DE2810275A1

DE2810275A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE2810275A1
Application number: DE19782810275
Authority: DE
Inventors: Louis Bellovary; Andrew John Cottone
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 1977-05-12
Filing date: 1978-03-09
Publication date: 1978-11-23
Also published as: US4159034A; JPS53139261A; IT1105296B; FR2390694B1; IT7847995A0; FR2390694A1; SE7805338L; CA1097336A; GB1577090A

Description

MODINE MANUFACTURING COMPANY
1500 DeiCoven Avenue
Racine, Wisconsin / Y.St.A.

Wärmetauscher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher, wie z.B. Kühler für Automobile und ähnliche Wärmetauscher. Diese haben eine Anzahl ein Bündel bildende Rohre, an deren jeweils gegenüberliegenden Enden sich behälterförmige Endstücke befinden. Sie sind so ausgebildet, daß durch ihr Inneres hindurch ein fluidischer Stoff fließen kann und ein anderer fluidischer Stoff, wie z.B. Luft, über deren äußere Oberflächen hinwegströmt. Seit langem hat man solche Wärmetauscher aus Kupfer, Aluminium, Messing und anderen solchen relativ leichten und schwachen bzw. wenig widerstandsfähigen Metallen oder Legierungen hergestellt. Bei solchen Wärmetauschern sind die Verbindungen zwischen den einzelnen Teilen desselben üblicherweise durch Löten oder Hartlöten hergestellt worden. Aufgrund der Weichheit des Metalles und dieser Art der Verbindung war es bei Wärmetauschern und insbesondere Kühlern der bekannten Art erfor-

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derlich, eine halternde und/oder einen Rahmen bildende Vorrichtung für den mechanisch wenig stabilen Wärmetauscher vorzusehen. So sind z.B. Halterungsrahmen verwendet worden, in denen beispielsweise ein Autokühler eingesetzt ist.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher, insbesondere Autokühler, anzugeben, der frei von den wie voranstehend beschriebenen Nachteilen des' Standes der Technik ist.

Diese Aufgabe wird mit einem wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 umrissenen Wärmetauscher erfindungsgemäß gelöst, dessen kennzeichnende Merkmale aus dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 hervorgehen. Aus den Unteransprüchen lassen sich weitere Ausgestaltungen der Erfindung entnehmen.

Ein wie erfindungsgemäßer Wärmetauscher besteht aus Einzelteilen aus rostfreiem Stahl, wobei diese Teile entweder aus massivem rostfreien Stahl oder aus einem Stahl mit Oberflächenbeschichtung aus rostfreiem Material bestehen. Ein solcher oberflächenbeschichteter Stahl ist z.B. aus den US-Patentschriften 3 093 556 und 3 184 331 bekannt.

Obgleich ein wie erfindungsgemäßer Wärmetauscher vorzugsweise aus Chrom enthaltendem rostfreien Stahl hergestellt wird, lassen sich hierfür auch andere feste, aber korrosionsbeständige Stahlsorten verwenden, wie z.B. Monel und Inconel. Diese Stahlsorten sind sehr fest. Bei einem wie erfindungsgemäßen Wärmetauscher sind sämtliche Verbindungen zwischen den Rohren und den Endstücken miteinander verschweißt, so daß das ganze ein geschweißter Aufbau ist. Ein solcher geschweißter Wärmetauscher hat vertikal angeordnete Teile mit genügend großer Dicke, die daher entsprechende Stärke und Festigkeit haben, um einen sich selbsttragenden Aufbau für einen Wärmetauscher zu bilden. An diesem sind jegliche weitere Teile angebracht, wie z.B. Ölkühler und die flexiblen

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Leitungen für die Flüssigkeit, die in die Endstücke hinein- bzw. aus ihnen herausfließt.

Ein wie erfindungsgemäßer geschweißter Wärmetauscher hat Oberflächen, die mit den fluidischen Stoffen, zwischen denen der Wärmeaustausch ^folgen soll, in Kontakt kommen. Diese Oberflächen bestehen aus rostfreiem Stahl. Der Wärmetauscher hat ein Bündel Rohre, die im Abstand voneinander angeordnet sind und durch die hindurch eine der fluidischen Stoffe fließt und über deren äußere Oberflächen hinweg der andere fluidische Stoff strömt. An den einander gegenüberliegenden Enden befindet sich je ein behälterförmiges Endstück. Die Verbindungen zwischen den Endstücken und den Enden der Rohre sind durch Verschweißung hergestellt.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung hervor.

Fig.1 zeigt eine Seitenansicht eines aus rostfreiem Stahl bestehenden Wärmetauschers der Art, wie er als Autokühler verwendet wird.

Fig.2 sind Schnittdarstellungen entsprechend den Schnitten ^u* ³ 2-2 und 3-3 in Fig.1.

Fig.4 zeigt eine seitliche Teilansicht eines Schnittes 4-4 aus Fig.2.

Fig.5 zeigt eine Teilansicht des Schnittes 5-5 in Fig.4.

Der in Fig.1 dargestellte erfindungsgemäße Wärmetauscher, der z.B. ein Autokühler ist, hat vertikal angeordnete, behälterartige Endstücke 11 und 12. Jedes dieser Endstücke hat eine Endplatte 13 bzw. 14, die jeweils Teil eines Behälters 15 bzw. 16 ist. Die Behälter 15, 16 haben an sich

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kreisförmigen Querschnitt, jedoch haben sie einen Oberflächenbereich, der eine Kreissehne bildet, wie dies auch aus Fig.3 zu ersehen ist. Dieser Bereich umfaßt die flachen Endplatten 13 und 14, wobei diese beiden Endplatten im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

Zwischen den beiden endseitigen Behältern 11 und 12 erstrekken sich parallel zueinander ausgerichtete Rohre 17, die zusammen ein Bündel von Rohren bilden. Diese Rohre 17 haben flachen Querschnitt, jedoch mit zylindrischen Enden 18. Diese Enden 18 erstrecken sich in die jeweilige der Endplatten 13 und 14, wie dies am besten aus den Fig.3 und 4 zu ersehen ist. Die Rohrabschnitte mit dem flachen Querschnitt 19 erstrecken sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Rohre und sind parallel zueinander und im rechten Winkel zu den Behältern 15 und 16 ausgerichtet. Damit kann kühlende Luft in verbesserter Weise mit den Oberflächen dieser flachen Rohranteile in Berührung kommen.

Die Behälter 11 und 12 haben vertikal angeordnete Teile mit ausreichender Dicke. Ihre Stärke und Festigkeit ist derart, daß sich eine selbsttragende Konstruktion für den Wärmetauscher bzw. Kühler ergibt. Irgendwelche Befestigungen und daran angebrachte Teile, wie z.B. der Anschlußschlauch 20, sind in Fig,2 in·gestrichelten Linien dargestellt. Die Behälter haben außerdem daran angebrachte, wie übliche Anschlüsse 21 und 22 für den Kühlmittel-Zulauf und den -Ablauf, einen Einfüllstutzen 23 und einen innerhalb des Behälters 15 angebrachten Ölkühler 24, der in derjenigen Art ausgeführt sein kann, wie in der US-Patentschrift 3 732 921 beschrieben ist.

Die Teile des Wärmetauschers bzw. Kühlers, die aus rostfreiem Stahl bestehen,-das sind die behälterförmigen Endstücke 11 und 12, die Rohre 17 und die üblichen daran angebrachten Teile sowie am unteren Ende angebrachte Befestigungsflansche

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bzw. -lappen, die mit 25 und 26 bezeichnet sind, und eine oben angebrachte Lasche oder Klammer 31 zur Stabilisierung bzw. zum Haltern,- sind an den Verbindungsstellen verschweißt. So sind die Verbindungen 27 der Behälter, die Rohre mit den Endplatten der Behälter an den Verbindungen 28 und die mit 30 bezeichneten Verbindungen der Behälter mit den Endplatten 29 jeweils verschweißt. Das Schweißen selbst kann nach einem der üblichen Verfahren durchgeführt sein. Bevorzugt ist jedoch ein Schweißen unter Schutzgas mit elektrischer Bogenentladung, die mit hoher Geschwindigkeit über bzw. um die jeweilige Verbindung an der Stelle umläuft, an der die Schweißung auszuführen ist. Bei dieser Schweißung wird das Metall in schmelzflüssigen Zustand gebracht und im wieder abgekühlten Zustand ist die Verbindung ausgebildet. Auf diese Weise können die Schweißungen ohne Verwendung irgendwelchen zusätzlichen Metalles, wie z.B. eines Schweißdrahtes, durchgeführt werden. Mit Hilfe des inerten Schutzgases werden die Schweißungen gegen Verunreinigungen geschützt. Als Schutzgas wird z.B. Argon verwendet. Das einzige bei diesem Schweißen zugeführte Metall ist dasjenige der Metallteile selbst aus dem Bereich ihrer Berührung miteinander. Das in schmelzflüssigem Zustand befindliche Metall wird durch das Schutzgas geschützt. Zwischen einer Elektrode und dem Werkstück wird eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die zu einer Ionisierung des die Elektrode und die Verbindung umgebenden Schutzgases, z.B. des Argons, führt. Gleichzeitig läßt man aufgrund einer angelegten Niedervolt-Spannung einen Gleichstrom zwischen der Elektrode und dem Werkstück fließen, das das jeweilige Teil des Wärmetauschers ist. Wenn die hochfrequente Hochspannung das Gas ionisiert hat, liegt ein Lichtbogen bzw. eine Bogenentladung oder eine Elektronenströmung vor, die auf dem Gleichstrom der Niedervolt-Spannung beruht. Der Strom fließt zwischen der Elektrode und dem Werkstück, womit die Schweißstelle bis zum Schmelzfluß bzw. bis zur Schweißtemperatur der Verbindung erhitzt wird. Die Bogenentladung erzeugt ein um sie selbst herum

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befindliches Magnetfeld, auf das man ein transversales Magnetfeld einwirken läßt, welches in an sich üblicher Weise mit Hilfe einer stromdurchflossenen Spule erzeugt wird. Durch diese Einwirkung wird die Bogenentladung auf eine Bahn gezwungen, die mit der Formgebung der Elektrode zusammenfällt, wobei die Elektrodenform wiederum mit der Formgebung der Metallteile an der Verbindungsstelle übereinstimmt.

Die Geschwindigkeit der Bewegung des Schweißbogens ist proportional der Magnetfeldstärke und dem elektrischen Strom im Bogen. Bei diesem Verfahren des Schutzgas-(Licht-)Bogenschweißens wird die Elektrode nicht verbraucht. Die Elektrode besteht vorzugsweise aus Wolfram, wobei eine typische Schweißelektrode aus einer Legierung von 15 Gewichtsteilen Kupfer und 85 Gewichtsteilen Wolfram besteht. Eine spezielle Ausführungsform einer derartigen Schweißvorrichtung, die nach diesem Prinzip arbeitet, ist in der parallelen Anmeldung ^p vom 9.3.78 des gleichen Anmelders wie bei

der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Schutzgas verhindert die Bildung einer stärkeren Oxydhaut auf den Teilen, die durch das Vorhandensein von Chrom im rostfreien Stahl begünstigt wird.

Wie oben bereits darauf hingewiesen wurde, enthält eine bevorzugte rostfreie Stahlsorte Chrom in einer Menge von wenigstens 12%, z.B. von 12 bis 32%. Es können aber auch andere rostfreie Legierungen verwendet werden. Rostfreier Stahl, der Chrom enthält, ist deshalb bevorzugt, weil Chrom die Härtbarkeit wesentlich begünstigt und die kritische Abkühlrate des Stahls verringert. Chrom enthaltende Stahllegierung hat gute Kriecheigenschaft bzw. Kaltfließfähigkeit bei hohen Temperaturen und Drucken.

Aufgrund der geschweißten Konstruktion aus rostfreiem Stahl hat ein wie erfindungsgemäßer Wärmetauscher bzw. Kühler große Stabilität und trägt sich selbst. Er läßt sich mit

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Hilfe der schon erwähnten Laschen 25 und 26 und der Lasche 31 befestigen, ohne daß ein Halterahmen erforderlich wäre, wie das heute üblich ist. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges können benachbarte Rohre mit sie verbindenden schlangenförmigen Zwischenlagen 32 verbunden sein. Am Boden des Zuflußbehälters 16 ist außerdem eine wie übliche kleine Ablaßöffnung 33 vorgesehen.

Die Teile aus rostfreiem Stahl sind ausreichend dick, so daß sie genügend stark und selbsttragend sind. Bei einer Ausführungsform sind z.B. die behälterförmigen Endstücke 11 und 12 aus 0,6 mm (0,024") dickem Material hergestellt. Die Rohrwandungen aus rostfreiem Stahl sind 0,3 mm (0,012") dick. Die Rohre sind geschweißt und geglüht. Die Verbindungen 28 sind von der Seite der Endstücke her geschweißt. In Fig.3 ist dies eine Schweißung von der linken Seite her. Die längliche Verbindung 27 des Behälters wird dadurch hergestellt, daß die beiden Enden des Behälters 15 miteinander verschweißt werden. Das Schweißen der Verbindung 28 wird mit magnetisch gesteuertem bzw. geführtem Bogenschv/eißen ausgeführt.

Wie dies in den Fig.4 und 5 gezeigt ist, ist der Wärmetauscher bzw. Kühler mit Seitenteilen 34 am Boden versehen, und zwar zwischen den Seiten, zu denen hin sich der erste Satz der Zwischenbleche 32 hin erstreckt. Die Teile 34 sind mit dem ersten Satz der Rohre 17 in ihrem Abschnitt mit flachem Querschnitt 19 in Berührung. Diese Seitenteile 34 haben Kantenwölbungen 35. Um zu verhindern, daß sich Kondensationsprodukte am Boden der Wölbungen 35 ansammeln, sind diese mit AblaufÖffnungen 36 versehen. Die Seitenteile 34 haben, wie dies aus Fig.4 zu ersehen ist, Enden 37, die mit den behälterförmigen Endstücken 11 und 12 verschweißt sind. An diese wiederum sind die Endkappen 29 angeschweißt.

Diese Kombination aus Teilen, bestehend aus rostfreiem Stahl, ist in sehr einfacher Weise herzustellen, weil die Einzel-

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teile miteinander verschweißt v/erden, ohne daß zusätzliches Schweißmetall erforderlich wäre.

Soweit gewünscht, kann die Anordnung vor und während des Schweißens um die Seiten herum mit einem Band umgeben werdenj so daß auch keine (zusätzliche) Befestigung erforderlich ist, um die Einzelteile in ihrer passenden Anordnung zueinander zu halten.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist ein Kühler mit Querströmung. Das Prinzip eines wie erfindungsgemaßen Wärmetauschers oder Kühlers läßt sich aber auch auf einen solchen mit Tertikaiströmung anwenden.

Die voranstehend anhand der Figuren gegebene Beschreibung beschränkt die Erfindung keineswegs auf das Ausführungsbeispiel. Vielmehr kann der Fachmann aufgrund der Beschreibung ohne weiteres weitere im Rahmen der Erfindung liegende Variationen angeben.

er Patentanwalt

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Claims

IMdI. - Ing. H. MITSCHERLICH Dipl. - Ing. K. GUNSCHMANN Dr. rer. rat. W. K Ö R B E It DIpI. - Ing. J. SCHMIDT-EVERS MÜNCHEN 22, Stemsdorf.tr. IS MODINE MNUFACTURING COMPAIH" 9.3.1978 1500 DeKoven Avenue Racine, Wisconsin / V.St.A. Patentansprüche

1. Wärmetauscher mit starrem Aufbau für den Austausch von Wärme zwischen fluidischen Stoffen, wobei der Wärmetauscher behälterförmige Endstücke und eine Anzahl dazwischen sich erstreckende, diese Behälter für den Durchfluß des einen fluidischen Stoffes miteinander verbindende, im Abstand voneinander angeordnete Rohre hat, über deren äußere Oberflächen der zweite fluidische Stoff strömt und Wärmeaustausch zwischen diesen beiden Stoffen durch die Rohrwandungen hindurch erfolgt, gekennze ichnet dadurch, daß die behälterförmigen Endstücke (11, 12) und die diese Endstücke miteinander verbindenden Rohre (17) innere und äußere Oberflächen aus rostfreiem Stahl haben und die Verbindungen in korrosionsbeständiger Schweißung ausgeführt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß einander benachbarte Rohre (17) miteinander durch Wärme austauschende Rippen (32) verbunden sind, über die hinweg der zweite fluidische Stoff strömt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Rippen (32) aus Aluminium bestehen

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und an den äußeren Oberflächen der entsprechenden Rohre (17.) angebracht sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die behälterförmigen Endstücke (11, 12) und die Rohre (17) im wesentlichen aus massivem rostfreien Stahl bestehen.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die behälterförmigen Endstücke (11, 12) und die Rohre (17) aus Stahl bestehen, dessen Oberfläche mit rostfreier Legierung imprägniert oder beschichtet ist, die Chrom enthält.

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