DE3910357A1 - Leitblech fuer einen waermetauscher und daraus hergestelltes waermetauschernetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitblech gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Wärmeaustauschernetz gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 4.

Leitbleche mit ovalen Querschnitten sind bei Wärmeaustau­ schern, insbesondere solchen für Kraftfahrzeuge, allgemein bekannt (EP 01 76 729). Sie weisen durchweg Kragen auf, de­ ren Höhen über den gesamten Umfang der Durchzüge konstant sind bzw. allenfalls innerhalb üblicher Toleranzen schwan­ ken. Das Optimum der jeweiligen Kragenhöhe kann insbeson­ dere durch Versuche ermittelt werden, da sich ab einer be­ stimmten Kragenhöhe keine wesentliche Leistungssteigerung mehr erzielen läßt, während kleinere als dem Optimum ent­ sprechende Höhen zu einer deutlichen Leistungsabnahme füh­ ren. Die Herstellung der Kragen erfolgt dadurch, daß in einem ersten Stanzschritt mittels eines Schnittstempels und einer eine Schneidkante aufweisenden Matrize Löcher aus dem Leitblech ausgestanzt und anschließend in einem zweiten Tiefziehschritt mittels eines Ziehstempels und ei­ ner weiteren Matrize die Kragen ausgeformt werden.

Wärmetauscher mit derartigen Leitblechen stellen eine Sonderform von Röhrenkühlern dar. Sie unterscheiden sich von üblichen Röhrenkühlern allerdings dadurch, daß die Wär­ meaustauscherrohre allein durch Aufweitung ihres Quer­ schnitts mit den Leitblechen verbunden und daher nicht zu­ sätzlich mit diesen verlötet, verschweißt oder verklebt sind. Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades ist dabei erforderlich, daß die Rohrwandungen jeweils am gesamten Umfang satt an den Kragen anliegen.

Bei Anwendung von Rohren mit ovalen Querschnitten, bei de­ nen das Verhältnis des größten zum kleinsten Durchmesser re­ lativ klein ist und z. B. 2 : 1 beträgt, ergeben sich keiner­ lei Probleme. Bei extrem flachovalen Rohren, bei denen das Durchmesserverhältnis größer ist und z. B. 3 : 1 bis 8 : 1 be­ trägt, müssen jedoch Kragenhöhen vorgesehen werden, die auf Grund der übrigen Kragendimensionen während des Tiefzieh­ schritts zu erheblichen, die Reißfestigkeit der Kragen er­ reichenden und häufig überschreitenden Materialdehnungen von 200% und mehr führen. Eine Folge davon ist, daß die Kra­ gen entweder mit einer geringeren Höhe hergestellt werden müssen, als dem Optimum entspricht, um Risse in den Kragen mit Sicherheit auszuschließen. Dies ginge zu Lasten einer reduzierten Leistung, was unerwünscht ist. Oder es müßte versucht werden, das Einreißen der Kragen durch Verwendung spezieller Materialqualitäten zu vermeiden. Dies würde je­ doch einerseits die Materialkosten vergrößern und anderer­ seits zumindest nicht mit Sicherheit ausschließen, daß die Kragen beim anschließenden Aufweiten der Rohre oder sogar erst beim späteren Gebrauch der Wärmeaustauscher auf Grund mechanischer Erschütterungen, dem hydraulischen Druck des Kühlmittels, Wärmedehnung, Abkühlungskontraktion od. dgl. einreißen. Da Risse in den Kragen nicht nur mit einer Lei­ stungsverminderung der Wärmeaustauscher verbunden sind, son­ dern vor allem auch die für den innigen Kontakt mit den Wär­ meaustauscherrohren erforderlichen "Ringzugkräfte" in den Kra­ gen weitgehend aufheben und den Korrosionsangriff fördern, stel­ len Leitbleche für extrem flachovale Wärmeaustauscherrohre und damit hergestellte Wärmeaustauscher, sofern sie aus Gründen einer hohen Leistung mit der optimalen Kragenhöhe versehen werden sollen, heute noch ein zu großes Sicherheitsrisiko dar, das ihre Serienproduktion behindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Leitbleche und damit ausgerüstete Wärmeaustauscher der eingangs bezeich­ neten Gattung so auszubilden, daß das Einreißen der Kragen weitgehend ausgeschaltet wird, ohne daß dadurch eine we­ sentliche Leistungsverminderung in Kauf genommen werden muß.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merk­ male der Ansprüche 1 und 4.

Die Erfindung bringt den überraschenden Vorteil mit sich, daß sie einen brauchbaren Kompromiß zwischen den mechani­ schen und thermischen Wirkungen der Kragen ermöglicht, da die vorgeschlagene Reduzierung der Kragenhöhe in den Berei­ chen der kleinen Radien zwar einerseits die Neigung zur Riß­ bildung nahezu vollkommen ausschließt, andererseits aber nur eine geringfügige Leistungsverminderung bewirkt.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die perspektivische Darstellung eines Wärmeaustauschers mit flachovalen Rohren;

Fig. 2 die Draufsicht eines Abschnitts eines erfindungsge­ mäßen Leitblechs für den Wärmeaustauscher nach Fig. 1 in star­ ker Vergrößerung;

Fig. 3 und 4 Schnitte längs der Linien III-III und IV-IV der Fig. 2; und

Fig. 5 bis 13 in den Fig. 2 bis 4 entsprechenden Ansichten drei weitere Ausführungsform des Leitblechs.

Der in Fig. 1 dargestellte, einreihige Wärmeaustauscher ist nach Art eines Röhrenkühlers ausgebildet. Er enthält eine An­ zahl von parallel und mit Abstand angeordneten, plattenförmi­ gen Leitblechen 1, die jeweils eine Reihe von ovalen Öffnungen bzw. Durchzügen 2 aufweisen, welche im gestapelten Zustand der Leitbleche 1 koaxial angeordnet sind. Die die Durchzüge 2 be­ grenzender Ränder der Leitbleche 1 sind durch dazu koaxiale, hochgestellte Kragen 3 gebildet (Fig. 2 bis 4). Die Durchzüge 2 und Kragen 3 sind von senkrecht zu den Leitblechen 1 ange­ ordneten Rohren 4 durchragt, die einen dem Querschnitt der Durchzüge 2 und Kragen 3 entsprechenden ovalen Querschnitt besitzen. Die oberen und unteren Enden der Rohre 4 ragen durch entsprechende Durchbrüche 5 je einer Bodenplatte 6 bzw. 7 und sind längs ihres gesamten Umfangs mit Kragen dieser Durch­ brüche 5 flüssigkeits- bzw. gasdicht verbunden. An der unteren Bodenplatte 6 ist ein üblicher Sammelkasten 9 befestigt, der einen Anschluß 10 für die Zu- oder Ableitung des die Rohre 4 durchströmenden Mediums, z. B. Wasser, aufweist. Ein entsprechen­ der, nicht dargestellter Sammelkasten ist mit der oberen Boden­ platte 7 verbunden. Die Leitbleche 1 können im übrigen mit nicht dargestellten Kiemenfeldern od. dgl. zur Verwirbelung des zwei­ ten Mediums, z. B. Luft, versehen sein. Das Paket 11 aus Leitble­ chen 1 und Rohren 4 wird allgemein als Wärmeaustauschernetz be­ zeichnet.

Fig. 2 bis 4 zeigen lediglich einen einen einzigen Durchzug 2 aufweisenden Abschnitt eines Leitblechs 1. Da die übrigen Durch­ züge 2 und Leitbleche 1 entsprechend ausgebildet sind, kann auf deren zusätzliche zeichnerische Darstellung verzichtet werden. Der dargestellte Durchzug 2 besitzt einen längsten Durchmesser von ca. 12,2 mm, einen kleinsten Durchmesser von ca. 3,4 mm und somit ein Durchmesserverhältnis von ca. 3,6. Für ein Leitblech 1 mit derartigen Durchzügen 2 werden Kragenhöhen H (Fig. 4) von 0,6 mm für erforderlich gehalten. Nach herkömmlicher Technik wird mindestens der Kragen 3 dadurch hergestellt, daß zunächst in ei­ nem Vorschnitt eine Öffnung ausgestanzt wird, deren Umrißlinie 12 in Fig. 2 punktiert dargestellt ist. Werden bei dieser Öff­ nung der kleinste Durchmesser mit d 1, der größte Durchmesser mit D 1, der kleinste Radius mit r 1 und der größte Radius mit R 1 und beim fertigen Durchzug 2 die entsprechenden Maße mit d 2, D 2, r 2 und R 2 bezeichnet, dann gilt näherungsweise d 1 = d 2 - 2 h, D 1 = D 2 - 2 H, r 1 = r 2 - h und R 1 = R 2 - H. Beträgt r 2 z. B. 1,1 mm, dann würde sich daraus r 1 = 1,1 mm - 0,6 mm = 0,5 mm ergeben mit der Folge, daß beim Ziehen des Kragens 3 eine Materialdehnung von mehr als 200% vorgenommen werden müßte.

Erfindungsgemäß wird dagegen im Leitblech 1 zunächst eine Öff­ nung ausgestanzt, deren Kontur in Fig. 2 mit einer gestrichel­ ten Linie 14 bezeichnet ist, die gleichzeitig die äußere Kontur des verwendeten Schnittstempels darstellt. Im Gegensatz zur Li­ nie 12, deren Abstand vom gedachten fertigen Kragen 3 ringsum konstant ist, ist der Abstand der Linie 14 vom gedachten ferti­ gen Kragen 3 im Bereich des kleinsten Radius, d. h. an einer Stel­ le 15 am kleinsten und im Bereich des größten Radius, d. h. an einer Stelle 16 am größten. Wird daher beim nachfolgenden Tief­ ziehvorgang ein Ziehstempel mit einer der Innenkontur des Kra­ gens 3 entsprechenden Außenkontur verwendet, dann ergibt sich daraus automatisch, daß die Höhe des Kragens 3 entsprechend Fig. 4 im Bereich des größten Radius und an der Stelle 16 das Maß H erhält, dagegen im Bereich des kleinsten Radius, d. h. an der Stelle 15 ein geringeres Maß h (Fig. 3) aufweisen wird. Zwi­ schen den Stellen 15 und 16 nimmt das Maß h allmählich auf den Wert H zu, wobei in Abhängigkeit vom Einzelfall die Übergangs­ bereiche mehr oder weniger abrupt verlaufen können. Insbesondere ist es natürlich möglich, das Maß h schneller, als Fig. 2 zeigt, auf das Maß H anwachsen zu lassen, damit der Kragen 3 auf einem möglichst großen Abschnitt seines Umfangs die optimale Höhe H aufweisen kann, bei der die Leistung des mit den Leitblechen 1 ausgerüsteten Wärmeaustauschers am größten ist.

Eine derartige Variante ist in Fig. 5 bis 7 dargestellt. Ein im übrigen entsprechend Fig. 1 bis 4 ausgebildetes Leitblech 21 weist einen Durchzug 22 und einen Kragen 23 auf. Mit einer strichpunktierten Linie 24 ist dargestellt, welche Außenkontur der Schnittstempel des Stanzwerkzeugs bzw. die von ihm herge­ stellte Stanzöffnung im Leitblech 21 aufweist. An den Stellen 15, 16 entsprechenden Stellen 25, 26 weist der Kragen 23 wie­ derum eine Höhe mit den Maßen h = 0,3 mm bzw. H = 0,6 mm auf. Im Gegensatz zu Fig. 2 bis 4 steigt die Kragenhöhe allerdings nur längs kurzer Übergangsbereiche 27 bzw. 28 auf die volle Höhe H.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile im Hinblick auf günstigere Dehnungen beim Tiefziehen der Kragen 3 bzw. 23 las­ sen sich anhand der Umfangsänderung der an der Kragenbildung beteiligten Materialabschnitte erklären. Bei der herkömmlichen Technik beträgt der kleinste Radius r 1 nach Durchführung des Vorschnitts (Linie 12, Fig. 2) ca. 0,5 mm und der kleinste Ra­ dius r 2 nach Bildung des Kragens 3 ca. 1,1 mm. Für einen halben Kreisumfang ergibt sich daraus beim Übergang von r 1 auf r 2 eine Umfangsänderung von 1,9 mm entsprechend einer Dehung von ca. 220%. Bei reduzierter Kragenhöhe im Bereich des kleinsten Ra­ dius (r 1 = 0,8 mm, r 2 = 1,1 mm) beträgt die entsprechende Um­ fangsänderung nur ca. 0,9 mm entsprechend einer Dehnung von ca. 138%.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Maß h so gewählt werden kann, wie es aus herstellungstechnischen Grün­ den optimal ist, um Risse in den Kragen 3 zu vermeiden, und das Maß H so gewählt werden kann, wie es im Hinblick auf einen opti­ malen Wärmeaustausch erforderlich ist. Die dazwischenliegenden Übergangsbereiche können dann im Hinblick auf diese beiden er­ wünschten Eigenschaften optimiert werden.

Ein weiterer Vorteil, der aus den unterschiedlichen Maßen h und H resultiert, besteht darin, daß die äußere Kontur des zum Stanzen benötigten Schnittstempels, wie Fig. 2 deutlich macht, im Querschnitt größer als bei Anwendung der herkömmlichen Tech­ nik ist. Dies wirkt sich günstig auf die Lebensdauer und die Reproduzierbarkeit des Schnittstempels aus.

Beim angegebenen Ausführungsbeispiel (d 2 = 3,4 mm, D 2 = 12,2 mm) haben sich ein Wert h von 0,3 mm und ein Wert H von 0,6 mm bei einer Kragenkontur entsprechend Fig. 2 bis 4 als bisher am be­ sten erwiesen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 bis 10 ist ein Leitblech 31 mit einem Durchzug 32 und einem Kragen 33 dargestellt, wobei mit einer strichpunktierten Linie angedeutet ist, welche Außen­ kontur der Schnittstempel bzw. welche Innenkontur die von ihm hergestellte Stanzöffnung nach dem Vorschnitt aufweist. An den den Stellen 15, 16 entsprechenden Stellen 35, 36 weist der Kragen 33 im Gegensatz zu Fig. 2 bis 7 jeweils eine größte Höhe H von z. B. 0,6 mm auf. Die kleinste Höhe h von z. B. 0,3 mm liegt hier jeweils an einer Stelle 37, d. h. zwar ebenfalls im Bereich der kleinen Radien bzw. des kleinsten Radius, aber nicht an den zugehörigen Stirnflächen der Kragen, sondern etwas in Richtung der großen Radien versetzt. Zwischen diesen Stellen 37 mit der kleinsten Hö­ he h und den Stellen 35 bzw. 36 sind wiederum Übergangsbereiche 38 bzw. 39 vorgesehen, längs derer die Höhe allmählich bis auf den Endwert zu- bzw. abnimmt. Die Höhe an den Stellen 35, 36 kann gleich, aber auch unterschiedlich sein. Dabei werden die Stel­ len 37 vorzugsweise dort angeordnet, wo die Kragen 33 bei den im Einzelfall vorliegenden Verhältnissen am stärksten zur Riß­ bildung neigen.

Fig. 11 bis 13 zeigen eine den Fig. 8 bis 10 ähnliche Ausführungs­ form mit einem Leitblech 41, einem Durchzug 42 und einem Kragen 43, wobei die beim Vorschnitt hergestellte Ausstanzung entlang einer Linie 44 verläuft. Im Unterschied zu Fig. 8 bis 10 sind Übergangsbereiche 48, 49 zwischen Stellen 47 mit der kleinsten Höhe h und Stellen 45 und 46 mit größter Höhe H abrupter bzw. steiler ausgebildet, ähnlich wie dies für die Übergangszonen 27, 28 der Ausführungsform nach Fig. 5 bis 7 im Vergleich zu Fig. 2 bis 4 gilt.

Wenn davon ausgegangen wird, daß an der Anströmseite eines Wär­ meaustauschrohrs 4 (Fig. 1) die Wärme direkt an die Luft abge­ führt wird, auf der Rückseite des Rohrs 3 dagegen dieser Effekt nicht eintritt, kann die Kragenhöhe an der Anströmseite entspre­ chend Fig. 2 bis 7 und auf der Rückseite entsprechend Fig. 8 bis 13 ausgebildet werden.

Im übrigen ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiele beschränkt, die in vielfacher Weise abgewandelt werden können. Dies gilt insbesondere für die im Einzelfall zweckmäßigen Maße h und H und die Kontur der Übergangsbereiche zwischen diesen Maßen entsprechend den Linien 14, 24, 34 bzw. 44 in Fig. 2, 5, 8 bzw. 11. Außerdem kann die Erfindung in gleicher Weise auf Leitbleche und Wärmeaustauschernetze angewendet werden, die im Gegensatz zu Fig. 1 mehr als nur eine Reihe von Rohren 4 aufweisen. Dabei ist in allen Fällen auch eine Höhe h = 0 denk­ bar.

Claims (4)

1. Leitblech für einen Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von zur Aufnahme von Wärmeaustauscherrohren bestimmten, aus hochgestellten Kragen mit ovalem Querschnitt bestehenden Durchzügen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kragen (3, 23) im Bereich ihrer kleinen Radien eine kleinere Höhe (h) als im Bereich ihrer größeren Radien aufweisen.

2. Leitblech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kragen (3, 23) eine von den Bereichen mit ihren kleinsten Radien bis zu den Bereichen mit ihren größten Radien all­ mählich zunehmende Höhe (h bis H) aufweisen.

3. Leitbleche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kragen (33, 43) im Bereich ihrer kleinsten Radien eine größere Höhe als in daran angrenzenden Bereichen haben.

4. Wärmeaustauschernetz mit einer Vielzahl von im Abstand angeordneten Leitblechen, die aufeinander ausgerichtete, aus hochgestellten Kragen mit ovalem Querschnitt bestehen­ de Durchzüge aufweisen, und mit einer Vielzahl von in die Durchzüge eingesetzten Wärmeaustauscherrohren, die durch Aufweiten ihres Querschnitts in inniger Berührung mit den Kragen gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (1, 21) entsprechend Anspruch 1 oder Anspruch 2 ausgebildet sind.