EP1701125A2

EP1701125A2 - Wärmeübertrager mit flachen Rohren und flaches Wärmeübertragerrohr

Info

Publication number: EP1701125A2
Application number: EP06003570A
Authority: EP
Inventors: Roland Dipl.-Ing.(FH) Strähle; Peter Dr.-Ing. Ambros; Wolfgang Dipl.-Ing.(FH) Knecht; Andreas Dipl.-Ing. Stolz
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2006-09-13
Also published as: EP1701125A3; DE102005010493A1; US20060201663A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Einlasssammelkasten (1), um das eine Medium in flache Wärmeübertragerrohre (2) zu verteilen, bzw. mit einem Auslasssammelkasten, um das eine Medium aus den flachen Wärmeübertragerrohren (2) aufzunehmen und weiterzuleiten, wobei der Sammelkasten (1) eine Wand (3) aufweist, die sich um den Umfang des Endes (4) eines Stapels der Wärmeübertragerrohre (2) und über einen gewissen Längenabschnitt (5) derselben erstreckt, wobei die Wand (3) wenigstens einen Einlass (20) und / oder einen Auslass (21) für das andere Medium, welches zwischen den Wärmeübertragerrohren (2) strömt, besitzt, und wobei in den flachen Wärmeübertragerrohren (2) ein Inneneinsatz (15) angeordnet ist, der mit den beiden Breitseiten (55) des Wärmeübertragerrohres (2) metallisch verbunden ist. Ferner wird ein flaches Wärmeübertragerohr beschrieben. Um die Widerstandfähigkeit gegen Temperaturwechselbelastungen deutlich zu verbessern, wurde erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Inneneinsatz (15) mit wenigstens einer Reihe (95) von Ausschnitten (10) und einem Zwischensteg (11) ausgebildet ist, um Temperaturwechselbelastungen zu kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Einlasssammelkasten, um das eine Medium auf flache Wärmeübertragerrohre zu verteilen bzw. mit einem Auslasssammelkasten, um das eine Medium aus den flachen Wärmeübertragerrohren aufzunehmen und weiterzuleiten, wobei der Sammelkasten eine Wand aufweist, die sich um den Umfang des Endes eines Stapels der Wärmeübertragerrohre und über einen gewissen Längenabschnitt der Wärmeübertragerrohre erstreckt, wobei die Wand wenigstens einen Einlass und / oder einen Auslass für das andere Medium, welches zwischen den Wärmeübertragerrohren strömt, besitzt, und wobei in den flachen Wärmeübertragerrohren ein Inneneinsatz angeordnet ist, der mit beiden Breitseiten des Wärmeübertragerrohres metallisch verbunden ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein flaches Wärmeübertragerrohr mit einem Inneneinsatz.
Der vorstehend beschriebene Wärmeübertrager und ein Wärmeübertragerrohr sind in der nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer EP 040 27 604.0 enthalten. Dort wurde ein Schlitz am Ende des Inneneinsatzes in denselben eingebracht oder ein zum Ende hin offener konischer Ausschnitt vorgesehen. Beide Maßnahmen führten zu einer bemerkenswerten Verbesserung hinsichtlich der Kompensation von Temperaturwechselbelastungen.
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, den oben beschriebenen Wärmeübertrager so auszugestalten, dass er den enormen Temperaturwechselbelastungen, beispielsweise bei einem Abgaswärmeübertrager in einer Abgasrückführungsanlage, noch besser widerstehen kann, und somit die an ihn gestellten Anforderungen noch besser erfüllt. Ferner wollen sie ein flaches Wärmeübertragerrohr vorschlagen, das zu einer höheren Temperaturwechselbelastungsfähigkeit des damit ausgerüsteten Wärmeübertragers führt.
Diese Aufgabe wird bei einem Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff erfindungsgemäß durch den Einsatz der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße flache Wärmeübertragerrohr weist die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruchs 21 und die weiterbildenden Merkmale der abhängigen Ansprüche auf. Bei dem flachen Wärmeübertragerrohr kann es sich beispielsweise um mit einer Längsnaht geschweißte oder um gezogene Flachrohre handeln, die Teil des Wärmeübertragers sind. Zwischen den Flachrohren sind Wellrippen angeordnet, durch die beispielsweise Kühlluft hindurchströmt. Die Enden der Wärmeübertragerrohre stecken beispielsweise in Öffnungen eines Rohrbodens, der mit der Wand eines Sammelkastens verbunden ist. Das ist die aus dem Stand der Technik bekannte Bauweise, beispielsweise eines luftgekühlten Ladeluftkühlers oder eines Kühlmittelkühlers für ein Kraftfahrzeug. Im Bereich der Enden der Wärmeübertragerrohre weist der Inneneinsatz erfindungsgemäß beispielsweise zwei Ausschnitte mit einem Zwischensteg auf, um Temperaturwechselbelastungen zu kompensieren. Der erwähnte Bereich erstreckt sich über den Bereich der unmittelbaren oder mittelbaren Verbindung des Stapels der Wärmeübertragerrohre mit der Wand des Sammelkastens. Der erwähnte Bereich der Wärmeübertragerrohre bzw. der Inneneinsätze kann sich weiter, und zwar bis etwa 1/3 der Gesamtlänge der Inneneinsätze, erstrecken. Praktisch wird der mit Ausschnitten und Zwischenstegen versehene Bereich nicht wesentlich länger als notwendig sein, denn die Ausschnitte reduzieren die Größe der wärmeübertragenden Oberfläche, was sich bekanntlich bezüglich der Leistung negativ auswirkt.
Flache Wärmeübertragerrohre sind solche, die eine kleinere und eine größere Innenabmessung aufweisen, also nicht nur solche mit parallelen Breitseiten sondern beispielsweise auch Wärmeübertragerrohre mit ovalem Querschnitt.
Flache Wärmeübertragerrohre sind außerdem, im Sinne der vorliegenden Erfindung, solche, die durch zwei die beiden Breitseiten bildenden Platten gebildet sind, wobei die beiden Schmalseiten der Rohre durch jeweils einen zwischen den Platten eingefügten Stab oder dergleichen dargestellt werden. Solche Bauweisen findet man bei vielen Anwendungsfällen von Wärmeübertragern. Sie sind beispielsweise auch in Brennstoffzellensystemen anzutreffen.
Weil der Inneneinsatz gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 21 wenigstens im Verbindungsbereich der flachen Wärmeübertragerrohre mit der Wand des Sammelkastens wenigstens eine Reihe von Ausschnitten mit einem Zwischensteg aufweist, um Temperaturwechselbelastungen zu kompensieren, wurde die Widerstandsfähigkeit des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gegen Temperaturwechselbelastungen im Vergleich mit dem vorne genannten Stand der Technik erneut deutlich gesteigert, wie die Auswertung durchgeführter umfangreicher Versuchsreihen gezeigt hat. Die erwähnte Reihe kann beliebig ausgestaltet, beispielsweise gerade oder zick - zack - förmig sein. Die Anzahl der erreichten Temperaturwechsel wurde um gegenwärtig mehr als das Doppelte gesteigert, ohne dass bisher irgendwelche Brüche bzw. Undichtigkeiten aufgetreten sind. Verbesserungen in diesem Umfang wurden nicht erwartet, und sie machen deutlich, dass auch scheinbar geringfügige Unterschiede zum Stand der Technik zu wesentlichen Vorteilen führen können.
Inneneinsätze im Sinne dieses Vorschlages sind solche, deren Wellenflanken sich unter Umkehr der Laufrichtung zwischen Wellenbergen und Wellentälern erstrecken. Die Ausbildung der Wellenflanken selbst ist ohne Belang und kann demzufolge in vielfältiger Weise vorliegen. Vorteilhaft ist es, wenn die Wellenflanken in Längsrichtung des Inneneinsatzes ebenfalls gewellt ausgebildet sind. Dabei können die Wellenflanken zueinander parallel verlaufen oder mit einer Neigung ausgebildet sein.
Die Wärmeübertragerrohre sind in einem Ausführungsbeispiel vorzugsweise durch jeweils zwei und besonders bevorzugt durch zwei identische Flachrohrhälften gebildet, die an ihren Randflanschen verbunden sind. Dieses Konzept ist besonders kostengünstig und zeichnet sich durch hohe Prozesssicherheit, insbesondere beim Löten aus.
Die Wärmeübertragerrohre weisen in diesem Ausführungsbeispiel Ausprägungen auf, die für einen Abstand zwischen den Wärmeübertragerrohren sorgen, wobei der Abstand jeweils einen Strömungskanal für das andere Medium bildet.
Die Ausprägungen schließen die Strömungskanäle für das andere Medium nach außen ab. Dadurch wird ein weitgehend gehäuseloses Bauprinzip realisiert, das sich durch sparsamen Materialeinsatz bei höchster Effizienz des Wärmeaustausches auszeichnet.
Die Wand des Sammelkastens besitzt Verformungen, die einerseits ein Beitrag zur Stabilität sind und andererseits eine gewisse Elastizität bei Temperaturwechselbelastungen gestatten.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager ist der von der Wand des Sammelkastens umschlossene Längenabschnitt der Wärmeübertragerrohre von zwei Verbindungsebenen der Wand mit dem Ende des Stapels der Wärmeübertragerrohre begrenzt, wobei zwischen den Verbindungsebenen der Einlass und / oder der Auslass für das andere Medium angeordnet sind / ist
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist in der ersten Verbindungsebene ein Rohrboden mit Stegen zur Aufnahme der Enden des Stapels der Wärmeübertragerrohre vorgesehen, der mit der Wand des Sammelkastens verbunden ist.
Ein zweites Ausführungsbeispiel weist anstelle des Rohrbodens in der ersten Verbindungsebene ein die Umfangskontur des Stapels der Wärmeübertragerrohre darstellendes Zwischenstück auf, das mit der Wand verbunden ist.
Die zweite Verbindungsebene ist unmittelbar durch die Wand des Sammelkastens gebildet, wobei in der Wand die Umfangskontur des Stapels der Wärmeübertragerrohre ausgebildet ist. Dadurch kann die Wand in kostengünstiger Weise als ein Stanz - und Tiefziehteil hergestellt werden. In der Umfangskontur sind Schlitze vorhanden. In jedem Schlitz befindet sich ein Randflansch eines Wärmeübertragerrohres. Ferner sind Vorsprünge in der Umfangskontur ausgebildet. Jeder Vorsprung verschließt eine Furche, die jeweils am Rand zwischen zwei angrenzenden Wärmeübertragerrohren ausgebildet ist. Mit diesen Maßnahmen wird ein Beitrag zur Erzielung qualitätsgerechter Lötergebnisse geleistet.
Bei dem erwähnten zweiten Ausführungsbeispiel sind die Breitseiten der Wärmeübertragerrohre im Bereich der zweiten Verbindungsebene mit weiteren Ausformungen versehen, wobei benachbarte Wärmeübertragerrohre mit den weiteren Ausformungen aneinander anliegen und wobei die Höhe der weiteren Ausformungen mit der Höhe der Ausprägungen übereinstimmt, um die Strömungskanäle zwischen den Wärmeübertragerrohren zur Verfügung zu stellen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn Scharen von Ausformungen im Bereich des Eintritts und/oder Austritts der zwischen den Wärmeübertragerrohren vorhandenen Strömungskanäle angeordnet sind und das Medium lenken, um beispielsweise den Rohrboden zu kühlen. Damit kann ein weiterer zusätzlicher Beitrag zur Lösung der Aufgabenstellung geleistet werden. Da die Ausformungen verlötet sind, stellen sie natürlich auch einen Beitrag zur Festigkeit dar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Beschreibung enthält weitere Merkmale und
Wirkungen, die sich möglicherweise erst später als besonders bedeutsam herausstellen.
Die Figuren zeigen Folgendes:

Fig. 1 Gesamtansicht auf einen Wärmeübertrager eines Ausführungsbeispiels;
Fig. 2 Perspektivische Ansicht eines Sammelkastenteils des Ausführungsbeispiels;
Fig. 3 Teil eines Wärmeübertragerrohres;
Fig. 4 Teil eines anderen Wärmeübertragerrohres;
Fig. 5 Zwischenboden
Fig. 6 ein Ende eines Wärmeübertragers mit dem Zwischenboden
Fig. 7 ähnlich Fig. 6, jedoch die Inneneinsätze der Wärmeübertragerrohre teilweise zeigend;
Fig. 8 - 14 verschiedene Inneneinsätze für Wärmeübertragerrohre;
Fig. 15 Ausschnitt aus Fig. 16
Fig.16 Teilansicht eines luftgekühlten Ladeluftkühlers mit Inneneinsätze aufweisende Wärmeübertagerrohre;

Es handelt sich in den Ausführungsbeispielen aus den Fig. 1 - 7 um einen Abgaswärmeübertrager, der in nicht gezeigter Weise in das Abgasrückführungssystem eines Kraftfahrzeuges eingebunden ist und der die Kühlflüssigkeit des Kraftfahrzeugmotors als Kühlmedium benutzt. Mit den gleichen Vorteilen ist der Wärmeübertrager beispielsweise als mittels Kühlflüssigkeit gekühlter Ladeluftkühler zu verwenden oder für andere Zwecke insbesondere dort mit Vorteilen einzusetzen, wo hohe Temperaturwechselbelastungen auftreten.
Die vorliegende Erfindung soll durchaus auch so verstanden werden, dass der Wärmeübertrager u - förmig durchströmt werden kann, wobei sich der Einlass 20 und der Auslass 21 an ein und demselben Sammelkasten 1a befinden. Auch aus diesem Grund ist im Oberbegriff des Anspruchs 1 von "einem Einlasssammelkasten 1 bzw. einem Auslasssammelkasten" die Rede. In den die Ausführungsbeispiele zeigenden Figuren ist hingegen vorgesehen, an beiden Enden 4 des Stapels der Wärmeübertragerrohre 2 je einen Sammelkasten 1 anzuordnen. Demzufolge strömt bei dem Wärmeübertrager, der in der Fig. 1 gezeigt ist, das Abgas beispielsweise am linken Sammelkasten 1b ein, verteilt sich auf die Wärmeübertragerrohre 2, durchströmt dieselben und verlässt den Wärmeübertrager über den anderen (rechten) Sammelkasten 1b. Die Kühlflüssigkeit tritt in den Eintritt 20 am rechten Sammelkasten 1a ein, verteilt sich auf die Strömungskanäle 51, die zwischen den Wärmeübertragerrohren 2 angeordnet sind (Fig. 6 oder 7) und verlässt den Wärmeübertrager über den im linken Sammelkasten 1a vorgesehenen Austritt 21. Der Eintritt 20 und der Austritt 21 haben in diesem Ausführungsbeispiel einen etwa rechteckigen Querschnitt. In vorteilhafter Weise wurde an den Sammelkästen 1a jeweils eine mittels Umformverfahren aus Blech gefertigte Halterung 80 vorgesehen, die sich um drei Seiten der Sammelkästen 1a erstreckt und damit fest verlötet ist. Die Halterung 80 weist den Eintritt 20 bzw. den Austritt 21 und eine geeignete Dichtungsnut 81 auf, so dass der Wärmeübertrager unmittelbar an eine nicht gezeigte Anschlussebene eines Aggregats angeflanscht, somit befestigt und gleichzeitig mit Kühlflüssigkeit "versorgt" werden kann. Der Stapel aus Wärmeübertragerrohren 2 wird von einer oberen und einer unteren Verstärkungsplatte 75 (Fig. 7) abgedeckt, weil die Blechdicke der Wärmeübertragerrohre 2 relativ klein ist. Es soll damit sowohl ein Schutz vor mechanischer Einwirkung auf die Rohre 2 als auch eine höhere Stabilität des gesamten Wärmeübertragers erreicht werden.
Die Fig. 2 zeigt den Sammelkasten 1a in einer ersten Ausführung in perspektivischer Ansicht, wie er im Ausführungsbeispiel aus der Fig. 1 zweifach vorhanden ist, abgesehen von der Querschnittsform des Einlasses 20 bzw. Auslasses 21, die in der Fig. 1 etwa rechteckig und in der Fig. 2 rund ist. Die Fig. 3 zeigt eines der dort vorhandenen sieben Wärmeübertragerrohre 2. Die Wand 3 des Sammelkastens 1a weist Verformungen 17 auf, die übrigens auch in der Wand 3 des Sammelkastens 1b vorgesehen werden können. (Fig.1) Ferner gibt es zwei Verbindungsebenen 30 und 40 zwischen der Wand 3 und dem Stapel der Wärmeübertragerrohre 2. In der einen Verbindungsebene 40 ist eine unmittelbare Verbindung der Wand 3 mit dem Stapel vorgesehen. Die Wand 3 besitzt eine Öffnung 100, die die Umfangskontur des Stapels repräsentiert. Dazu gehören Schlitze 70 und Vorsprünge 71. Jeder Schlitz 70 ist zur Aufnahme eines Randflansches 52 gedacht, der in Fig. 3 gezeigt ist. Außerdem gehört zu der Öffnung 100 eine obere und eine untere Abstufung 74, um die Verstärkungsplatten 75 ebenfalls darin aufnehmen zu können. In der anderen Verbindungsebene 30 hingegen ist eine mittelbare Verbindung zur Wand 3 vorhanden, da in diesem Ausführungsbeispiel ein zwischengeschalteter Rohrboden 22 vorgesehen wurde. Zu diesem Zweck wurde der Rand der Wand 3 bei 9 abgestuft, damit der Rohrboden 22 einen Sitz mit einem Anschlag in der Wand 3 hat. Die bereits erwähnten Schlitze 70 finden sich auch in der Kontur des Rohrbodens 22 wieder, und sie dienen dort dem gleichen Zweck.
Aus der Fig. 2 ist eine bemerkenswerte Ausbildung am Rand der Öffnung 100 in der Wand 3 zu erkennen, die auch am Rand der Durchbrüche des Rohrbodens 22 vorhanden ist. Diese besteht darin, dass der Rand der Öffnung 100 und der Rand der Durchbrüche mit einem lediglich geringem Durchzug 101 ausgebildet sind, der aber dazu beiträgt, dass selbst bei relativ geringer Wanddicke der Wand 3 eine einwandfreie Lötverbindung mit den Rohren 2 erreicht wird. Der Durchzug 101 zeigt zur Mitte des Wärmeübertragers hin. Der Durchzug 101 wird durch entsprechende Ausbildung des Stanzwerkzeugs für die Herstellung der Öffnung 100 realisiert, und er ist somit ohne Mehraufwand machbar. Diese Ausbildung der Öffnung 100 ist in allen Ausführungsbeispielen des Abgaswärmeübertagers vorhanden, auch wenn die anderen Abbildungen das nicht detailliert zeigen.
Wie die Fig. 3 außerdem zeigt, liegt zwischen den zwei Verbindungsebenen 30 und 40 ein Längenabschnitt 5 der Wärmeübertragerrohre 2. Die Wärmeübertragerrohre 2 werden in Stapelrichtung 8 (Fig.6) zu einem Stapel von Wärmeübertragerrohren 2 zusammengesetzt. Die Verstärkungsplatten 75 (Fig. 7) werden hinzugefügt. Wie es weiter unten beschrieben ist, wird jeweils ein Inneneinsatz 15 in ein aus zwei identischen Flachrohrhälften 2a, 2b bestehendes Wärmeübertragerrohr 2 eingelegt. Die Flachrohrhälften 2a, 2b werden mittels umgebogener Laschen 53 am Randflansch 52 zusammengehalten. Der Stapel wird über den Längenbereich 5 der Wärmeübertragerrohre mit den Sammelkästen 1a zusammengesetzt, wobei jeder Randflansch 52 eines jeden Wärmeübertragerrohres 2 in der Verbindungsebene 40 in einem dort vorhandenen Schlitz 70 zu liegen kommt und in der anderen Verbindungsebene 30 in einem dort vorhandenen Schlitz 70 des Rohrbodens 22 sitzt. (siehe oben)
Die Fig. 6 und 7 zeigen die Situation an einem Ende 4 der Wärmeübertragerrohre 2 bzw. des Wärmeübertragers. Wie diese Figuren erkennen lassen, ist zwischen den Wärmeübertragerrohren 2 jeweils ein Strömungskanal 51 ausgebildet, durch den die Kühlflüssigkeit strömen kann. Zur Beschreibung der Ausbildung der Strömungskanäle 51 soll nochmals auf die Fig. 3 und 4 zurückgekommen werden. Dort ist zu sehen, dass die identischen Flachrohrhälften 2a, 2b mit Ausformungen versehen sind. Von besonderer Bedeutung sind die beiden sich an den Längsrändern der identischen Flachrohrhälften 2a, 2b erstreckenden Ausformungen 50, die zwischen zwei zusammengefügten Wärmeübertragerrohren 2 einen Strömungskanal 51 abschließen. Auf den Breitseiten 55 der Wärmeübertragerrohre 2 befinden sich weitere Erhebungen 54. In der Nähe der Verbindungsebene 30 ist eine Reihe mit Vorsprüngen 56 vorgesehen worden, die der Vergleichmäßigung der Strömung der Kühlflüssigkeit dient, die dort in der Nähe ein - bzw. austritt. (siehe Pfeile, Fig. 4)
Wie die Fig. 7 weiter deutlich zeigt, befinden sich in allen Wärmeübertragerrohren 2 gewellte Inneneinsätze 15. Bei den lnneneinsätzen 15 des gezeigten Ausführungsbeispiels handelt es sich um solche, deren Wellenflanken 90 in Längsrichtung und in Querrichtung gewellt sind. Das ist in Fig. 7 durch den dort gezeigten teilweisen Längsschnitt, im Bild rechts, erkennbar. Weiterhin ist aus dieser Darstellung sehr gut zu sehen, dass die Wellenflanken 90 Ausschnitte 10 und
Zwischenstege 11 aufweisen. In diesem gezeichneten Ausführungsbeispiel sind 7 Reihen 95 runder Ausschnitte 10 zu erkennen, die durch jeweils einen Zwischensteg 11 voneinander getrennt sind. Damit werden die aufgrund von Temperaturwechseln auftretenden Längenänderungen in Stapelrichtung 8 der Wärmeübertragerrohre 2 zugelassen, bzw. kompensiert. Insbesondere die Deutlichkeit der Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturwechselbelastungen war überraschend.
Da die Belastungen durch Temperaturwechsel bei einem Abgaswärmeübertrager wegen der Höhe der Temperaturunterschiede und der Häufigkeit der Temperaturwechsel bis in Grenzbereiche gehen, die mit den üblichen Werkstoffen (Edelstahl, Aluminium) und Verbindungstechniken - jedenfalls unter Berücksichtigung kostengünstiger Fertigungsverfahren der Massenproduktion - gerade noch realisierbar sind, haben sich die Erfinder mit zusätzlichen weiterbildenden Maßnahmen beschäftigt, und sie konnten deren Vorteilhaftigkeit im Versuch nachweisen. Zur Beschreibung einer solchen Maßnahme wird erneut auf die Fig. 4 Bezug genommen. Es soll auf einen Unterschied eingegangen werden, der darin besteht, dass die Vorsprünge 56 an den Flachrohrhälften 2a, 2b verändert wurden. Im Bereich der Verbindungsebene 30 wurden Scharen von Vorsprüngen 56 konzentriert, die die eintretende Kühlflüssigkeit so lenken, dass ein wesentlicher Teil davon zunächst auf die Verbindungsebene 40 gelenkt wird, bevor diese in den Strömungskanälen 51 weiter strömen kann. Damit soll ein besserer Temperaturausgleich erreicht werden und somit soll ebenfalls dem Ziel gedient werden, die Temperaturwechselbelastungsfähigkeit zu verbessern.
Es ist in einer alternativen Gestaltung daran gedacht worden, den Rohrboden 22 durch einen Zwischenboden 26 zu ersetzen, der in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist. In der Fig. 4 wird dargestellt, dass dazu die Flachrohrhälften 2a, 2b modifiziert werden müssen. Kurz gesagt, wurden deswegen quer über die Breitseiten 55 der Enden 4 der Flachrohrhälften 2a, 2b reichende weitere Ausformungen 57 angebracht, deren Höhe mit der Höhe der entlang der Längsseiten laufenden Ausprägungen 50 übereinstimmt. Die weiteren Ausformungen 57 benachbarter Wärmeübertragerrohre 2 liegen aneinander an und schließen jeweils einen Strömungskanal 51 ab. Deshalb kann auf einen traditionellen Rohrboden 22 mit Stegen 25 verzichtet werden. Wie die genannten Figuren zeigen, ist der Zwischenboden 26 - in ähnlicher Weise wie die Wand 3 in der anderen Verbindungsebene - mit Schlitzen 70 und Vorsprüngen 71 ausgestattet, um der Umfangskontur des Stapels der Wärmeübertragerrohe 2 zu entsprechen. Die Verbindung des Zwischenbodens 26 mit der Wand 3 erfolgt über eine Abstufung 9 der Wand 3, die einen Anschlag und einen Sitz für den Zwischenboden 26 bietet, ähnlich wie bei dem Rohrboden 22, der im Zusammenhang mit der Fig. 2 beschrieben wurde. Die Umfangskontur im Zwischenboden 26 weist auch Absätze 74 zur Aufnahme der Verstärkungsplatten 75 auf. (Fig. 7) Durch das Vorsehen eines Zwischenbodens 26 wird eine zusätzliche Gewichts - und Kostenreduzierung erreicht. In der Fig. 6 wurde mit dem Bezugszeichen 72 angedeutet, was unter den Furchen 72 zu verstehen ist, in die jeweils einer der Vorsprünge 71 hinein ragt.
Die Figur 8 zeigt das Ende eines flachen Wärmeübertragerrohres 2 mit einem weiter modifizierten Inneneinsatz 15. Dort besitzen die zwischen den Breitseiten 55 des Wärmeübertragerrohres 2 verlaufenden Wellenflanken 90 eine gebogene Kontur, wodurch sie ebenfalls in Richtung zwischen den Breitseiten 55 nachgiebig sind. Solche aus einem Blechband geformten und geschweißten Wärmeübertragerrohre 2 können im gesamten Wärmeübertrager vorgesehen werden. Aus dieser Darstellung ist besonders deutlich zu erkennen, dass sich die Reihen 95 von Ausschnitten 10 und Zwischenstegen 11 über die gesamte Breite des Inneneinsatzes 15 bzw. des Wärmeübertragerrohres 2 erstrecken, was die bevorzugte Ausbildung ist. Jedoch soll im Sinne des vorliegenden Vorschlags auch dann noch von Reihen 95 gesprochen werden, wenn sich die Ausschnitte 10 und Zwischenstege 11 nicht in sämtlichen Wellenflanken 90 befinden. Gleiches gilt für die Ausbildung der Reihen 95 selbst. Gezeigt sind ausschließlich gerade verlaufende Reihen 95. Beispielsweise zick-zackförmig verlaufende Reihen 95 sind in gleicher Weise zweckdienlich.
Die Fig. 9 - 14 zeigen eine andere Weiterbildung der Art, dass in den Flanken 90 der gewellten Inneneinsätze 15 eine linienartige Wandverdünnung 16 eingearbeitet wurde, die als Sollbruchstelle dient. Die Sollbruchstelle 16 geht durch sämtliche Zwischenstege 11 hindurch. Sie ist als Linie in den genannten Figuren eingezeichnet, die ansonsten verschiedene Inneneinsätze 15 in Teilansichten zeigen. Diese Figuren machen deutlich, dass Form und Größe der Ausschnitte 10 und der Zwischenstege 11, keinen besonderen Festlegungen unterliegen und demnach je nach Anwendungsfall ausgebildet werden können, um hinsichtlich der Temperaturwechselbelastungsfähigkeit die gewünschten Vorteile zu erzielen. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, kann die Querschnittsform der Ausschnitte 10 und die Größe der einzelnen Querschnitte vom Ende des Inneneinsatzes 15 in Richtung auf die Mitte verändert werden. In der Fig. 10 sind auch besonders weit vorstehende Kragarme 12 vorhanden, die sich als sehr vorteilhaft bei der Durchführung des Lötprozesses herausgestellt haben, der bekanntlich in einem fein abgestimmten Temperaturbereich erfolgt, in dem sich die Werkstoffe bereits in einem "teigigen" Zustand befinden. Die Kragarme 12 verhindern das in diesem Zustand durch die Schwerkraft bewirkte "Einfallen" im Bereich der Verbindungen.
Die Fig. 15 und 16 zeigen die Anwendung flacher Wärmeübertragerrohre 2 im Zusammenhang mit einem luftgekühlten Ladeluftkühler. Der Ladeluftkühler hat einen Sammelkasten 1 mit einer Wand 3. Die Enden 4 der Wärmeübertragerrohre 2 stecken in Öffnungen eines Rohrbodens 22, und sie sind dort beispielsweise eingelötet worden. Der Rohrboden 22 stellt eine Verbindungsebene 30 dar. Die Art der in diesem Beispiel vorgesehenen mittelbaren Verbindung zwischen der Wand 3 und dem Wärmeübertragerrohr 2 - über einen zwischengeschalteten Rohrboden 22 - ist ohne Belang. Die manchmal extrem heiße Ladeluft strömt durch die Wärmeübertragerrohre 2 und zwischen den Rohren 2 befinden sich Wellrippen 99, durch die Kühlluft hindurch strömt. Die Stege 25 zwischen den Öffnungen im Rohrboden 22 sind im Querschnitt mit einer Kontur versehen, wie es aus der Fig. 6 zu sehen ist, um das flexible Verhalten unter Temperaturwechselbelastungen zu unterstützen. In den Rohren 2 befindet sich ein Inneneinsatz 15. In der Fig. 16 wurden zwei Rohre 2 aufgeschnitten, um denselben zu zeigen. Der Inneneinsatz 15 weist Reihen 95 von Ausschnitte 10 und Zwischenstege 11 auf, die in Längsrichtung des Inneneinsatzes 15 wenigstens ein Stück weit in denselben hineingehen. Zwei oder drei solche Reihen 95 können in diesem Ausführungsbeispiel schon ausreichen, um die beabsichtigten Wirkungen zu erzielen. Die Wärmeübertragerrohre 2 dieses Ausführungsbeispiels sind als geschweißte Flachrohre ausgeführt und haben als weiteren Unterschied zum Anwendungsfall als Abgaswärmeübertrager keine Erhebungen an ihren Breitseiten 55. In diesem Anwendungsfall kann der nicht mit Ausschnitten 10 und Zwischenstegen 11 versehene wesentlich größere Abschnitt des Inneneinsatzes 15 mit Schnitten oder dergleichen, nicht gezeigten, die Turbulenz erhöhenden, Ausbildungen versehen sein. Die Inneneinsätze 15 können aber auch, wie es im Anwendungsfall als Abgaswärmetauscher bevorzugt der Fall ist, vollständig geschlossene Wellenflanken 90 in dem erwähnten wesentlich größeren Abschnitt besitzen.
Die Anwendung der beschriebenen Merkmale führt dazu, dass Brüche in der Verbindung Wärmeübertragerrohr / Rohrboden wesentlich seltener vorkommen.
Die aus Metall bestehenden Einzelteile der Wärmeübertrager werden bedarfsgerecht nach bekannten Verfahren vorbereitet, so dass sie im Lötofen metallisch verbunden werden können.

Claims

Wärmeübertrager mit einem Einlasssammelkasten (1), um das eine Medium in flache Wärmeübertragerrohre (2) zu verteilen, bzw. mit einem Auslasssammelkasten, um das eine Medium aus den flachen Wärmeübertragerrohren (2) aufzunehmen und weiterzuleiten, wobei der Sammelkasten (1) eine Wand (3) aufweist, die sich um den Umfang des Endes (4) eines Stapels der Wärmeübertragerrohre (2) und über einen gewissen Längenabschnitt (5) derselben erstreckt, wobei die Wand (3) wenigstens einen Einlass (20) und / oder einen Auslass (21) für das andere Medium, welches zwischen den Wärmeübertragerrohren (2) strömt, besitzt, und wobei in den flachen Wärmeübertragerrohren (2) ein Inneneinsatz (15) angeordnet ist, der mit den beiden Breitseiten (55) des Wärmeübertragerrohres (2) metallisch verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Inneneinsatz (15) mit wenigstens einer Reihe (95) von Ausschnitten (10) und einem Zwischensteg (11) ausgebildet ist, um Temperaturwechselbelastungen zu kompensieren.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Inneneinsatz (15) vorzugsweise ein in Längs - und Querrichtung gewelltes Blech ist und mehrere durch jeweils einen Zwischensteg (11) getrennte Reihen (95) von Ausschnitten (10) in den Wellenflanken (90) angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reihen (95) von Ausschnitten (10) und mehrere Zwischenstege (11) in Längsrichtung des Inneneinsatzes (15) angeordnet sind, wobei die Länge des mit Ausschnitten (10) versehenen Abschnitts des Inneneinsatzes (15) nicht mehr als 1/3 der Gesamtlänge eines Inneneinsatzes (15) betragen soll und wobei die restliche Länge des Inneneinsatzes (15) im wesentlichen ohne Ausschnitte (10) ausgebildet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und Form der Ausschnitte (10) sowie der Zwischenstege (11) variabel ist.
Wärmeübertager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausschnitt (10) am Ende der Inneneinsätze (15) ein offener Ausschnitt (10) ist.
Wärmeübertager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausschnitt (10) Kragarme (12) aufweist, die durch die Berge und Täler des wellenförmigen Inneneinsatzes (15) gebildet sind, wobei die Kragarme (12) an der Innenwand des Wärmeübertragerrohres verlötet sind und während des Lötens, die Stabilität der Verbindungsstruktur unterstützen können.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zwischenstegen (11) wenigstens eine Sollbruchstelle (13) eingearbeitet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragerrohre (2) vorzugsweise durch jeweils zwei und besonders bevorzugt durch zwei identische Flachrohrhälften (2a, 2b) gebildet sind, die an ihren Randflanschen (52) verbunden sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragerrohre (2) nach außen weisende Ausprägungen (50) aufweisen, die in dem Stapel aus Wärmeübertragerrohren (2) für einen Abstand zwischen den Wärmeübertragerrohren (2) sorgen, wobei in jedem Abstand jeweils ein Strömungskanal (51) für das andere Medium gebildet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (3) des Sammelkastens (1) Verformungen (17) aufweist, die einerseits ein Beitrag zur Stabilität sind und andererseits eine gewisse Elastizität bei Temperaturwechselbelastungen gestatten.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Wand (3) umschlossene Längenabschnitt (5) der Wärmeübertragerrohre (2) von zwei Verbindungsebenen (30, 40) mit dem Ende (4) des Stapels der Wärmeübertragerrohre (2) begrenzt ist, wobei zwischen den Verbindungsebenen (30, 40) in der Wand (3) der Einlass (20) und / oder der Auslass (21) für das andere Medium angeordnet sind / ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Verbindungsebene (30) ein Rohrboden (22) mit Stegen (25) zur Aufnahme der Enden des Stapels der Wärmeübertragerrohre (2) vorgesehen, der mit der Wand (3) des Sammelkastens (1) verbunden ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Verbindungsebene (30) ein die Umfangskontur des Stapels der Wärmeübertragerrohre (2) aufweisender Zwischenboden (26) angeordnet ist, der mit der Wand (3) verbunden ist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verbindungsebene (40) unmittelbar durch die Wand (3) des Sammelkastens (1) ausgebildet ist, wobei in der Wand (3) die Umfangskontur des Stapels der Wärmeübertragerrohre (2) ausgeschnitten ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangskontur Schlitze (70) zur Aufnahme der Randflansche (52) der Wärmeübertragerrohre (2) und Vorsprünge (71) zum Verschluss der zwischen zwei Wärmeübertragerrohren (2) ausgebildeten Furchen (72) aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breitseiten (55) der Wärmeübertragerrohre (2) im Bereich der ersten Verbindungsebene (30) mit weiteren Ausformungen (56, 57) versehen sind, wobei benachbarte Wärmeübertragerrohre (2) mit den weiteren Ausformungen (57 oder 56) aneinander anliegen und wobei die Höhe der weiteren Ausformungen (57) und die Höhe der Ausprägung (50) übereinstimmen, um die Strömungskanäle (51) zwischen den Wärmeübertragerrohren (2) zur Verfügung zu stellen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Ausprägungen (57) im Bereich des Eintritts bzw. Austritt der Strömungskanäle (51) angeordnet sind und die Strömung aufteilen, so dass ein Teil der Strömung bspw. auf den Rohrboden (22) gerichtet ist, um diesen zu kühlen.
Wärmeübertrager nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausprägungen (56) in Scharen konzentriert angeordnet sind und zweckmäßige Formen aufweisen.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkasten (1) vorzugsweise mehrteilig ausgebildet ist, wobei er einen Einlass - oder Auslasssammelkasten (1b) für das eine Medium aufweist, der bevorzugt nach Art eines Diffusors ausgebildet ist und einen Einlass - oder Auslasssammelkasten (1a) für das andere Medium besitzt, der sich über einen gewissen Längenabschnitt (5) des Endes (4) des Stapels der Wärmeübertragerrohre (2) erstreckt.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager als mittels Flüssigkeit gekühlter Abgaswärmeübertrager in Abgasrückführungsanlagen von Kraftfahrzeugen oder als Ladeluftkühler verwendet wird.
Flaches Wärmeübertragerrohr (2) mit einem Inneneinsatz (15), der mit den Breitseiten (55) des Wärmeübertragerrohres (2) metallisch verbunden ist, wobei das Wärmeübertragerrohr (2) Teil eines Wärmeübertragers ist, der wenigstens einen Sammelkasten (1) mit einer Wand (3) aufweist, die mittelbar oder unmittelbar mit dem Wärmeübertragerrohr (2) verbunden ist, wobei der Inneneinsatz (15), durch Temperaturwechsel verursachte Längenänderungen in Richtung etwa quer zu den Breitseiten (55) des Wärmeübertragerrohrs (2) kompensiert,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Inneneinsatz (15) mit wenigstens einer Reihe (95) von Ausschnitten (10) und einem Zwischensteg (11) ausgebildet ist, um Temperaturwechselbelastungen zu kompensieren.
Flaches Wärmeübertragerrohr nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein gewellter Inneneinsatz (15) vorgesehen ist, dessen Wellenflanken (90) sich zwischen den Breitseiten (55) erstrecken, wobei die Ausschnitte (10) und der Zwischensteg (11) zumindest überwiegend in den Wellenflanken (90) ausgebildet sind.
Flaches Wärmeübertragerrohr nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, das die Länge des mit Ausschnitten (10) und Zwischenstegen (11) versehenen Bereiches nicht länger als 1/3 der Gesamtlänge eines Inneneinsatzes (15) sein soll.