DE69625162T2

DE69625162T2 - Heat exchanger, in particular a radiator for a motor vehicle, with a stiffening element

Info

Publication number: DE69625162T2
Application number: DE69625162T
Authority: DE
Inventors: Mario Corsi
Original assignee: Denso Thermal Systems SpA
Current assignee: Denso Thermal Systems SpA
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1996-10-29
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2016-10-30
Also published as: IT1281005B1; ES2185734T3; EP0777097A1; ITTO950877A0; EP0777097B1; DE69625162D1; ITTO950877A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Radiator für das Kühlsystem eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiger Wärmetauscher ist aus dem Dokument FR-A-2 560 368 bekannt.The present invention relates to a heat exchanger, in particular a radiator for the cooling system of a vehicle according to the preamble of claim 1. Such a heat exchanger is known from the document FR-A-2 560 368.

Herkömmliche Wärmetauscher des oben genannten Typs weisen i. a. mehrere Reihen von Rohren mit kreisrundem Querschnitt auf. Die Rohre sind mittels maschineller Aufweitung ohne Schweißen an dem Rippenstapel befestigt. Die Enden der Rohre sind an einem Paar Basisplatten befestigt, die Teil entsprechender Rohrleitungsanordnungen sind, die an den Enden des Rippenstapels gelegen sind. Bei diesem Radiatortyp gibt es gewöhnlich keine Probleme bezüglich der mechanischen Festigkeit an der Verbindung zwischen der Rohrleitungsanordnung und der Wärmeaustauschmatrix einschließlich der Rohre und des Rippenstapels, weil das Vorhandensein von zwei oder mehr Reihen von Rohren sicherstellt, dass die Anordnung eine ausreichende Verwindungsfestigkeit besitzt.Conventional heat exchangers of the above type generally comprise several rows of tubes with a circular cross-section. The tubes are attached to the fin stack by means of machine expansion without welding. The ends of the tubes are attached to a pair of base plates which are part of respective piping assemblies located at the ends of the fin stack. In this type of radiator there are usually no problems regarding mechanical strength at the connection between the piping assembly and the heat exchange matrix including the tubes and the fin stack, because the presence of two or more rows of tubes ensures that the assembly has sufficient torsional strength.

In jüngster Zeit wurden Wärmetauscher in Baukastenform entwickelt, die Rohre mit länglichem Querprofil haben (flach, oval, eiförmig etc.). Vom Wärmeaustausch her gesehen weisen diese Wärmetauscher i. a. eine bessere Leistung auf als Wärmetauscher mit Kreisschnittrohren. So wurde herausgefunden, dass Wärmetauscher mit einer einzigen Reihe von Langprofilrohren dieselbe Leistung bringen können wie Wärmetauscher mit einer größeren Anzahl von Reihen mit Kreisprofilrohren.Recently, modular heat exchangers have been developed that have tubes with an elongated cross-section (flat, oval, egg-shaped, etc.). In terms of heat exchange, these heat exchangers generally perform better than heat exchangers with circular cross-section tubes. It has been found that heat exchangers with a single row of long-section tubes can achieve the same performance as heat exchangers with a larger number of rows of circular cross-section tubes.

Von der mechanischen Festigkeit her gesehen ist ein Wärmetauscher mit einer einzigen Rohrreihe jedoch empfindlicher. Eine ungenügend steife Verbindung zwischen der Wärmeaustauschmatrix und der Rohrleitungsanordnung (bestehend aus Rohrleitung und Basisplatte) könnte eine Bewegung im Dichtungsbereich an den Enden der Rohre infolge Temperaturspannungen und Erschütterungen entstehen lassen, die im Gebrauch auftreten, und diese Verschiebungen führen möglicherweise zu Flüssigkeitsverlust.However, from a mechanical strength point of view, a heat exchanger with a single row of tubes is more sensitive. An insufficiently rigid connection between the heat exchange matrix and the piping assembly (consisting of piping and base plate) could cause movement in the sealing area at the ends of the tubes due to thermal stresses and shocks that occur in use, and these movements could potentially lead to fluid loss.

Die EP-A 0 708 303 offenbart einen Wärmetauscher des anfangs erwähnten Typs, bei dem das Problem im Zusammenhang mit den möglichen Verschiebungen und Leckagen mittels U-förmiger verstärkender Verbindungselemente gelöst wird, die einstückig mit der Basisplatte jeder Rohrleitungsanordnung hergestellt sind. Diese Verbindungselemente sind dazu geeignet, die Verbindung zwischen der Basisplatte und dem Radiatorpaket zu versteifen, haben aber keinen Einfluss auf die Verbindung zwischen der Basisplatte und der Rohrleitungsverkleidung.EP-A 0 708 303 discloses a heat exchanger of the type mentioned at the beginning, in which the problem related to the possible displacements and leaks is solved by means of U-shaped reinforcing connecting elements made in one piece with the base plate of each pipe assembly. These connecting elements are suitable for stiffening the connection between the base plate and the radiator package, but have no influence on the connection between the base plate and the pipe lining.

Eine aridere Annäherung an die Lösung der oben umrissenen Probleme wird in der FR-A-2 560 368 vorgeschlagen, die einen Wärmetauscher offenbart, bei dem U-förmige Versteifungselemente, die das Radiatorpaket umschließen, entweder an die Rohrleitungsverkleidung oder an die Basisplatte (die in diesem letztgenannten Fall ebenfalls aus Kunststoff hergestellt ist) angeformt sind. Die erste Lösung ist nicht leicht anwendbar, wenn die Abmessungen der Basisplatte diejenigen der Rippen des Radiatorstapels übersteigen. Die zweite Lösung besteht darin, die Rohrleitungsverkleidung an die Basisplatte zu schweißen.A more alternative approach to solving the problems outlined above is presented in the FR-A-2 560 368, which discloses a heat exchanger in which U-shaped stiffening elements enclosing the radiator pack are moulded either to the pipe cladding or to the base plate (which in this latter case is also made of plastic). The first solution is not easily applicable when the dimensions of the base plate exceed those of the fins of the radiator stack. The second solution consists in welding the pipe cladding to the base plate.

Noch eine andere Lösung, die in der FR-A-2 472 734 offenbart ist, besteht darin, sämtliche kleineren Seiten des Radiatorstapels mit U-förmigen Profilen zu umgreifen, deren Enden an weitgehend U-förmige Verstärkungselemente geschweißt sind, die geeignet sind, die Endabschnitte der Ränder der Basisplatten zu umgreifen.Yet another solution, disclosed in FR-A-2 472 734, consists in enclosing all the smaller sides of the radiator stack with U-shaped profiles, the ends of which are welded to largely U-shaped reinforcing elements suitable for enclosing the end portions of the edges of the base plates.

Die FR-A-2 336 653 offenbart Lösungen zum Anschließen eines Radiators an die Lagerstruktur eines Kraftfahrzeugs, wobei die oberen und unteren Rohrleitungen mit entsprechenden integrierten Öffnungen zum Durchführen der Verbindungselemente versehen sind.FR-A-2 336 653 discloses solutions for connecting a radiator to the bearing structure of a motor vehicle, wherein the upper and lower pipes are provided with corresponding integrated openings for the passage of the connecting elements.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Wärmetauschers der vorgenannten Typs. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmetauscher gemäß Anspruch 1.The object of the present invention is to provide an improved heat exchanger of the aforementioned type. This object is achieved according to the invention by a heat exchanger according to claim 1.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Verlauf der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen deutlich werden, wobei:Further advantages of the present invention will become apparent in the course of the following detailed description with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;Figure 1 is a schematic perspective view of a heat exchanger according to the present invention;

Fig. 2 eine Perspektivansicht ist, die die in Fig. 1 mit dem Pfeil II angedeutete Einzelheit in größerem Maßstab darstellt;Fig. 2 is a perspective view showing the detail indicated by arrow II in Fig. 1 on a larger scale;

Fig. 2a eine Variante von Fig. 2 darstellt;Fig. 2a shows a variant of Fig. 2;

Fig. 3 ein Verbindungselement in seiner undeformierten Gestalt darstellt; undFig. 3 shows a connecting element in its undeformed shape; and

Fig. 4 und 5 Querschnitte entlang der Linie IV-IV in Fig. 2 sind, die zwei alternative Systeme zur Befestigung des Verbindungselementes an dem Rippenstapel darstellen.Fig. 4 and 5 are cross-sections along the line IV-IV in Fig. 2, illustrating two alternative systems for fastening the connecting element to the rib stack.

Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Wärmetauscher in Baukastenform, der als Radiator im Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs verwendet werden soll. Der Radiator 10 weist eine Vielzahl übereinanderliegender Metallrippen auf, die eine Parallelepipedstruktur bzw. Stapel 12 mit zwei größeren Stirnflächen 14 und zwei kleineren Stirnflächen 16 bilden. An jedem Ende des Rippenstapels 12 ist eine Rohrleitungsanordnung 18 angeordnet, die auf bekannte Art und Weise aus einer Basisplatte 20 und einer Rohrleitungsverkleidung 22 geformt ist. Zwischen den End-Rohrleitungsanordnungen 18 ist eine Vielzahl von Rohren angeordnet (in den Zeichnungen nicht sichtbar). Jedes Rohr erstreckt sich durch eine Reihe von ausgerichteten Löchern in den Rippen und ist durch maschinelle Aufweitung an dem Rippenstapel 12 befestigt.With reference to Fig. 1 and 2, reference numeral 10 designates a modular heat exchanger intended to be used as a radiator in the cooling system of a motor vehicle. The radiator 10 has a plurality of superimposed metal fins which form a parallelepiped structure or stack 12 with two larger end faces 14 and two smaller end faces 16. At each end of the fin stack 12, a piping arrangement 18 formed in known manner from a base plate 20 and a pipe lining 22. Between the end pipe assemblies 18 are arranged a plurality of pipes (not visible in the drawings). Each pipe extends through a series of aligned holes in the fins and is secured to the fin stack 12 by machine expansion.

In der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 10 einer des sog. einreihigen Typs, mit nur einer Reihe von Rohren, vorzugsweise mit Flachquerschnitt. Gemäß einem bekannten Verfahren haben die Enden der Rohre, die aus dem Rippenstapel 12 vorstehen, einen kreisrunden Querschnitt und sind in Ringlagern abgedichtet, die in der Basisplatte 20 ausgebildet sind. Die Rohre werden durch maschinelle Aufweitung (Aufweiten) der Enden der Rohre nach dem Einsetzen in die Dichtringlager an der Basisplatte 20 befestigt.In the embodiment shown in the drawings, the heat exchanger 10 is of the so-called single-row type, with only one row of tubes, preferably of flat cross-section. According to a known method, the ends of the tubes protruding from the fin stack 12 have a circular cross-section and are sealed in ring bearings formed in the base plate 20. The tubes are secured to the base plate 20 by machine-expanding (flaring) the ends of the tubes after insertion into the sealing ring bearings.

Der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einer Versteifungsstruktur versehen, die vier Verbindungselemente 24 einschließt, die an den Ecken des Rippenstapels 12 angeordnet sind.The heat exchanger according to the present invention is provided with a stiffening structure including four connecting elements 24 arranged at the corners of the fin stack 12.

Fig. 3 stellt ein Verbindungselement 24 in undeformiertem Zustand vor seiner Befestigung an dem Rippenstapel 12 dar. Das Element 24 ist aus einer Metallplatte gestanzt und weist ein flächiges Unterteil 26 mit einer Breite auf, die gleich der Breite der kleineren Stirnfläche 16 des Stapels von Metallblechelementen ist. Von den Seiten des flächiges Unterteils 26 weg erstrecken sich zwei Flügel 28, die entlang der durchbrochenen Linien 30 zu falten sind, um den Rippenstapel 12 zu umgreifen. Ein integrierter Ansatz 32, der mit einem Paar Seitenarmen 34 versehen ist, steht von dem Unterteil 26 vor.Fig. 3 shows a connecting element 24 in an undeformed state before its attachment to the rib stack 12. The element 24 is stamped from a metal plate and has a flat base 26 with a width equal to the width of the smaller end face 16 of the stack of sheet metal elements. From the sides of the flat base 26 extend two wings 28 which are to be folded along the broken lines 30 in order to embrace the rib stack 12. An integral extension 32 provided with a pair of side arms 34 protrudes from the base 26.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist das Verbindungselement 24 derart an dem Rippenstapel 12 befestigt, dass die Flügel 28 die größeren Stirnflächen 14 des Rippenstapels 12 umgreifen, während das Unterteil 26 an der kleineren Stirnfläche 16 unmittelbar neben der Rohrleitungsanordnung 18 angreift. Der Ansatz 32 des Verbindungselementes 24 greift in eine Öffnung 36 ein, die durch ein U-förmiges Element 38 gebildet wird, das von der kleineren Seite der Rohrleitungsverkleidung 22 vorsteht. Im allgemeinen ist die Rohrleitungsverkleidung 22 ein Kunststoff-Spritzgussteil, so dass das die Öffnung 36 begrenzende U-förmige Element 38 während der Formgebung an die Rohrleitungsverkleidung 22 angeformt werden kann. Die Breite des Eingriffvorsprungs 32 ist im wesentlichen gleich der Weite der Öffnung 36. Das Verbindungselement 24 wird durch einfaches Einstecken des Ansatzes 32 in die Öffnung 36 mit der Rohrleitungsverkleidung 22 in Eingriff gebracht.As can be seen from Fig. 2, the connecting element 24 is attached to the fin stack 12 in such a way that the wings 28 engage the larger end faces 14 of the fin stack 12, while the base 26 engages the smaller end face 16 immediately adjacent to the pipe arrangement 18. The projection 32 of the connecting element 24 engages in an opening 36 formed by a U-shaped element 38 protruding from the smaller side of the pipe lining 22. In general, the pipe lining 22 is a plastic injection molded part so that the U-shaped element 38 defining the opening 36 can be molded onto the pipe lining 22 during molding. The width of the engagement projection 32 is substantially equal to the width of the opening 36. The connecting element 24 is engaged with the pipe lining 22 by simply inserting the projection 32 into the opening 36.

Fig. 2a stellt eine Variante dar, in der die Öffnung 36 durch zwei Auskragungselemente 33 und 35 ersetzt ist, die vom Körper der Rohrleitungsverkleidung 22 vorstehen und einstückig damit sind. Der Ansatz 32 des Verbindungselementes 24 greift wie im oben beschriebenen Fall in die Innenseiten der zwei Elemente 33 und 35 ein.Fig. 2a shows a variant in which the opening 36 is replaced by two projection elements 33 and 35 which protrude from the body of the pipe casing 22 and are integral with it. The lug 32 of the connecting element 24 engages the inner sides of the two elements 33 and 35, as in the case described above.

Es versteht sich von selbst, dass jedes Verbindungselement 24 eine Halterung bildet, die jegliche Verschiebung der Rohrleitung 18 bezüglich des Rippenstapels 12 in der durch den zweiseitigen Pfeil 40 in Fig. 2 angedeuteten Richtung verhindert. Dieser Eingriff macht die Verbindung zwischen der Rohrleitungsanordnung 18 und dem Rippenstapel 12 bedeutend fester und verhindert, dass mechanische Spannungen und Temperaturspannungen, die im Betrieb auf den Wärmetauscher einwirken, den Kontakt in der abgedichteten Region an den Enden der Rohre lockern.It will be appreciated that each connecting element 24 forms a support which prevents any displacement of the tubing 18 with respect to the fin stack 12 in the direction indicated by the two-sided arrow 40 in Fig. 2. This engagement makes the connection between the tubing assembly 18 and the fin stack 12 significantly stronger and prevents mechanical stresses and temperature stresses acting on the heat exchanger during operation from loosening the contact in the sealed region at the ends of the tubes.

Die Verbindung zwischen jedem Verbindungselement 24 und der Rohrleitungsanordnung 18 wird ferner durch das Umbiegen der Enden der Arme 34 um die größeren Seiten der Basisplatte 20 verstärkt.The connection between each connector 24 and the tubing assembly 18 is further reinforced by bending the ends of the arms 34 around the larger sides of the base plate 20.

Fig. 4 und 5 stellen zwei Ausführungsformen des Systems zur Befestigung des Verbindungselementes 24 am Rippenstapel 12 dar. In der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform weist das Verbindungselement 24 Flügel 28 auf, die sich über die größeren Stirnflächen 14 erstrecken, so dass sie den Raum zwischen dem Rohrpaar überdecken, das dem Rand des Rippenstapels 12 am nächsten ist. Die Flügel 28 sind um die größeren Stirnflächen 14 gebogen und durch eine Niete 42 miteinander verbunden, die durch ein Querloch 44 hindurchgeht, das in dem Raum zwischen dem Rohrpaar 46 in dem Rippenstapel 12 ausgebildet ist.Figures 4 and 5 illustrate two embodiments of the system for securing the connecting element 24 to the fin stack 12. In the embodiment illustrated in Figure 4, the connecting element 24 has wings 28 that extend over the larger end faces 14 so that they cover the space between the pair of tubes that are closest to the edge of the fin stack 12. The wings 28 are bent around the larger end faces 14 and are connected to one another by a rivet 42 that passes through a transverse hole 44 formed in the space between the pair of tubes 46 in the fin stack 12.

Alternativ ist das Verbindungselement 24, wie in Fig. 5 dargestellt, durch Falzen an dem Rippenstapel 12 befestigt, d. h. durch Umbiegen der Flügel 28, bis sie in jeweils in dem Rippenstapel 12 ausgebildete Auskehlungen 48 parallel zu den kleineren Stirnflächen 16 und in deren unmittelbarer Nachbarschaft eingreifen. Die Auskehlungen 48 sind häufig auch in herkömmlichen Wärmetauschern vorgesehen und dienen als Verankerungspunkte für Flansche und dergleichen, die den Radiator am Fahrzeug oder an der Kühlluftführung des elektrischen Gebläses befestigen. Daher dienen die Auskehlungen 48 in dem in Fig. 5 gezeigten Befestigungssystem als Verankerungsflächen sowohl für die Mittel zur Befestigung des Radiators als auch für die Verbindungselemente 24.Alternatively, as shown in Fig. 5, the connecting element 24 is attached to the fin stack 12 by folding, i.e. by bending the wings 28 until they engage in grooves 48 formed in the fin stack 12 parallel to the smaller end faces 16 and in their immediate vicinity. The grooves 48 are also often provided in conventional heat exchangers and serve as anchoring points for flanges and the like that attach the radiator to the vehicle or to the cooling air duct of the electric fan. Therefore, the grooves 48 in the fastening system shown in Fig. 5 serve as anchoring surfaces both for the means for attaching the radiator and for the connecting elements 24.

Claims

1. Heat exchanger, in particular a radiator for a motor vehicle, comprising a plurality of parallel tubes (46) which are attached to a plurality of fins which form a parallelepiped stack (12) with a pair of smaller end faces (16) and a pair of larger end faces (14) parallel to the axes of the tubes, the ends of the tubes terminating in at least one pipe arrangement (18) which is located at one end of the fin stack (12) and comprises a base plate (20) and a pipe cover (22) which are connected to one another; a reinforcing structure with at least one connecting element (24) which is attached to a smaller end face (16) of the fin stack (12) in engagement with the pipe arrangement (18), the connecting element (24) having a flat lower part (26) which engages the associated smaller end face (16) of the fin stack (12) and having a pair of wings (28) which engage the larger end faces (14) of the stack (12); characterized in that the connecting element (24) has an integrated projection (32) which engages in an opening (36) or the inner sides of two projection elements (33, 35) which protrude from the pipe lining, wherein the opening or the two projection elements are formed on a head portion of the pipe lining (22) which is part of the pipe assembly (18), and the connecting element (24) has a pair of integrated arms (34) which engage around the base plate (20).

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the opening (36) is formed by a substantially U-shaped element (38) protruding from a side of the pipe lining (22) located in correspondence with a smaller face (16) of the stack (12).

3. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the connecting element (24) is attached to the fin stack (12) by at least one rivet (42) which passes transversely through the fin stack (12) and engages the wings (28) of the connecting element (24).

4. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the fin stack (12) has a pair of grooves (48) which are formed in its larger end faces (14) parallel to the smaller end faces (16) and in the vicinity thereof, and that the wings (28) of the connecting element (24) engage in the grooves (48), the connecting element (24) being connected to the fin stack (12) by a weld seam.

5. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that it has four connecting elements (24) arranged at the corners of the fin stack (12).