Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Rippenrohrwärmetauscher zählen in unterschiedlichsten Bauformen zum Stand der Technik. Der Wärmeaustausch erfolgt zwischen einer Flüssigkeit, welche die berippten Rohre durchströmt und einem Gas, das die Rohre außenseitig umströmt. über die Rippen wird die Wärmetauscherfläche stark vergrößert und der Wärmeübergang intensiviert. Die fluidführenden Rohre werden in Rohrböden fixiert, so dass das flüssige Medium, von so genannten Wasserkammern ausgehend, in mehrere Rohre gleichzeitig einströmen kann.

Es ist bekannt, Rippenrohrpakete zu bilden, bei welchen mehrere fluidführende Rohre übereinander gestapelte Rippenbleche gemeinsam durchsetzen. Die Fixierung der Rippen an den Rohren erfolgt z.B. durch Aufweiten der Rohre, so dass diese gegen die öffnungen in den Rippenrohrpaketen gepresst werden. Auf diese Weise lassen sich in sehr kompakter Bauweise Wärmetauscher mit großen Oberflächen für verschiedenste Anwendungsfälle bereitstellen. Die Rohre können auch mit den Rippenblechen verlötet sein. üblicherweise werden dabei die sich gegenüberliegenden Rohrböden über Seitenwände miteinander

verbunden, die zudem zur Luftführung erforderlich sind. Um der gesamten Anordnung eine größere Stabilität zu verleihen, können die Seitenwände über Querträger, die quer zur Rohrrichtung verlaufen und sich gewissermaßen parallel zu den Rohrböden erstrecken, miteinander verbunden werden.

Die Schwingungsanregung der Wärmetauscher resultiert aus der Kopplung des Wärmetauschers mit schwingenden Systemen. Insbesondere in Verbindung mit Generatoren oder allgemein in Verbindungen mit elektrischen Systemen ergibt sich häufig eine Schwingungsanregung von 50 Hertz oder 60 Hertz. Je nach Dimensionierung des Wärmetauschers kann diese Schwingungsanregung mit Eigenfrequenzen des Wärmetauschers zusammenfallen, so dass sich Resonanzschwingungen ergeben. Diese Schwingungen können bei der Vielzahl der Verbindungsstellen zwischen den Rohren und den Rippen relativ rasch zur Zerstörung der Rohre und damit zur Zerstörung des gesamten Wärmetauschers durch Leckage führen.

Es sind daher bereits Anstrengungen unternommen worden, die Schwingungen dadurch zu dämpfen, dass Querträger die einzelnen Rippenrohrpakete fest gegeneinander pressen. Zwischen den Querträgern und den Rippenblechen kann zudem ein Dämpfungselement eingegliedert sein, wie beispielsweise eine Dämpfungslage aus einem Elastomer. Zusätzlich kann in den Abstützungsbereich zwischen dem Querträger und den Rippenblechen hitzebeständiges Silikon oder ein anderes elastisches Material in die Rippenzwischenräume eingebracht werden, um die Abstützung zwischen den Rippenblechen und dem Querträger zu verbessern.

Anstelle von Querträgern, welche die Rippenrohrpakete von außen gegeneinander pressen, kann auch ein Zwischenblech in das Rippenrohrpaket eingebracht werden. Bei dem Zwischenblech handelt es sich quasi um ein sehr dickwandiges Rippenblech, das, anders als die üblicherweise sehr dünnwandigen Rippenbleche, direkt mit den Seitenwänden verschraubt werden kann. Hierdurch erfolgt eine direkte Abstützung der Rohre und nicht nur eine

mittelbare Abstützung der Rohre über Querträger, die unter Eingliederung von hitzebeständigen Silikonzwischenlagen aufeinander gepresst werden.

Dennoch hat sich in der Praxis gezeigt, dass an Wärmetauschern zerstörerische Schwingungen auftreten, insbesondere, wenn der Wärmetauscher im Zusammenhang mit Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz kommt, da hier das Spektrum der Anregungsfrequenzen auf Grund der unterschiedlichen Drehzahlen und auf Grund von Drehzahlschwankungen wesentlich größer ist. Zudem erfordert die Montage der Querträger besondere konstruktive Maßnahmen im Bereich der Seitenwände, da diese eine definierte Anpresskraft im Unterstützungsbereich bereitstellen sollen. Auch die Verwendung von Zwischenblechen zwischen den Rippenblechen ist konstruktiv aufwändig, da die Zwischenbleche eine Vielzahl von Bohrungen aufweisen müssen, die bei dickwandigen Zwischenblechen auf Grund benötigter enger Toleranzen wesentlich aufwändiger herzustellen sind als bei dünnwandigen Rippenblechen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine schwingungstechnische Abstützung für Rippenrohrwärmetauscher aufzuzeigen, die eine verbesserte Unterstützung der Rippenrohrpakete ermöglicht und gleichzeitig einfach und kostengünstig realisierbar ist.

Diese Aufgabe ist bei einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist ein so genannter Rippenrohrwärmetauscher, in welchen gestapelt angeordnete Rippenbleche von mehreren fluidführenden Rohren durchsetzt sind und so genannte Rippenrohrpakete bilden. Die Enden der Rohre sind in bekannter Weise an den sich gegenüberliegenden Rohrböden befestigt, wobei sich zwischen den

Rohrböden Seitenwände erstrecken. Insgesamt erhält der Wärmetauscher dadurch eine rechteckige Konfiguration.

Entscheidend bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist, dass die Seitenwände unmittelbar oder mittelbar unter Eingliederung wenigstens eines sich in Längsrichtung der Seitenwände ersteckenden Formschlusselements in formschlüssigem Eingriff mit den Rippenblechen stehen. Dadurch, dass die gesamten Seitenwände bzw. an den Seitenwänden angeordnete Formschlusselemente zur Unterstützung der Rippenrohrpakete genutzt werden können, ergibt sich ein wesentlich größerer Unterstützungsbereich als er mit Querträgern und aufwändig herzustellenden Zwischenblechen realisiert werden könnte. Zudem wirkt sich eine seitliche Abstützung im Bereich der Seitenwände, anders als bei großen aufliegenden Querträgern, nicht strömungsquerschnittsmindemd aus.

Selbstverständlich ist es möglich, zusätzliche Querträger anzuordnen, um die Seitenwände gegeneinander zu stabilisieren. Es ist allerdings ausreichend, die Querträger als Zugstangen oder Zuganker auszubilden, um dem gesamten Wärmetauscher eine höhere Steifigkeit zu verleihen. Der Querträger muss zudem keine bestimmte Mindestquerschnittsfläche mehr aufweisen, die sich bislang aus der maximal zulässigen seitlichen Flächenpressung der Rippenrohrpakete ergeben hat.

Dadurch, dass durch die Abstützung der Rippenrohrpakete nunmehr eine hohe Anzahl von Rippenblechen und insbesondere jedes Rippenblech des Wärmetauschers in mittelbarem oder unmittelbarem formschlüssigen Eingriff mit den Seitenwänden steht, ergibt sich eine hervorragende Abstützung, da die frei schwingende Länge des Rippenrohrpakets, anders als bei punktueller Abstützung, auf den Wert Null reduziert worden ist. Dadurch ändert sich die Eigenfrequenz des gesamten Wärmetauschers. Auf diese Weise ist es möglich, die Eigenfrequenz des jeweiligen Rippenrohrsystems so einzustellen, dass sie nicht im Bereich der an den vorgeschalteten Antriebsmaschinen zu erwartenden Erregerschwingungen liegt.

Im übertragenden Sinne übernehmen die einzelnen Rippenbleche im Rahmen der Erfindung die Funktion von bislang verwendeten Querträgern oder Zwischenblechen, so dass die frei schwingende Länge eines Rippenrohrpakets im Wesentlichen auf dem Abstand zweier Rippenbleche beschränkt ist. Derart geringe Abstände und die damit verbundenen Eigenfrequenzen liegen jedoch außerhalb des Anregungsbereichs heutiger Antriebsmaschinen, so dass die Gefahr schwingungsinduzierter Schäden derartig konfigurierter Wärmetauscher stark reduziert wird.

Der formschlüssige Eingriff mit dem Rippenblech kann über Nuten und Federn erfolgen, die in den Seitenwänden oder in den den Seitenwänden zugewandten Rippenaußenkanten ausgebildet sind, d.h. über in Richtung des Rippenrohrpakets weisende Vorsprünge, die parallel zu den Rohren verlaufen und sich von der üblicherweise ebenen Seitenwand abheben. Bevorzugt befinden sich die Nuten in den Rippenaußenkanten und die Federn an dem Formschlusselement bzw. unmittelbar an der Seitenwand. Die Verwendung eines Formschlusselements hat den Vorteil, dass speziell konfigurierte Strangpressprofile zur formschlüssigen Abstützung der Rippenrohrpakete kostengünstig mit Seitenwänden in Flachstahlbauweise kombiniert verwendet werden können. Zudem können die Formschlusselemente aus einem schwingungsdämpfenden Material bestehen, wie beispielsweise aus Kunststoff. Unabhängig von der Materialwahl können zwischen den Seitenwänden und dem Formschluss und den Rippenaußenkanten bzw. zwischen dem Formschlusselement und den Rippenaußenkanten zusätzliche Dämpfungslagen in Form von elastomeren Materialien angeordnet werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Dämpfungselement von dem Formschlusskörper selbst gebildet wird.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Abstützung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn als Nut eine aus dem Fertigungsprozess ohnehin resultierende Ausnehmung in der Rippenaußenkante verwendet werden kann. Dies ist der Fall, wenn die fluidführenden Rohre in jeder zweiten Reihe versetzt zur ersten Reihe angeordnet sind, so dass sich bei einem randseitigen

Beschnitt des vorgelochten Rippenblechs immer eine Nut ergibt, die einem Kreissegment entspricht. Als optimal wird es angesehen, wenn die Nuten in den Rippenaußenkanten derartig vorgefertigter, gelochter Rippenbleche halbkreisförmig konfiguriert sind und auf Grund des Fertigungsverfahrens den gleichen Durchmesser aufweisen wie die übrigen vorgestanzten und von den Rohren durchsetzten Löcher in den Rippenblechen. Je nach Anzahl der Rippen der Rohrreihen befinden sich in den Rippenaußenkanten wenigstens eine, regelmäßig aber mehrere fluchtende Nuten. In diese Nuten greift in der Einbaulage in eine an die Kontur der Nuten angepasste Feder bzw. ein entsprechend konfiguriertes Formschlusselement ein.

Es ist im Rahmen der Erfindung aber auch denkbar, dass der Eingriff nicht an den Stirnseiten der Rippenrohrpakete, d.h. im Bereich der Rippenaußenkanten erfolgt, sondern, dass die Rippenrohrpakete sich über ihre Ecken an den Formschlusselementen bzw. den Seitenwänden abstützen. Hierzu ist vorgesehen, dass die Ecken der Rippenbleche um ca. 90° abgekantet werden, so dass sich einander benachbarte Rippenbleche über die abgekanteten Eckstücke berühren und an jeder Ecke des Rippenrohrpakets eine Fase bilden, welche flächig an Stützkonsolen der Seitenwände oder eines Formschlusselements abgestützt ist. Durch das Abkanten der Ecken wird eine Eckfläche geschaffen, die dazu geeignet ist, flächig an einer entsprechend geneigten Stützkonsole zur Anlage zu gelangen. Auf diese Art und Weise ergibt sich ein keilförmiger Verbund zwischen dem Rippenrohrpaket und den Seitenwänden bzw. dem Formschlusselement. Wenn die Seitenwand fest an den Rippenrohrpaketen anliegt, werden diese an den Seitenwänden bzw. Formschlusselementen zentriert und dadurch gewissermaßen eingekeilt.

Zwischen den Stützkonsolen sollten die Rippenaußenkanten im Abstand zum Formschlusselement bzw. der Seitenwand verlaufen, damit die Zentrierung des Rippenrohrpakets gegenüber der Seitenwand bzw. gegenüber dem Formschlusselement sichergestellt werden kann.

Der besondere Vorteil dieser Art der seitlichen Fixierung der Rippenrohrpakete ist darin zu sehen, dass eine seitliche Zustellung der Seitenwände bzw. der Formschlusselemente herbeigeführt werden kann, um die Anpresskraft der Seitenwände exakt auf die jeweiligen Anforderungen einzustellen. Hierzu können die Seitenwände über in der Länge verstellbare Zuganker miteinander verbunden sein. Selbstverständlich können derartige Zuganker auch bei Nut- und-Feder-Anordnungen vorgesehen sein, um den Formschluss zwischen dem Rahmen des Wärmetauschers und den Rippenrohrpaketen auch bei starker Schwingungsanregung sicherzustellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen dargestellen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers;

Figur 2 einen Wärmetauscher im Längsschnitt aus dem Stand der

Technik in einer ersten Ausführungsform;

Figur 3 einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher aus dem Stand der Technik in einer weiteren Ausführungsform;

Figur 4 im Querschnitt einen Teilbereich eines Wärmetauschers in einer ersten Ausführungsform;

Figur 5 im Querschnitt einen Teilbereich eines Wärmetauschers in einer zweiten Ausführungsform und

Figur 6 eine Stirnansicht auf ein Rippenrohrbündel mit abgekanteten Ecken.

Figur 1 zeigt einen Wärmetauscher 1 bekannter Bauart. In diesem Fall handelt es sich um einen Ladeluftkühler. Der Wärmetauscher 1 ist rechteckig konfiguriert und wird in Richtung des Pfeils L von Luft durchströmt. Luft strömt zwischen einer Vielzahl von Rippenblechen 2 hindurch, die mit Rohren 3 verbunden sind. Die Rohre werden von einem Fluid durchströmt. Bei einem

Ladeluftkühler ist das Fluid kühler als die Luft, so dass sich der Luftstrom abkühlt und das Fluid erwärmt.

Die einzelnen Rohre 3 sind mit ihren Enden jeweils in einem Rohrboden 5 festgelegt. Zwischen den Rohrböden 5 befindet sich das von den Rippenblechen 2 und den Rohren 3 gebildete Rippenrohrpaket 4. Parallel zu dem Rippenrohrpaket 4 erstrecken sich Seitenwände 6, 7, die mit den Rohrböden 5 verschraubt sind.

Wärmetauscher dieser Bauart können zur Schwingungsdämpfung zusätzlich mit massiven Querträgern versehen werden, wie sie in Figur 2 dargestellt sind. Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher. Die Rohre 3 ¹ verlaufen in der Bildebene von links nach rechts. Die einzelnen Rippenbleche 2 ¹ verlaufen in der Bildebene von oben nach unten. Es ist zu erkennen, dass bei diesem Wärmetauscher zwei Rippenrohrpakete 4' übereinander angeordnet sind. Zwischen den Rippenrohrpaketen 4' befindet sich eine massive Mittelabstützung 8, die unmittelbar an den Rippenblechen 2' der Rippenrohrpakete 4' anliegt. Das Gegenstück zu der Mittelabstützung 8 sind Querträger 9, die ober- und unterhalb der Rippenrohrpakete 4 ¹ angeordnet sind und mit den Seitenwänden 6, 7 verschraubt werden. Auf diese Weise wird eine Schwingung in diesem Unterstützungsbereich unterbunden. Zur Dämpfung können zwischen dem Querträger 9 und den Rippenblechen 2' Füllungen aus hitzebeständigem Silikon angeordnet sein. Bei dieser Art der Abstützung werden die Rohre 3 ¹ mittelbar über die Rippen 2 ¹ und das nicht näher eingezeichnete Silikon abgestützt.

Als Alternative ist es bekannt, anstelle der Querträger 9 Zwischenbleche 10 vorzusehen, die sich parallel zu den Rippenblechen 2' erstrecken und unmittelbar von den Rohren 3 ¹ durchsetzt werden. Auch auf diese Weise ist eine Unterstützung der Rippenrohrpakete 4' durch mehrfache Anbindung des Zwischenblechs 10 der nicht näher dargestellten Seitenwand 6 möglich (Figur 3).

Die Figuren 4 und 5 zeigen Details von erfindungsgemäßen Wärmetauschern zweier unterschiedlicher Ausführungsformen. In Figur 4 ist in der Draufsicht ein Randbereich eines Rippenblechs 11 dargestellt, dessen Löcher 12 von den nicht näher dargestellten fluidführenden Rohren durchsetzt werden. Es ist zu erkennen, dass das Rippenblech 11 in der Einbaulage mit einer Seitenwand 13 formschlüssig in Eingriff steht. Hierzu ist in der Seitenwand 13 zugewandten Rippenaußenkante 14 eine halbkreisförmige Nut 15 ausgebildet, in welcher eine ebenso halbkreisförmige Feder 16 der Seitenwand 13 eingreift. Die Feder 16 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Seitenwand 13 und steht daher mit sämtlichen Rippenblechen 11 in formschlüssigem Eingriff.

Besonders zweckmäßig bei dieser Ausführungsform ist, dass das mit den Löchern 12 vorgestanzte Rippenblech 11 im Bereich eines mittig liegenden Loches 12 zugeschnitten wird, so dass die halbkreisförmige Nut 15 aus einem Loch ausgebildet wird. Es ist daher zur Herstellung der Nut 15 kein separater Arbeitsschritt erforderlich, vielmehr kann auf vorhergehende Fertigungsschritte zurückgegriffen werden.

Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Schneidkante des Rippenblechs 11 entlang der Linie S verlaufen zu lassen, so dass zwei Löcher 12 als Nuten ausgebildet werden. Dementsprechend müssten an der Seitenwand 13 zwei Federn 16 vorhanden sein. Unabhängig davon, ob ein oder mehrere Nuten bzw. Federn an den Rippenaußenkanten 14 vorgesehen sind, handelt es sich bei der Ausführungsform der Figur 4 und davon abgewandelten Ausführungsformen um einen formschlüssigen Verbund, bei welchem ein Bauteil der Seitenwand 13 umgriffen wird.

Die Ausführungsform der Figur 5 unterscheidet sich von derjenigen der Figur 4 prinzipiell dadurch, dass nicht die dort dargestelle Seitenwand 17 umgriffen wird, sondern vielmehr das Rippenblech 11a. Um für eine hinreichende Anlagefläche der Rippenbleche 11a an der Seitenwand 17 zu sorgen, sind die Ecken der Rippenbleche 11a um ca. 90° abgekantet, so dass sich einander benachbarte Rippenbleche 11a, 11b über die abgekanteten Eckstücke 18

berühren und Fasen 19 bilden, welche in der Einbaulage flächig an Stützkonsolen 20 der Seitenwände 17 abgestützt sind. Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung die Eckstücke 18 der einzelnen Rippenbleche 11a, 11 b, die sich überlappen und daher die gewünschte Fase 19 ausbilden. Auf die Darstellung der Rohre und etwaiger Ausstellungen der einzelnen Rippen 11a, 11b wurde in Figur 6 verzichtet.

Bei den in den Figuren 4 und 5 als Seitenwand 13, 17 bezeichneten Bauteilen könnte es sich auch um Formschlusselemente handeln, die als separate Bauteile zwischen der Seitenwand und den Rippenblechen 11 , 11a angeordnet sind. Die Formschlusselemente können aus einem schwingungsdämpfenden Material, wie z.B. Kunststoff, hergestellt sein. Auch die Eingliederung elastomerer Zwischenlagen zwischen der Seitenwand 13, 17 bzw. dem Formschlusselement und den Rippenblechen 11 , 11a ist denkbar.

Darüber hinaus ist vorstellbar, dass bei sehr breiten Rippenrohrpaketen zusätzliche Zwischenwände vorgesehen sein können, die sich parallel zu den Seitenwänden erstrecken. In diesem Fall sorgen die Zwischenwände für eine zusätzliche Abstützung. Derartige Zwischenwände können zudem beidseitig mit entsprechenden Formschlusselementen versehen sein, wie beispielsweise mit Federn oder Stützkonsolen, wie sie beispielhaft in den Figuren 4 und 5 dargestellt sind. Auf diese Weise kann auch die Schwingungsdämpfung bei sehr breit bauenden Kühlern mit mehreren nebeneinander angeordneten Rippenrohrpaketen gewährleistet werden.

Bezuqszeichen:

1 - Wärmetauscher

2 - Rippenblech 2 ¹ - Rippenblech 3- Rohr

3 ¹ - Rohr

4 - Rippenrohrpaket 4 ¹ - Rippenrohrpaket

5 - Rohrboden

6 - Seitenwand

7- Seitenwand

8- Mittelabstützung 9 - Querträger

10 - Zwischenblech

11 - Rippenblech 11a- Rippenblech 11b- Rippenblech

12- Loch

13 - Seitenwand

14- Rippenaußenkante

15- Nut

16- Feder

17 - Seitenwand

18- Eckstück

19- Fase

20- Stützkonsole

L- Pfeil

S- Schnittkante