrohre erfordert, wodurch die erwähnten Einsparungen zum Teil wieder rückgängig gemacht werden. Ferner wird wegen der Durchführung des Umformvorganges an jedem einzelnen Rohrende ein nicht unwesentlicher Mehraufwand erzeugt. Es kann auch angenommen werden, dass die bekannte Konstruktion löttechnische Probleme bereitet, die sich in zu hohen Ausschuss - oder Nacharbeitsraten auswirken, wenn nicht ganz besonders sorgfältige Vorbehandlungen für den Lötprozess durchgeführt werden. Ferner könnte es wünschenswert sein, die gleichmäßige Verteilung des in dem Sammelkasten strömenden Mediums auf die einzelnen Flachrohre zu verbessern.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Wärmeübertragers, der den Einsatz von Flachrohren mit dünneren Wanddicken gestattet, bzw. der die oben erwähnten Nachteile zumindest abschwächen kann.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich bei dem Wärmeübertrager dadurch, dass er mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ausgestattet wird.
Weil die zwei schalenartigen Teile mit in Abständen angeordneten Vorsprüngen ausgestattet sind, die im Bereich der Schmalseiten in die Enden der Flachrohre eingreifen, können Rohre mit dünneren Wanddicken eingesetzt werden, da eine Aufweitung der Rohrenden nicht vorgenommen werden muss. Ferner wurde der Vorteil erzielt, dass die löttechnisch kritischen Verbindungsstellen gut zugänglich sind, weshalb sie im Bedarfsfall nachbehandelt werden können. In einer zweiten Lötoperation können Leckagen beseitigt werden. Es wurde allerdings in zahlreichen Versuchen auch festgestellt, dass die Lötergebnisse vergleichsweise hervorragend sind, sodass der Umfang für Nachbehandlungen sehr gering ausfällt. In funktioneller Hinsicht weist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ein ausgesprochen vorteilhaftes Verhältnis zwischen seiner gesamten Querschnittsfläche zur effektiven Wärmetauschfläche auf. Es kann deshalb der zur Verfügung stehende Bauraum gut ausgenutzt werden.
Es ist vorgesehen, dass die Enden der Flachrohre in Öffnungen von Rohrhaltern stecken, wobei die Flachrohre beidseitig der Rohrböden einen Überstand aufweisen. Im Unterschied zu den Öffnungen in bekannten Rohrböden, werden die Flachrohrenden in den Öffnungen der Rohrhalter nicht um den gesamten Umfang vom Öffnungsrand eingefasst.
Dabei ist es besonders von Vorteil, dass die schalenartigen Teile an den Rändern des Rohrhalters anliegen, wobei die Vorsprünge im Bereich der Überstände in die Enden der Flachrohre eingreifen, wobei sie innen in den Schmalseiten der Flachrohre anliegen.
Es ist möglich, dass das eine schalenartige Teil identisch mit dem anderen schalenartigen Teil ausgebildet wird, wobei die Verbindung der zwei Teile etwa in der Mittellängsebene des Wärmeübertragers angeordnet ist. Dass an einem der schalenartigen Teile ein Stutzen oder dergleichen ausgebildet sein sollte und insofern keine Identität der Teile vorliegen könnte, bleibt hier unberücksichtigt.
Gegenwärtig wird jedoch bevorzugt vorgesehen, dass das eine schalenartige Teil schalenartig ausgebildet ist und das andere schalenartige Teil etwa eben ausgebildet ist, wobei die Verbindung der zwei Teile in einer zur Mittellängsebene parallelen Ebene liegt. Im Sinne des vorliegenden Vorschlags sind also im Wesentlichen ebene Teile auch schalenartige Teile. Im Sinne des Vorschlags muss die Mittellängsebene oder eine dazu parallele Ebene nicht wirklich eben sein. Der Begriff zeigt lediglich eine quer durch die Breitseiten der Flachrohre sich erstreckende Orientierung an. Die Verbindung der Teile könnte zum Beispiel entlang einer gewellten Ausbildung der Verbindungsränder der Teile vorgenommen werden
Es ist vorgesehen, dass die schalenartigen Teile geeignete Mittel aufweisen, mit denen sie löt - oder schweißgerecht zusammengehalten werden.
Die Mittel können als am Rand der Teile angeordnete Laschen und Kerben oder dergleichen ausgebildet sind, die beim Zusammenfügen der Teile ineinander greifen
Die Mittel können demgegenüber als an wenigstens einem der Teile ausgebildete, nach innen gerichtete Umformungen gestaltet sein, die so ausgeführt sind, dass sich die Teile verbinden lassen, beispielsweise im Sinne eine Vorfixierung zusammen stecken lassen.
Die nach innen gerichteten Umformungen sind gemäß einem weiteren fakultativen Merkmal so ausgebildet, dass sie strömungslenkende Eigenschaften besitzen, die die gleichmäßige Verteilung des Mediums auf die Flachrohre befördern.
Weiter ist vorgesehen, dass die zusammengefügten schalenartigen Teile zu den Stirnseiten des Wärmeübertragers hin Öffnungen aufweisen, wobei Seitenteile oder Kappen vorhanden sind, die die Öffnungen verschließen. Als Alternative zu dieser Ausbildung kann vorgesehen werden, dass wenigstens eines der schalenartigen Teile so verformt ist, dass im zusammengefügten Zustand der Teile keine Öffnungen vorhanden sind. Damit entfällt die Notwendigkeit des Vorsehens von Seitenteilen bzw. von Verschlüssen.
Weitere Merkmale gehen aus den beigefügten Patentansprüchen hervor.
Die Erfindung wird im Anschluss in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, wozu auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Die Beschreibung kann weitere Merkmale und Vorteile enthalten, die bisher noch nicht erwähnt wurden.
Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager.
Die Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Fig. 1.
Die Fig. 3 zeigt diesen Ausschnitt in Explosionsdarstellung.
Die Fig. 4 - 7 zeigen ein modifiziertes Ausführungsbeispiel in verschiedenen Ansichten.
Bei dem Wärmeübertrager, der in den Figuren dargestellt ist, soll es sich um einen mittels Kühlluft gekühlten Ladeluftkühler für Kraftfahrzeuganwendungen handeln, ohne damit andere Wärmeübertrager und deren Anwendungen irgendwie ausschließen zu wollen. Sondern, ganz im Gegenteil, sind andere Wärmeübertrager und deren Anwendungen ausdrücklich vorgesehen jedoch in den Figuren nicht gezeigt worden.
Wie dem Fachmann bestens geläufig ist, besitzt der Wärmeübertrager an einem Sammelkasten 3 eine Eintrittsöffnung 36 für zu kühlende Ladeluft und am anderen Sammelkasten 3 eine Austrittsöffnung 35 für gekühlte Ladeluft. Die Kühlluft strömt im Sinne des Blockpfeiles durch die nicht eingezeichneten Wellrippen 2, die zwischen den Breitseiten 12 der Flachrohre 1 angeordnet sind. Im Übrigen ist die Art der Durchströmung des Wärmeübertragers im Zusammenhang mit dem vorliegenden Vorschlag nicht von Interesse, sondern sie dient nur der Erklärung der Darstellung in der Fig. 1. Der Zusammenbau des in der Fig. 1 gezeigten Wärmeübertragers kann beispielsweise wie folgt vorgenommen werden. Die Flachrohre 1 werden abwechselnd mit den Wellrippen 2 zu einem Stapel zusammengesetzt. Dann werden Rohrhalter 4 an beiden Enden der Flachrohre 1 angesetzt. (Fig. 3) Die Rohrhalter 4 weisen Öffnungen 40 auf, die sich bis in den Rand 41 der Rohrhalter 4 erstrecken, wodurch sich die Rohrhalter 4 unter anderem von sonst üblichen Rohrböden unterscheiden. Die Öffnungen 40 können erforderlichenfalls und in bekannter Weise mit einem kragenartigen zu den Wellrippen 2 hinweisenden Durchzug versehen sein, um die Verlötung mit den Flachrohrenden zu verbessern. Die Flachrohrenden müssen nicht nach innen zum Sammelkasten 3 hin überstehen. (nicht deutlich erkennbar) Das Ansetzen der Rohrhalter 4 kann so erfolgen, dass die Rohrhalter 4 quer zu ihrer Längsrichtung auf die Enden der Flachrohre 1 geschoben werden. Die Flachrohre 1 haben einen vom Maß her geringfügigen aber funktionsmäßig wichtigen Überstand 5 über die beiden Längsränder 41 des Rohrhalters 4. Dann werden an beiden gegenüberliegenden Enden der Flachrohre 1 die Sammelkästen 3 an den Rohrhaltern 4 angefügt. Schließlich werden die in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehenen Seitenteile 70 angesetzt, wie aus den Figuren erkennbar ist.
Die Sammelkästen 3 bestehen aus zwei schalenartigen Teilen 31 und 32, wobei das eine schalenartige Teil 31 eine deutliche "offene" Schalenform aufweist und das andere schalenartige Teil 32 ziemlich flach ausgebildet ist. Es könnte auch völlig eben sein. Da in den gezeigten Ausführungsbeispielen, wie erwähnt, Seitenteile 70 vorgesehen sind, verbleiben nach dem Zusammenfügen der beiden schalenartigen Teile 31, 32 zwei stirnseitige Öffnungen 33, die mittels Kappen 71, die Teil der Seitenteile 70 sind, verschlossen werden. Es könnten auch einzelne Verschlusskappen vorgesehen werden, und die Seitenteile können auch entfallen. (nicht gezeigt) Die Seitenteile 70 besitzen einen Dehnungsschlitz 72, der betriebsmäßige durch Temperaturwechsel verursachte Expansionen und Kontraktionen gestattet. In den Ausführungsbeispielen, die in den Fig. 1 - 3 gezeigt sind, werden die Teile 31 und 32 um ihren zu verbindenden Umfang herum mittels Laschen 61 und Kerben 62 provisorisch verbunden, die die vorne erwähnten Mittel 6 zum Verbinden darstellen. Die zwei schalenartigen Teile 31, 32 sind mit in Abständen angeordneten Vorsprüngen 30 ausgestattet, die im Bereich der Schmalseiten 11 in die Enden der Flachrohre 1 eingreifen. Die Abstände der Vorsprünge 30 entsprechen exakt den Abständen der Flachrohre 1, sodass die Sammelkästen 3 in Längsrichtung der Flachrohre 1 auf die Enden derselben geschoben werden können, wobei jeder Vorsprung 30 in ein Flachrohrende eingreift, und zwar exakt in den jeweiligen oben erwähnten Überstand 5. In der Fig. 2 wurde im Bereich von vier Vorsprüngen 30 und Flachrohren 1 ein Ausschnitt gezeichnet, weshalb die in den Flachrohrenden sitzenden Vorsprünge 30 zu sehen sind. Wie insbesondere die Fig. 3 erkennen lässt, hat man die Vorsprünge 30 mit einer entsprechenden leicht konischen Form ausgebildet, damit dieselben einerseits leichter in die Flachrohrenden gleiten können und andererseits aber auch dort dicht anliegen, damit gute Lötergebnisse erreicht werden. Der Erfinder hat die Ränder der Vorsprünge 30 sogar recht scharfkantig ausgebildet, weil festgestellt wurde, dass sich vorhandene Längentoleranzen der Flachrohre 1 dadurch gut kompensieren lassen, indem die scharfen Kanten der Vorsprünge 30 sich in die Rohrwand der etwas längeren Flachrohre 1 einschneiden, was zu der erwähnten Kompensation der Toleranzen führt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Vorsprünge 30 die Rohrwände unter Spannung halten, wodurch das so genannten "Einfallen" der Flachrohre 1 während des Lötprozesses verhindert wird. Das "Einfallen" kann zu fehlerhaften Lötverbindungen führen. Es ist erkennbar, dass sich in jedem Flachrohrende 1 zwei Vorsprünge 30 befinden, die sich jeweils in den beiden Schmalseiten 11 innen anschmiegen, und zu der erwähnten Zugspannung in der Rohrwand führen. Ferner ist der Wärmeübertrager mit einer Haltevorrichtung 80 ausgestattet, die beispielsweise an Haken 81 oder dergleichen aufgesteckt werden kann, die sich im gezeigten Fall am Teil 32 befinden. Die Haltevorrichtung 80 kann auch aus Kunststoff sein.
Im Übrigen möchte die Anmelderin auf die gegenwärtig noch nicht veröffentlichte internationale Patentanmeldung PCT/EP 2006 / 001487 aufmerksam machen. Dort sind weitere Einzelheiten gezeigt und beschrieben worden.
In den beiden schalenartigen Teilen 31, 32 wurden nach innen gerichtete Umformungen 65 ausgebildet, die einerseits bekanntermaßen die Stabilität verbessern, weshalb auch die Teile 31, 32 recht dünnwandig ausgebildet werden können. Andererseits ist beabsichtigt, mittels dieser nach innen gerichteten "Beulen" Einfluss auf die Strömungsverteilung zu nehmen. Bekanntlich werden die mittleren Rohre eines Wärmetauschers oftmals besser durchströmt als diejenigen, die am Rand liegen. Dadurch wird einerseits ein unerwünschtes Temperaturgefälle hervorgerufen und andererseits oft auch nicht die maximal mögliche Kühlleistung erzielt. Diesen Nachteilen soll durch eine gezielte Geometrie der Umformungen 65 begegnet werden. Die Umformungen 65 können sich, wie gezeigt, an beiden Teilen 31, 32 oder auch nur an einem der Teile befinden.
Die Fig. 4 -7 zeigen nun eine modifizierte Ausführungsform, die auch dem zuletzt genannten Aspekt entgegenkommt, und die darüber hinaus die provisorische Verbindung der beiden Teile 31, 32 erlaubt, weshalb auf die Laschen 61 und Kerben 62 des ersten Ausführungsbeispiels verzichtet werden kann. An der Umformung 65 des einen Teils wurde ein Fortsatz 66 ausgebildet, der in eine Öffnung 67 oder in eine andere mit dem Fortsatz 66 korrespondierende Ausformung 65 des anderen Teils eingepresst werden kann. Die perspektivischen Darstellungen eines Sammelkastens 3 bzw. eines Teils des Wärmetauschers mit Sammelkasten 3 aus unterschiedlichen Richtungen sind selbsterklärend und benötigen nach Ansicht der Anmelderin keiner weiteren Ausführung. Es versteht sich, dass es sich beim Bezugszeichen 67 nicht unbedingt um eine Öffnung handeln muss. Die Teile 31, 32 bzw. 65, 66, 67 sollten korrespondieren, damit der Zweck erreicht wird, der darin besteht, die Teile 31, 32 zu halten und auch die Strömung zu beeinflussen, was insbesondere die Fig. 4 und 5 verdeutlichen, was allerdings auch im ersten Ausführungsbeispiel mit Hilfe der dortigen Ausformungen 65 geschieht.

Claims

Wärmeübertrager als Löt - oder Schweißkonstruktion, der Schmal - und Breitseiten (11, 12) aufweisende Flachrohre (1) und Wellrippen (2) sowie Sammelkästen (3) besitzt, die als zwei schalenartige Teile (31, 32) ausgeführt sind, wobei die beiden Teile (31, 32) in einer Mittellängsebene des Wärmeübertragers oder in einer dazu parallelen Ebene zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei schalenartigen Teile (31, 32) mit in Abständen angeordneten Vorsprüngen (30) ausgestattet sind, die im Bereich der Schmalseiten in die Enden der Flachrohre (1) eingreifen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Flachrohre (1) in Öffnungen (40) von Rohrhaltern (4) stecken, wobei die Flachrohre (1) beidseitig der Rohrhalter (4) einen Überstand (5) aufweisen.
Wärmeübertrager nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schalenartigen Teile (31,32) an den Rändern (41) des Rohrhalters (4) anliegen, wobei die Vorsprünge (30) im Bereich der Überstände (5) in die Enden der Flachrohre (1) eingreifen, wobei sie innen in den Schmalseiten (11) der Flachrohre (1) anliegen.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine schalenartige Teil (31) etwa identisch mit dem anderen schalenartigen Teil (32) ausgebildet ist, wobei die Verbindung der zwei Teile (31, 32) etwa in der Mittellängsebene des Wärmeübertragers erfolgt.
Wärmeübertager nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das eine schalenartige Teil (31) schalenartig ausgebildet ist und das andere schalenartige Teil (32) etwa eben ausgebildet ist, wobei die Verbindung der zwei Teile (31, 32) in einer zur Mittellängsebene parallelen Ebene liegt.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schalenartigen Teile (31, 32) Mittel (6) aufweisen, mit denen sie löt - oder schweißgerecht zusammengehalten werden.
Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) als am Rand der Teile (31, 32) angeordnete Laschen (61) und Kerben (62) oder dergleichen ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) als an wenigstens einem der Teile (31, 32) ausgebildete, nach innen gerichtete Umformungen (65) gestaltet sind, die so ausgebildet sind, dass sich die Teile (31, 32) verbinden lassen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nach innen gerichteten Umformungen (65) so ausgebildet sind, dass sie strömungslenkende Eigenschaften besitzen, die die gleichmäßige Verteilung des Mediums auf die Flachrohre (1) befördern.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengefügten schalenartigen Teile (31, 32) zu den Stirnseiten des Wärmeübertragers hin Öffnungen (33) aufweisen, wobei Seitenteile (70) vorhanden sind, die die Öffnungen (33) verschließen.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der schalenartigen Teile (31, 32) so verformt ist, das im zusammengefügten Zustand der Teile (31, 32) keine stirnseitigen Öffnungen (33) vorhanden sind.