DE3505196A1

DE3505196A1 - Waermetauscher, insbesondere fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3505196A1
Application number: DE19853505196
Authority: DE
Inventors: Juergen Ing Grad Bayer; Reinhold Heck; Karl-Ernst Ing Grad Hummel; Reinhold Ing Gra Kuchelmeister
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1985-02-15
Filing date: 1985-02-15
Publication date: 1986-08-21
Anticipated expiration: 2005-02-16
Also published as: FR2577664A1; IT8619186A0; GB2171192A; FR2577664B1; IT8620737V0; DE3505196C2; ES291586U; IT1188318B; US4724903A; GB2171192B; ES291586Y; GB8600950D0

Description

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Süddeutsche Küherfabrik Julius Fr. Behr GmbH & Co.KG Mauserstraße 3, D - 7ooo Stuttgart 3o

Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus de-r DE-OS 32 47 5o2 ist ein Wärmetauscher-mit einem aus Kunststoff bestehenden Wasserkasten sowie einem aus Kunststoff bestehenden Rohrboden bekannt. Der Rohrboden weist auf einer Seite eine Vielzahl von Erhebungen auf, in denen sich Öffnungen zur Aufnahme der Wärmetauscherrohre befinden. Die Öffnungen können dabei in axialer Richtung in mehrere Abschnitte unterteilt sein, wobei der mittlere Abschnitt einen konstanten Querschnitt aufweist. Bei der bekannten Anordnung ist außerdem auf die Möglichkeit hingewiesen, zu beiden Seiten des mittleren Abschnittes im Querschnitt erweiterte Endabschnitte vorzusehen. Die Rohre sind in den öffnungen durch Aufweiten, d.h. Pressung in radialer Richtung befestigt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art derart weiter zu entwickeln, daß zur Befestigung und Abdichtung der Wärmetauscherrohre im

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Rohrboden größere Presskräfte wirken können, eine günstigere Verteilung der Presskräfte erreicht wird und ein Verzug des Rohrbodens im Bezug auf die Rohrbodenebene ausgeschlossen ist. Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Anordnungen der Erhebungen zu beiden Seiten des Rohrbodens wird eine optimale Massenverteilung erreicht, so daß der Massenschwerpunkt des Rohrbodens annähernd auf halber Höhe des Rohrbodens und somit in dessen Mitte liegt. Gegenüber der bekannten Anordnung ergibt sich außerdem der Vorteil, daß nunmehr die größte Presskraft nicht mehr am wasserseitigen Ende der öffnungen entsteht, sonderen die Presskraft an einer Mantelfläche mit großer axialer Erstreckung im mittleren Abschnitt der öffnungen aufgenommen wird. Es ergibt sich dadurch ein sehr günstiger Spannungsverlauf hinsichtlich der axialen Erstreckung der Öffnungen, so daß die günstigere Verteilung der Druckspannung im Rohrboden das Wirken größerer Presskräfte ermöglicht.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes beträgt die axiale Länge des mittleren Abschnitts der Öffnungen das 1,6-fache bis 1,8-fache der normalen Rohrbodendicke. Auf diese Weise ist für den mit der maximalen Druckspannung beaufschlagten mittleren Abschnitt eine ausreichende, aber nicht unnötig große, axiale Erstreckung gegeben. Damit dieser Bereich sich annähernd gleichmäßig zu beiden Seiten der Rohrbodenmitte erstreckt und eioe besonders vorteilhafte Massenverteilung zu beiden Seiten der Rohrbodenmitte erreicht wird, ist es zweckmäßig, daß die

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Höhe der Erhebungen die auf der einem Wärmetauscherblock abgewandten Seite angeordnet sind, das 1-fache bis 1,5-fache der Höhe der auf der dem Wärmetauscherblock zugewandten Seite befindlichen Erhebungen beträgt.

Aus herstellungstechnischen Gründen ist es zweckmäßig, daß der mittlere Abschnitt einen sich in Richtung auf den Wärmetauscherblock erweiternden Konus mit einem öffnungswinkel von 1° bis 3° aufweist. Auf diese Weise wird die Entformung beim Auswerfen des Rohrbodens aus dem Spritzwerkzeug erleichtert und das Einführen des Rohres in die öffnung des Rohrbodens begünstigt. Als Maßnahme zur Selbstzentrierung des Rohres beim Einführen in die öffnung des Rohrbodens, dient eine konische Ausbildung des dem Wärmetauscherblock benachbarten Endabschnittes, wobei der Öffnungswinkel des Konus ca. 15° beträgt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes weist der dem Wärmetauscherblock entfernt liegende Endabschnitt einen Konus mit einem öffnungswinkel von ca. 1o° auf. Damit die Druckspannung genau am Ende der öffnung den Wertö = 0 erreicht, ist es von Vorteil, daß der Durchmesser am äußeren Ende des Konus gleich dem Außendurchmesser des in der Öffnung befestigten Wärmetauscherrohres ist. Um ein günstiges Verhältnis von mittlerem Abschnitt und Endabschnitten zu erreichen, ist es zweckmäßig, daß die axiale Länge jedes Endabschnittes etwa /_ der gesamten axialen Länge der öffnung beträgt. Es ist ferner günstig, daß das Wärmetauscherrohr auf der dem Wärmetauscherblock Bbgewandten Seite aus dem Rohrboden herausragt und zwar mit einer Länge, die mindestens der axialen Länge des Endabschnittes entspricht.

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Ein Ausführungsbeispxel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 einen Schnitt durch einen Rohrboden und

einen Teil des Rohrrippenblocks eines Wärmetauschers;

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung der Aus

bildung der Erhebungen und der öffnung im Rohrboden;

Figur 3 eine Anordnung gemäß Figur 2 mit in

der öffnung befestigtem Wärmetauscherrohr ;

Figur· 4 ein Spannungsdiagramm über die Ver

teilung der Druckspannung.

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Wärmetauscherblock 1, der aus Wärmetauscherrohren 2 und quer dazu angeordneten Rippen 3 besteht. Die Enden 2* der Wärmetauscherrohre 2 befinden sich in öffnungen 4 eines Rohrbodens 5, der auf einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise einem glasfaserverstärktem Polypropylen oder Polyamid, besteht. Die Wärmetauscherrohre 2 sind mittels Aufweitung im Rohrboden 5 befestigt. Einzelheiten über die Ausgestaltung der—Öffnungen werden weiter unten zu Figur 2 angegeben. Der Rohrboden 5 weist im Bereich jeder der öffnungen 4 zwei entgegengesetzt gerichtete Erhebungen 6 und 7 auf, so daß der Rohrboden 5 im Bereich der öffnungen 4 erheblich dicker ausgestaltet ist als im Bereich zwischen den Erhebungen, wo der Rohrboden seine normale Dicke besitzt.

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Mit dem Bezugszeichen 8 ist die geometrische Mitte, d.h. die Mittellinie zwischen oberer Rohrbodenebene 9 und unterer Rohrbodenebene 1o bezeichnet. Im Randbereich des Rohrbodens 5 ist eine Verbindungsfläche 11 zur Aufnahme eines in der Zeichnung nicht dargestellten Wasserkastens vorgesehen. Es sind ferner auf der unteren Seite des Rohrbodens seitliche Vorsprünge 12 und 13 vorgesehen, die sich in Richtung auf den Wärmetauscherblock 1 erstrecken und sich seitlich an der obersten bzw. den beiden obersten Rippen 3 anlegen. Diese seitlichen Vorsprünge 12 und 13 verhindern den Durchtritt von sogenannter Falschluft zwischen der obersten Rippe 3 und der Unterseite 1o des Rohrbodens 5.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Teil des Rohrbodens .5 mit einer in der Zeichung gesehen nach oben gerichteten Erhebung 6 und einer nach unten gerichteten Erhebung 7. Der Rohrboden 5 hat im Bereich neben den Erhebungen 6 und 7 eine normale Dicke von h.. , während im Bereich der Erhebungen 6 und 7 eine Gesamtdicke von h

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erreicht wird, die sich aus der normalen Dicke h., der Höhe

h, der Erhebung 6 und der Höhe h_ der Erhebung 7 zub /

sammensetzt. In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 beträgt die Gesamtdicke h
des Rohrbodens 5.

die Gesamtdicke h etwa das 2,2-fache der Normaldicke h.

ges 1

In dem durch die Erhebungen 6 und 7 dicker gestalteten Teil des Rohrbodens 5 ist eine öffnung 4 angeordnet, die einen mittleren Abschnitt 14 sowie Endabschnitte 15 und 16 umfaßt. Der mittlere Abschnitt 14 der Öffnung 4 erstreckt -sich über eine axiale Länge tu und besitzt einen mindestens annähernd konstanten Öffnungsquerschnitt D., wobei die Mantelfläche des mittleren Abschnittes zylindrisch oder wie in Figur 2

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gezeigt, leicht konisch sein kann. In letzterem Fall beträgt der öffnungswinkel ch etwa 1°, so daß sich der Öffnungsquerschnitt D₁ im mittlerem Abschnitt 14 nur unwesentlich ändert. Die leicht konische Ausbildung des mittleren Abschnittes 14 wird vornehmlich aus Gründen einer besseren Entformbarkeit des Rohrbodens 5 aus dem Spritzwerkzeug vorgesehen.

Der in der Erhebung 6 angeordnete Endabschnitt 15 weist einen zum mittleren Abschnitt 14 hin verjüngenden Konus auf, wobei der Winkel β dieses Konus etwa 1o° beträgt. Während der Endabschnitt 15 vom geringsten Durchmesser D des mittleren"Abschnitts 14 ausgeht, weist der Endabschnitt an der Oberkante der Erhebung 6 einen vergrößerten Durchmesser D auf. Der Endabschnitt 15 besitzt eine axiale Länge

h „, die etwa /-, der Gesamtdicke h beträgt. Am anderen 4 7 ge s

Ende der öffnung 4 befindet sich der Endabschnitt 16, der ebenfalls konisch ausgebildet ist, wobei jedoch der öffnungswinkel^* des Konus entgegengesetzt zu dem des Endabschnitts 15 gerichtet ist und einen Betrag von etwa 15° hat. An der äußeren Kante der Erhebung 7 besitzt die öffnung 4 ihren größten Durchmesser D.. Die axiale Länge h,. des Endab-

1
Schnitts 16 beträgt /_ der Gesamtdicke h „,so daß die

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axialen Längen beider Endabschnitte 15 und 16 gleich sind.

Figur 3,zeigt einen Schnitt durch einen Rohrboden 5 gemäß Figur 2 mit einem in der öffnung 4 befestigten Wärmetauscherrohr 2. Das Wärmetauscherrohr 2 wird - in der Zeichnung gesehen - von unten in die öffnung 4 des Rohrbodens 5 eingeführt und soweit durchgesteckt, bis das Ende des Wärme-

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tauscherrohres auf der Seite der Erhebung 6 herausragt. Die Befestigung des Wärmetauscherrohres 2 in der Öffnung 4 des Rohrbodens 5 erfolgt durch Aufweiten, d.h. durch radiale Verformung, wodurch im mittleren Abschnitt 14 der öffnung 4 aufgrund des konstanten bzw. annähernd konstanten Querschnitts eine über die gesamt axiale Länge des mittleren Abschnitts 14 gleichmäßige Presskraft erzeugt wird. Die Aufweitung des Wärmetauscherrohres 2 erfolgt in einem solchen Maß, daß das aus der Erhebung 6 überstehende Ende 2* des Wärmetauscherrohres einen Durchmesser D aufweist, der exakt den Durchmesser D_ am äußeren Ende des Endabschnittes 15 entspricht.

Figur 4 zeigt ein Diagramm des Druckspannungsverlaufs, wobei die Größe der Druckspannung C über der axialen Länge der Bohrung 4, die durch die Teillängen h_, h. und h- gebildet wird, aufgetragen ist. Im linken Teil der Figur 4 ist zum besseren Verständnis die Kontur der Öffnung 4 im Rohrboden 5 und das in der öffnung 4 befestigte Rohr 2 dargestellt. Im rechten Teil der Figur 4 ist das Diagramm des Spannungsverlaufes der Druckspannung O" in den jeweiligen Abschnitten 15, 14 und 16 der Öffnung 4 gezeigt.

Wie aus diesem Diagramm ersichtlich wird, ist der Konus des Endabschnittes 15 so gewählt, daß ein gleichmäßiger Anstieg beginnend mit dem Wert C = 0 an der Oberkante der Erhebung 6 bis zum Erreichen des Wertes CT am übergang vom Endab-

max ^ ^

schnitt 15 zum mittleren Abschnitt 14, d.h. an der Stelle des geringsten Öffnungsquerschnittes der öffnung 4 erreicht wird. Sofern der mittlere Abschnitt 14 über seine axiale Länge einen konstante Querschnitt aufweist, entspricht der Spannungsverlauf der ausgezogenen Linie im Diagramm im Bereich des mittleren Abschnitts 14. Aufgrund der Quers-

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schnittserweiterung im Endabschnitt 16 ergibt sich dann eine sehr steile Abnahme der Druckspannung & bis zum Wert ^= 0, der aufgrund des größeren öffnungswinkels *y ^des Konus im Endabschnitt 16 bereits innerhalb dieses Endabschnittes, und nicht erst an seiner Außenkante erreicht wird.

Sofern wie in Figur 2 dargestellt der mittlere Abschnitt 14 einen leichten Konus/ d.h. einen geringen Öffnungswinkel oL aufweist, so ergibt sich ein Spannungsverlauf, der der gestrichel/ten Linie im Diagramm entspricht. Es ist daraus ersichtlich, daß aufgrund der geringfügigen Querschnittsveränderung in Richtung auf den Endabschnitt 15 eine Reduzierung der Druckspannung erfolgt, die sich jedoch nur unwesentlich auswirkt und keine Beeinträchtigung für die Festigkeit und Dichtheit der Verbindung zwischen Rohr 2 und Rohrboden 5 hat.

'A-

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Claims

13.2.1985 84-B-33 EDPW/Ri/so Süddeutsche Kühlerfabrik Julius Fr. Behr GmbH & Co.KG Mauserstraße 3, D - 7ooo Stuttgart 3o schnitt und daran anschließende, im Querschnitt erweiterte Endabschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (6, 7) auf beiden Seiten des Rohrbodens (5) angeordnet sind und sich zu beiden Seiten der öffnungen (4) in entgegengesetzter Richtung erstrecken, wobei die Gesamthöhe( h ) ge s beider im Bereich einer öffnung (4) angeordneten Erhebungen (6, 7) und der dazwischenliegenden Rohrbodendicke etwa das 1,8-fache bis 2,5-fache der einfachen Rohrbodendicke (h..) neben den Erhebungen (6, 7) beträgt und eine der Erhebungen (6, 7) maximal die doppelte Höhe der dieser gegenüberliegenden Erhebung besitzt und daß die axiale Länge (h1) des mittleren Abschnitts (14) der öffnungen (4) mindestens gleich und maximal doppelt so groß wie die einfache Rohrbodendicke (h..) ist und daß die Erweiterungen der öffnungen (4) beider Endabschnitte (15, 16) Konen mit entgegengesetzt gerichteten öffnungswinkels {ß,x~ ) sind. Patentansprüche

1. Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Rohrboden aus Kunststoff, der eine Vielzahl von Erhebungen aufweist, in denen sich Öffnungen zur Aufnahme der Wärmetauscherrohre befinden, wobei jede öffnung in axialer Richtung einen mittleren Abschnitt mit dem ge- ^

ringsten, mindestens annähernd konstanten.öffnungsquer- V

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2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge (h„) des mittleren Abschnitts (14) der öffnungen (4) das 1,6-fache bis 1,8-fache der einfachen Rohrbodendicke (h ) beträgt.

3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die

Höhe (h.-) der Erhebungen (6) , die auf der einem Wärmeb

tauscherblock (1) abgewandten Seite angeordnet sind, das 1-fache bis 1,5-fache der Höhe (h_) der auf der dem Wärmetauscherblock (1) zugewandten Seite befindlichen Erhebungen (7) beträgt.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt (14) einen sich in Richtung auf den Wärmetauscherblock (1) erweiternden Konus mit einem öffnungswinkel (oc) von 1° bis 3° aufweist.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Wärmetauscherblock (1) benachbarte Endabschnitt (16) • einen Konus mit einem öffnungswinkel (^") von ca. 15° aufweist.

Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dor dem Wärmetauscherblock (1) entfernt liegende Endabschnitt (15) einen Konus mit einem öffnungswinkel (/3) von ca. 1o° aufweist.

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7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D₁) am äußeren Ende des Konus gleich dem Außendurchmesser (D ) des in der öffnung (4) befestigten Wärmetauscherrohres (2) ist.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge (h., Iv) jedes Endabschnittes (15, 16) etwa

1
I₁ der gesamten axialen Länge der öffnung (4) beträgt.

Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch -gekennzeichnet, daß das Wärmetauscherrohr (2) \

auf der dem Wärmetauscherblock (1) abgewandten Seite aus dem Rohrbden (5) herausragt und zwar mit einer Länge (h_), die mindestens der axialen Länge (h.) des Endabschnittes (15) entspricht.