DE102009012509A1

DE102009012509A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102009012509A1
Application number: DE200910012509
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Kalbacher (FH)
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1), bestehend aus mindestens einem Rohrboden (2) und einem Stapel (3) aus beabstandeten, Medien führenden Rohren (10) und aus Seitenteilen (4), wobei der Stapel (3) in einen Durchbruch (15) des Rohrbodens (2) mit einem Rand (16) mit vier Randseiten (16a, 16b, 16c, 16d) eingesetzt ist, die paarweise gegenüberliegend angeordnet und mit dem Stapel (3) verlötet sind. Eine kostengünstige und qualitätsgerechte Herstellbarkeit des Wärmetauschers wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens eine der Randseiten (16a) des Rohrbodens (2) nachgiebig gestaltet ist und dass an der Rückseite (18) dieser Randseite (16a) eine Kraft übertragende Wirkverbindung mit einem Endabschnitt (20) wenigstens eines Seitenteils (4) besteht. Es wird auch ein entsprechendes Herstellungsverfahren für Wärmetauscher vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bestehend aus mindestens einem Rohrboden und einem Stapel aus beabstandeten Medien führenden Rohren sowie mit weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1. Es wird auch ein entsprechendes Herstellungsverfahren für den Wärmetauscher vorgeschlagen.
Es sind Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff der Erfindung bekannt. Der in EP 0 992 756 A2 beschriebene Wärmetauscher stellt ein solches Beispiel dar. Hier sind Paare von schalenförmigen Wärmetauscherplatten zu einem Stapel Medien führender Rohre gefügt, wobei der Stapel mit seinen Enden in eine Vielzahl von Durchbrüchen in einem Rohrboden eingesetzt ist. Dieses konstruktive Merkmal führt zu erheblichen Risiken der Beschädigung beim Fügen der Rohrenden in den Rohrboden. Zusätzlich nachteilig ist die ungünstige Ausnutzung des Bauraumes des Wärmetauschers zur Wärmeübertragung, da die Kühlmittel führenden Bereiche der Rohre deutlich kürzer sind als die Länge der das zu kühlende Gas führenden Bereiche. Damit ist die auf das Bauvolumen bezogene Kühlleistung des Wärmetauschers noch verbesserungsfähig.
Die Veröffentlichung mit der Nr. DE 102 29 083 A1 zeigt einen Wärmetauscher, dessen Stapel aus Fluid führenden Rohren in einer Öffnung eines Diffusors eingesetzt ist. Von Nachteil ist hier die steife Gestaltung des Diffusors, die ein Nachgeben von Bereichen des Diffusors zur Aufrechterhaltung des Kontakts zwischen den zu verbindenden Bauteilen während des Lötprozesses nicht zulässt. Die Merkmale aus DE 102 29 083 A1 sind somit insbesondere zur Darstellung von Wärmetauschern mit einer größeren Anzahl von Medien führenden Rohren ungenügend.
Aus der DE 198 33 338 A1 ist ein Wärmetauscher mit einem Stapel Medien führender Rohre bekannt, wobei der Stapel hier in zwei hintereinander angeordnete Rohrböden mit nur einem Durchbruch sowie mit einer Vielzahl von Durchbrüchen eingesetzt ist. Im Bereich des Rohrbodens mit nur einem Durchbruch sind während des Fertigungsprozesses erhebliche Schwierigkeiten bezüglich der dauerhaft dichten Verbindung der Bauteile zu erwarten, da der Rohrboden mit nur einem Durchbruch sehr steif ist. Ein Ausgleich von Bauteiltoleranzen und Setzverhalten während des Lötens ist hier nicht möglich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen sicher und damit kostengünstig herstellbaren Wärmetauscher in kompakter Bauweise mit hoher Kühlleistung je Bauvolumen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird bei einem dem Oberbegriff entsprechenden Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung ist wenigstens eine Randseite von vier inneren, paarweise gegenüberliegenden Randseiten eines Durchbruches in einem Rohrboden nachgiebig gestaltet. Diese federnd nachgiebig gestaltete Randseite schließt in Stapelrichtung den Stapel Medien führender Rohre im Bereich der Rohrenden ab. Damit ist ein Kontakt zwischen dieser und der gegenüberliegenden Randseite des Durchbruches und den Rohren während des Fügens der Bauteile gewährleistet, wobei dieser Kontakt auch während des Lötprozesses (hier kommt es zu einem Setzverhalten der Bauteile, insbesondere durch abschmelzendes Lot) aufrecht erhalten wird. Damit ist eine dauerhaft sichere und dichte Verbindung gewährleistet. Vorteilhaft unterstützend zur Darstellung der Verbindung wirkt ein weiteres Merkmal der Erfindung: Von den Seitenteilen, die den Stapel oben und unten abschließen, greift wenigstens ein Seitenteil hinter die Rückseite des nachgiebig gestalteten Randes des Durchbruches. Hiermit ist die Lage der Rohrböden zum Stapel Medien führender Rohre vorteilhaft schon vor dem Löten fixiert. Durch Zusammenpressen des Stapels, gemeinsam mit den Seitenteilen, während des Lötprozesses wird der Kontakt der Randseiten mit den Rohren gewährleistet. Die nachgiebige Gestaltung des Randes wird durch eine Darstellung des Randes mit einer Materialausdünnung und einem Schenkel erreicht.
Das Herstellungsverfahren für Wärmetauscher, bei dem ein Stapel aus beabstandeten Rohren gebildet wird, dessen Ende in einen Durchbruch eines Rohrbodens eingesetzt wird, wonach Seitenteile am Stapel angelegt werden, die an ihren Enden mit einem Rand des Durchbruchs in Kontakt sind, wonach der Wärmetauscher mit einer Kraft auf die Seitenteile belastet und gelötet wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Rand mit nachgiebigen Eigenschaften ausgebildet und während des Lötens mittels der Kraft in Richtung auf den Stapel nachgeführt wird.
Der Wärmetauscher kann als Kühler für Ladeluft oder Abgas oder für ein Gemisch aus Abgas und Ladeluft einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
Weitere Merkmale befinden sich in den abhängigen Patentansprüchen, auf die an dieser Stelle ausdrücklich verwiesen wird, um deren Wiederholung zu erübrigen.
Ferner ergeben sich Merkmale und deren Vorteile aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen.
Die Zeichnungen zeigen Folgendes:
1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschers;
2 zeigt eine Mittellängsschnitt des Wärmetauschers;
3 zeigt eine Teilansicht des Rohrstapels mit Rohrboden;
4 zeigt einen Teilschnitt des Rohrstapels;
5 zeigt den Rohrboden;
6 zeigt einen nachgiebigen Rand nach dem Löten;
7 zeigt einen nachgiebigen Rand vor dem Löten;
8 zeigt die Platine des Rohrbodens;
9 zeigt einen Teilschnitt A der Platine aus 8;
Der Wärmetauscher 1 besteht aus zwei Rohrböden 2 mit Dichtungskanal 24, dem durch Seitenteile 4 abgeschlossenen Stapel 3 aus flachen Rohren 10 für ein erstes Medium. Die Rohre 10 des Stapels besitzen einen Abstand zueinander, der einen Strömungskanal 12 für ein zweites Medium darstellt. Die Strömungskanäle 12 können aus Platten gebildet sein. Vorteilhafter scheint es jedoch zu sein, die Strömungskanäle 12 aus eingelegten Stäben 12a und Lamellen 12b zu bilden, wie in 4 erkennbar ist. Andere bekannte Ausgestaltungen der Strömungskanäle 12 stehen ebenfalls zur Verfügung. Ferner ist ein Sammelkasten 6 vorgesehen, der am Rohrboden 2 in bekannter Weise angebracht ist, zum Beispiel durch Verklammern der Ränder des Rohrbodens 2 mit dem Kasten 6 in Verbindung mit dem Dichtungskanal 24. Der Sammelkasten 6 könnte allerdings auch angeschweißt sein oder anderweitig am Rand 16 des Rohrbodens 2 verbunden werden, wobei dann ein Dichtungskanal 24, wie gezeigt, nicht erforderlich wäre. Der Kasten 6 kann durch einen umlaufenden Bord 7 verstärkt sein. Durch die Rohre 10 und Anschlüsse 8 strömt das erste Medium, das zweite Medium strömt durch die Strömungskanäle 12, welches dort in nicht gezeigter Weise zu- und abgeführt wird. Gezeigt ist vielmehr ein Wärmetauscher, bei dem als zweites Medium beispielsweise Kühlluft durch die Strömungskanäle 12 frei hindurchströmen könnte. Die Rohre 10 können mit Turbulatoren zur Erhöhung der Kühlleistung bestückt sein. Der ausreichend beschriebene Stapel 3 wird mit seinem Ende in einen Durchbruch 15 des Rohrbodens 2 eingeführt. Der Durchbruch 15 ist vom Rand 16 des Rohrbodens 2 eingefasst. Der Rand 16 besitzt vier Randseiten 16a, 16b, 16c und 16d. Die Randseiten sind paarweise gegenüberliegend angeordnet.
Verursacht durch Bauteiltoleranzen und durch das Setzverhalten der Bauteile während des Füge- und Lötprozesses kann es zu mangelhaftem Kontakt zwischen den Rändern des Durchbruchs 15 und dem Ende des Stapels 3 kommen. Dies kann zu Leckagen und Schäden am Wärmetauscher während des Betriebs führen. Um den sicheren und ständigen Kontakt zwischen den Randseiten 16a, 16b zu gewährleisten, ist wenigstens die Randseite 16a nachgiebig gestaltet. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch die gegenüberliegende Randseite 16b vorzugsweise in gleicher Weise nachgiebig gestaltet. Damit können Abschnitte 40 (4) der Seitenteile 4, die hinter den Rändern 16a eingreifen, diese Ränder 16a mittels Druckausübung über das Seitenteil 4 durch z. B. Spannvorrichtungen in ständigen Kontakt mit dem Stapel 3 halten. Die Nachgiebigkeit kann durch einen biegbaren Schenkel 20 und eine Materialausdünnung 21 in den Randbereichen 17 des Durchbruchs 15 dargestellt sein, wobei diese Materialsausdünnung 21 während des Fertigungsprozesses des Rohrbodens 2 als beispielsweise eingeprägte oder eingekerbte Vertiefung 22 im Rohrboden 2 angebracht werden kann. Die Materialausdünnung 21 ist in der Biegung des Schenkels 20 angeordnet. Sie erstreckt sich entlang der Biegung. Wie beispielsweise die 6 und 7 zeigen, wurde in diesem Ausführungsbeispiel eine eingeprägte Vertiefung 22 an der Innenseite des Rohrbodens 2 angeordnet. Sie könnte sich auch (oder zusätzlich auch) an der Außenseite befinden, denn ihre Funktion besteht in der Erleichterung der Biegbarkeit des Schenkels 20, ohne dabei etwa den Dichtungskanal 24 zu deformieren oder jedenfalls in seiner Formgebung zu beeinträchtigen.
Der Schenkel 20 ist mit einer Länge L ausgeführt, die größer als die Höhe H des Dichtungskanals 24 im Rand ist. (7) Der Dichtungskanal 24 wird durch äußere und innere starre Ränder des Randes gebildet und besitzt etwa einen u-förmigen Querschnitt. Die nachgiebig gestaltete Randseite 16a weist gemeinsam mit dem in neren Rand, dem Schenkel 20 und dem äußeren Rand einen etwa Z-förmigen Querschnitt auf.
Die Kraft wird mittels einer Verspannung (Pfeile, 2) oder eines Gewichtes oder dergleichen auf das wenigstens eine Seitenteil 4 und über das Seitenteil auf den Schenkel 20 übertragen. Der Schenkel 20 wird dabei aus einer etwa parallel zum inneren Rand liegenden Position in eine Schräglage zum inneren Rand über die Biegung bewegt. In der erwähnten Schräglage wird der Schenkel 20 mit dem Stapel 3 verlötet. Der Schenkel 20 besitzt eine vom Stapel 3 wegweisende Abbiegung 22, die mit dem Ende 40 des Seitenteils 4 einen gewissen Formschluss bildet. Der Schenkel 20 wird sozusagen im Zuge des Lötens aufgebogen, wie ein Vergleich der 6 und 7 zeigt. Es kann möglicherweise angenommen werden, dass die Darstellungen bezüglich des Grades der Aufbiegung etwas übertrieben sind, um Gesagtes besser zu veranschaulichen.
Wie die 8 und 9 verdeutlichen, wird bei der Herstellung der Rohrböden 2 zunächst die Einkerbung 22 in die Platine eingeprägt, wonach die Umformung der Platine zum Rohrboden 2 stattfindet.
Abschließend bzw. zusammenfassend sei gesagt, dass der Rand 16a des Rohrbodens 2 mit nachgiebigen Eigenschaften ausgebildet wird, um mittels der Kraft in Richtung auf den Stapel 3 nachgeführt zu werden, was der Kern des vorschlagsgemäßen Herstellungsverfahrens sein soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0992756 A2 [0002]
- DE 10229083 A1 [0003, 0003]
- DE 19833338 A1 [0004]

Claims

Wärmetauscher (1), bestehend aus mindestens einem Rohrboden (2) und einem Stapel (3) aus beabstandeten, Medien führenden Rohren (10) und aus Seitenteilen (4), wobei der Stapel (3) in einen Durchbruch (15) des Rohrbodens (2) mit einem Rand (16) mit vier Randseiten (16a, 16b, 16c, 16d) eingesetzt ist, die paarweise gegenüberliegend angeordnet und mit dem Stapel (3) verlötet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Randseiten (16a) des Rohrbodens (2) nachgiebig gestaltet ist und dass an der Rückseite (18) dieser Randseite (16a) eine Kraft übertragende Wirkverbindung mit einem Endabschnitt (20) wenigstens eines Seitenteils (4) besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgiebige Gestaltung der Randseite (16a) durch einen biegbaren Schenkel (20) dargestellt ist.
Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialausdünnung (21) in der Biegung des Schenkels (20) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialausdünnung (21) durch eine geprägte oder eingekerbte, sich entlang der Biegung erstreckende, Vertiefung (22) dargestellt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schenkel (20) mit einer Länge (L) ausgeführt ist, die größer als die Höhe (H) eines Dichtungskanals (24) im Rand ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (16) des Rohrbodens (2) äußere Ränder aufweist, die mit nicht nachgiebigen inneren Rändern einen etwa u-förmigen Querschnitt ausbilden.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgiebig gestaltete Randseite (16a) gemeinsam mit dem inneren Rand, dem Schenkel (20) und dem äußeren Rand einen etwa Z-förmigen Querschnitt aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft mittels einer Verspannung oder eines Gewichtes oder dergleichen auf das wenigstens eine Seitenteil und über das Seitenteil auf den Schenkel (20) wirkt.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegenüberliegende Randseiten nachgiebig gestaltet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schenkel (20) aus einer etwa parallel zum inneren Rand liegenden Position in eine Schräglage zum inneren Rand über die Biegung bewegbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schenkel (20) in der Schräglage mit dem Stapel verlötet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schenkel eine vom Stapel wegweisende Abbiegung aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt des Seitenteils umgeformt ist und mit der Abbiegung zusammenwirkt.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Ladeluftkühler oder Abgaskühler oder ein Kühler für ein Gemisch aus Ladeluft und Abgas für Brennkraftmaschinen ist, wobei das zweite Medium eine Flüssigkeit ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Ladeluftkühler oder Abgaskühler oder ein Kühler für ein Gemisch aus Ladeluft und Abgas für Brennkraftmaschinen ist, wobei das zweite Medium ein Kältemittel ist.
Herstellungsverfahren für Wärmetauscher, bei dem ein Stapel (3) aus beabstandeten Rohren (10) gebildet wird, dessen Ende in einen Durchbruch (15) eines Rohrbodens (2) eingesetzt wird, wonach Seitenteile (4) am Stapel (3) angelegt werden, die an ihren Enden mit einem Rand (16) des Durchbruchs in Kontakt sind, wonach der Wärmetauscher mit einer Kraft auf die Seitenteile (4) belastet und gelötet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (16) mit nachgiebigen Eigenschaften ausgebildet und mittels der Kraft in Richtung auf den Stapel (3) nachgeführt wird.