DE2637001A1

DE2637001A1 - Waermeaustauscheranordnung

Info

Publication number: DE2637001A1
Application number: DE19762637001
Authority: DE
Inventors: Kit Francis Burr; Leslie Charles Kun
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1975-08-18
Filing date: 1976-08-17
Publication date: 1977-02-24
Also published as: BR7605364A; ES450773A1; AU500378B2; US4023618A; GB1559529A; SE7609157L; AU1690176A; JPS5224370A; JPS5427576B2; FR2321675A1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Wärmeaustauscheranordnung und betrifft insbesondere eine verbesserte Sammlereinrichtung für einen Wärmeaustauscher, der eine gestapelte Folge von dünnwandigen Wärmeaustausch-Kanalelementen aufweist .

Auf dem Gebiet von Wärmeaustauscheranwendungen, bei denen als primäre Wärmeaustauscheroberfläche druckaufnehmende Wände erforderlich sind, wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um leichte, kostengünstige Wärmeaustauscherelemente zu entwickeln. In den letzten Jahren wurde eine Anzahl von kompakten Wärmeaustauscherkonstruktionen bekannt, bei denen vergleichsweise dünnwandige Wärmeaustausch-Kanalelemente vorgesehen sind, die beispielsweise 0,2 bis 0,3 mm dick und aus Werkstoffen geringen Gewichts, beispielsweise Aluminium, gefertigt sind. Derartige Wärmeaustauscher eignen sich insbesondere als Kühler und Heizgeräte in Kraftfahrzeugen, wo Größe und Gewicht von primärer Bedeutung sind.

Für Anwendungen der vorstehend genannten Art sind unter an-

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FERNSPRECHER: 089/6012039 · KABELtELECTRlCPATENTMUNCHEN

derem Wärmeaustauscher bekannt (US-PS 3 757 856), bei denen jedes Kanalelement eine mit einer Isospannungskontur versehene v.arrr-eaustauschflache mit mehreren gleichförmig angeordneten, nach außen gerichteten, von einem Teil jeder Wandflache gebildeten Vorsprüngen aufweist- Diese. Vorsprünge sind an ihren Enden derart mit lasttragenden Segmenten versehen, daß die einander zugekehrten Wände von benachbarten Kanalelementen in tragender Beziehung miteinander stehen. Tritt an der Kanalwand ein Differenzdruck auf, wird in der mit einer Isospannungskontur versehenen Oberfläche eine im wesentlichen gleichförmige Spannungsfaserverteilung erhalten. Durch diese gleichförmigen Spannungsvertexlungen werden Spannungskonzentrationspunkte in den Wänden der Kanalelemente praktisch ausgeschlossen; es ist daher möglich, die Wände aus sehr dünnen Blechen oder Folien aus wärmeleitendem Werkstoff herzustellen.

Bei solchen Wärmeaustauschern, die aus dünnwandigen Kanalelementen aufgebaut sind, die unter Bildung des Wärmeaustauscherkernes in einer Folge oder Gruppe zusammengestapelt sind, bringt die Schaffung von kostengünstigen, leicht herstellbaren Sammlern, die eine wirkungsvolle, fluiddichte Abdichtung mit den Kanalelementen innerhalb der gestapelten Folge aufrechtzuerhalten gestatten, spezielle Probleme mit sich, die bei Sammleranordnungen von stärkerwandigen Systemen nicht anzutreffen sind. Bei Kanalelementen, deren druckaufnehmende Wände von geringerer Stärke sind, setzen die

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Wände dem Wärmeübergang einen niedrigeren Widerstand entgegen. Mit anderen V/orten, es wird je Gewichtseinheit des v.ana.-.erkstof fes eine höhere V.'armeubergangsgeschwindigkeit erzielt. Dies erlaubt es, die dünnwandigen Kanalelemente dient r.eoeneinander anzuordnen, wodurch eine in hohem Maße kompakte Stapelfolge erhalten wird. Mit diesem hohen Grad an Kompaktheit sind entsprechend kleine Abmessungen für die Kanalelemente verbunden.

Ein Wärmeaustauscher, der aus Kanalelementen der aus der US-PS 3 757 856 bekannten Art aufgebaut und zur Verwendung als Kraftfahrzeugkühler geeignet ist, kann in der Stapelfolge beispielsweise 150 Kanalelemente umfassen, von denen jedes. 76O mm lang ist, im Querschnitt eine große Achse von 25 mm und eine kleine Achse von 3 mm aufweist und eine Wandstärke von O,2 mm hat. Bei einer solchen Folge kann der Abstand zwischen einander zugekehrten Wänden von benachbarten Kanalelementen in der Größenordnung von 3 mm liegen. Die Anbringung eines Eintrittssammlers, der mit den Kanalelementen am einen Ende der Folge in Verbindung steht, und eines Austrittssammlers, der mit den Kanalelementen am anderen Ende der Folge verbunden ist, erfordert daher eine fluiddichte Abdichtung von zahlreichen Stoßen zwischen Sammler und Stapelfolge, die extrem kleine Abmessungen haben. Die Kanalelementwände können außerdem wegen ihrer geringen Dicke im Verlauf des Herst.ellungsprozesses des Wärmeaustauschers leicht verbogen und deformiert werden.

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V.egen der vorstehend erläuterten Eigenschaften von Wärmeaustauschern aus dünnwandigen Kanalelementen ist es sowohl schwierig als auch kostspielig, konventionelle Sammleranordnungen vorzusehen, wie sie bei der Herstellung von großen Wärmeaustauschern benutzt werden. Beim Aufbau von handelsüblichen Rohr- und Mantelwärmeaustauschern sowie von Kraftfahrzeugkühlern ist es allgemein üblich, mit einer Rohrplatten-Sammleranordnung zu arbeiten. Im Falle derartiger Anlagen werden die Rohre des Wärmeaustauscherkerns für gewöhnlich durch entsprechend bemessene Öffnungen einer Platte oder eines Blechs hindurchgepreßt. Die Platte oder das Blech wird dann mit einem zweckentsprechenden Tank oder Gehäuse verbunden, wodurch eine Sammlerkammer gebildet wird, die mit den Rohren· des Wärmeaustauscherkernes in Verbindung steht, um durch die Rohre hindurchgeleitetes Fluid einzuspeisen oder abzuführen. Statt dessen können die Rohre auch kleiner als die Öffnungen in der Rohrplatte bemessen sein. Die Rohre werden dann, nachdem sie durch die Öffnungen hindurchgeführt sind, mittels eines Preßstempels oder auf andere Weise aufgeweitet, um eine fluiddichte Abdichtung zwischen den Rohren und dem umgebenden Blech oder der Rohrplatte entstehen zu lassen. Diese Lösungen sind bei Wärmeaustauschern mit dünnwandigen Kanalelementen nicht anwendbar, weil diese, wie vorstehend erwähnt, während der betreffenden Fertigungsstufen leicht verbogen und deformiert werden und weil extrem enge Toleranzen sowohl für die Kanalelemente als auch für die dicht nebeneinanderliegenden Rohrblechöffnungen erforderlich werden.

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Angesichts der Nichtanwendbarkeit von konventionellen Sammlerousbildungen, wie sie bei großen Wärmeaustauschern üblich sind, wurde eine Reihe von Sammlerkonstruktionen vorgeschlagen, um den speziellen baulichen Bedingungen bei Systemen mit dünnwandigen Kanalelementen Rechnung zu tragen. So ist eine Sammleranordnung bekannt (US-PS 3 757 856), bei der kammförmige Teile in die Endabschnitte der gestapelten Folge von Kanalelementen von entgegengesetzten Seiten aus derart eingesetzt sind, daß die einander entsprechenden Zähne der betreffenden Kämme einander unter Herstellung einer Abdichtung überlappen und als Abstandshalter zwischen benachbarten Kanalelementen dienen. Dann wird an dem Umfang der kammförmigen Bauteile an beiden Enden der Folge ein Tank angebracht, der als Fluideintritts- bzw. Fluidaustrittseinrichtung dient. Mit dieser Ausbildung werden zwar die Mangel von konventionellen Rohrplatten-Sammleranordnungen vermieden. Es sind jedoch zahlreiche eng beieinanderliegende Verbindungsstellen zwischen den kammförmigen Bauteilen und den Kanalelementen erforderlich, die leckdicht ausgebildet sein müssen, so daß im Betrieb ein durch die Kanalelemente hindurchgeleitetes Fluid nicht in den Raum zwischen benachbarten Elementen ausleckt. Jede dieser einzelnen Verbindungsstellen erfordert daher einen Verbindungsvorgang, beispielsweise unter Verwendung eines Klebers, um eine zwangsweise Abdichtung zu gewährleisten. Dieser Arbeitsvorgang ist naturgemäß mühselig, zeitraubend und kostspielig.

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Für Wärmeaustauscher mit in einer Stapelfolge angeordneten dünnwandigen Kanalelementen wurde auch bereits vorgeschlagen, Kanalelemente mit geschlossenen Enden und im Bereich der Endabschnitte flachen Seitenwänden zu verwenden, wobei in den Seitenwänden Öffnungen für den Eintritt und den Austritt des Fluids vorgesehen sind, das durch das Kanalelement hindurchgeleitet wird. Bei einer dieser Anordnungen umfaßt der Sammler Sammelrohre, die durch die Öffnungen in den Kanalelementen hindurchreichen und die ihrerseits mit Öffnungen versehen sind, über die für eine strömungsmäßige Verbindung zwischen den Rohren und den Kanalelementen gesorgt wird. Diese Lösung erfordert ein fluiddichtes Abdichten der zahlreichen kleinen Verbindungsstellen zwischen dem Rohr und den zugeordneten flachen Seitenwandteilen der gestapelten Kanalelemente, was schwierig auf wirtschaftliche Weise durchzuführen ist. Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform werden dabei die die Wandöffnungen an benachbarten Kanalelementen umgebenden flachen Seitenwandteile, Wand an Wand aneinander anliegend, miteinander verbunden. Diese Ausgestaltung ist etwas günstiger, weil die Verbindungsflächen im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen System verhältnismäßig groß und die Verbindungen daher leichter auszuführen sind. Gleichwohl ist eine Vielzahl von Verbindungsstellen und damit eine überaus große Gesamtverbindungslänge erforderlich; jede der Verbindungsstellen muß zwangsabgedichtet werden, um die Funktionsfähigkeit des Wärmeaustauschers zu gewährleisten.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Sctrrr.leranordnung für Wärmeaustauscher zu schaffen, bei denen eine gestapelte Folge von dünnwandigen Wärmeaustausch-Kanal öl c.-rventen vorgesehen ist. Es soll eine Wärmeaustauscheranoranung der genannten Art erhalten werden, die einfach herzustellen ist und bei der die Verbindungsstellen, die leckdicht abgedichtet werden müssen, eine verhältnismäßig kleine Gesamtlänge aufweisen.

Die Erfindung geht aus von einer Wärmeaustauscheranordnung mit einer gestapelten Folge von Wärmeaustausch-Kanalelementen, von denen jedes von wärmeleitenden, druckaufnehmenden, 0,076 mm bis 3,8 mm starken Wänden begrenzt ist und einen sich am einen Ende öffnenden Einlaß für ein erstes Fluid, einen sich am anderen Ende öffnenden Auslaß für das erste Fluid und Endabschnitte aufweist, deren Querschnitt von flachen Seitenwandteilen sowie von Randwandteilen begrenzt ist. Einander in der Folge benachbarte Kanalelemente sind mit ihren flachen Seitenwandteilen Wand an Wand aneinanderliegend gestapelt, und die Randwandteile der Kanalelemente sind derart ausgerichtet, daß am einen Ende der Folge eine Einlaßstirnseite für das erste Fluid und am anderen Ende der Folge eine Auslaßstirnseite für das erste Fluid gebildet werden. Jede der Stirnseiten hat daher einen Umfang, der von Randwandteilenden der gestapelten Kanalelemente und Seitenwandteilenden der äußersten Kanalelemente der Folge bestimmt ist. Die druckaufnehmenden Wände von benachbarten Kanalele-

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menten im Innern der Folge liegen derart in Abstand voneinander, daß ein zweites Fluid in den Räumen zwischen den Kanalelementen im Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid durch die Folge hindurchströmen kann. Ein Eintrittssammler steht zwecks Einleiten des ersten Fluids in die Kanalelemente mit der Einlaßstirnseite für das erste Fluid in Verbindung, während ein Austrittssammler zum Ableiten des ersten Fluids aus den Kanalelementen mit der Auslaßstirnseite für das erste Fluid in Verbindung steht.

Erfindungsgemäß weist jeder der vorstehend genannten Sammler eine nachgiebige Dichtung auf,die um den Umfang der betreffenden Stirnseite herum- und gegen die zugehörigen Wandteilenden angelegt ist. Ein Sammlertank umschließt die Stirnseite. Er ist mit einem sich gegen die nachgiebige Dichtung anlegenden Wandflächenteil und einem von der gestapelten Folge nach außen reichenden, strukturell integralen Flanschteil versehen. Es ist ferner eine Verbindungseinrichtung vorgesehen, die den Flanschteil und einen weiteren mechanisch starren Teil der Wärmeaustauscheranordnung derart miteinander verbindet, daß sich der Wandflächenteil des Sammlertanks zwecks Herstellung einer fluiddichten Abdichtung zwischen dem Sammlertank und der gestapelten Folge unter Druckausübung gegen die nachgiebige Dichtung anlegt.

Unter dem Begriff "nachgiebige Dichtung" soll vorliegend jedes zweckentsprechende nachgiebige oder aus elastomerem

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Werkstoff bestehende Bauteil verstanden werden, das in der Lage ist, für eine abgedichtete, für Fluidbestandteile sowohl innerhalb als auch außerhalb der Verbindungsstelle im wesentlichen undurchlässige Verbindung zu sorgen, wenn es um den Umfang einer Stirnseite der Wärmeaustauscheranordnung herum- und gegen die Wandteilenden derselben angelegt wird, wobei der Wandflächenteil des Sammlertanks eine Druckkraft auf dieses Bauteil ausübt. Wenn die vorgenannte Wärmeaustauscheranordnung beispielsweise als Kühler zum Kühlen einer Brennkraftmaschine verwendet wird und Luft als äußeres Wärmeaustauschmedium dient, während eine auf Glykolbasis beruhende wäßrige Lösung, die zum Vermeiden von Fluidverlusten und von Überhitzung unter Druck steht, als inneres Wärmeaustauschfluid vorgesehen ist, muß die nachgiebige Dichtung den Innendruck auf dem gewünschten Wert halten und gleichzeitig jedes nennenswerte Lecken von Luft, Glykol oder Wasser durch die Verbindungsstelle zwischen dem Sammlertank und der Stapelfolge hindurch verhindern.

Geeignete Werkstoffe für die nachgiebige Dichtung sind u.a. Buna-N, Silicone und Äthylen-Propylen-Dienmonomer-(EPDM)-Elastomere sowie Klebstoffe, wie Neopren- und Siliconzusammensetzungen. Bei der nachgiebigen Dichtung kann es sich um eine Dichtung handeln, die sich vorfertigen läßt und die beispielsweise als einteiliges Dichtungsteil geeigneter Form und Große vor dem Einbau in die Wärmeaustauscheranordnung vorliegen kann. Statt dessen kann mit einer Dichtung gear-

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beitet werden, die während der Fertigung der Warmeaustauscheranordnung in situ ausgebildet wird. Es versteht sich, da3 die vorstehenden speziellen Werkstoffzusammensetzungen fur die nachgiebige Dichtung und die erläuterten Fabrikationsbedingungen nur als Beispiele dienen sollen und keine Beschränkung bezüglich der nachgiebigen Dichtungen darstellen, die im Rahmen der Erfindung anwendbar sind.

Erfindungsgemäß sind Mittel vorhanden, die den Flanschteil des Sammlertanks und einen weiteren mechanisch starren Teil der Warmeaustauscheranordnung derart 'miteinander verbinden, daß sich der Wandflächenteil des Sammlertanks zwecks Herstellung einer fluiddichten Abdichtung unter Druckausübung gegen die nachgiebige Dichtung anlegt. Mit dem Begriff "mechanisch starr" sollen vorliegend Teile der Warmeaustauscheranordnung bezeichnet werden, die, wenn sie über die Verbindungsmittel mit dem Flanschteil des Sammlertanks verbunden werden, eine ausreichende mechanische Steifigkeit oder Festigkeit haben, um den Druck aufrechtzuerhalten, der für ein fluiddichtes Abdichten zwischen dem Sammlertank und der gestapelten Folge erforderlich ist. In der Praxis bedeutet dies, daß der den Verbindungsmitteln zugeordnete Teil der Warmeaustauscheranordnung so ausgelegt sein muß, daß er ein ausreichendes Trägheitsmoment hat, um Belastungen, einschließlich Biege-,und Scherbelastungen, wirkungsvoll zu absorbieren, die bei der Ausübung der Druckkraft auf die Dichtung auftreten. Dabei darf es zu keiner Verformung oder

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andersartigen Reaktion kommen, die einen Verlust der Tluiadichten Abdichtung herbeiführen würde. Vorzugsweise wird die erforderliche Steifigkeit des betreffenden Teils der Wärmeaustauscheranordnung mit einem Werkstoff von geringem Gewicht erzielt, so daß ein vergleichsweise hohes Trägheitsmoment notwendig wird.

Angesichts der vorstehend erläuterten Gesichtspunkte kann der mechanisch starre Teil der Wärmeaustauscheranordnung, der mit dem Flanschteil des Sammlertanks verbunden ist, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung einen Teil des zugeordneten Endabschnitts der gestapelten Folge umfassen. Entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist·, wie im folgenden noch näher beschrieben, der Flanschteil des Sammlertanks mit einer Rippenanordnung der gestapelten Folge von Kanalelementen verbunden.

Entsprechend einer anderen Ausführungsform verbinden außerhalb der gestapelten Folge von Kanalelementen sitzende Verbindungsglieder einander entsprechende Abschnitte der Flanschteile, so daß der vorstehend genannte mechanisch starre Teil der Wärmeaustauscheranordnung für jeden Sammler den Flanschteil des anderen Sammlers umfaßt. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Wärmeaustauscheranordnungen, bei denen das durch die Kanalelemente hindurchzuleitende erste Fluid

unter einem hohem Druck, beispielsweise 4,2 kp/cm , steht, so daß stärkere Kanalelementwände erforderlich werden, beispiels-

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weise Wandstärken in der Größenordnung von 3,3 mm bis 3,8 mm. Bei derartigen Anordnungen wird für das Maß an Zusammenpressen, das erforderlich ist, um entgegen den hohen Innendrücken eine fluiddichte Abdichtung aufrechtzuerhalten, durch mechanische Verbindungsglieder gesorgt, die die betreffenden Sammlerflanschteile miteinander verbinden.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß nachgiebige Dichtungen mit Vorteil benutzt werden können, um eine wirkungsvolle, fluiddichte Verbindung zu erzielen, wenn sie gegen das Ende einer Wärmeaustausch-Kanalelementwand von extrem geringer Stärke angelegt werden, wobei dieses Ende ein Teilsegment eines ausgedehnten Umfanges bildet, der um eine Fluideinlaß- oder -auslaßstirnseite einer dichtgepackten Stapelfolge von Kanalelementen herumreicht.

Diese Feststellung ist von besonderer Bedeutung mit Bezug auf den bekannten Einsatz von Bauteilen, wie elastomeren oder nachgiebigen Werkstoffen in Form von Dichtungs.teilen, als Abdichtungsmittel. Wurden bisher Dichtungen zwecks Herstellung von fluiddichten Verbindungen verwendet, war die Dichtung charakteristischerweise zwischen Verbindungsflächen angeordnet, die eine vergleichsweise große Flächenausdehnung hatten und die dann zusammengeschraubt oder in anderer Weise miteinander verbunden wurden, um die Dichtung als Abdichtmittel im Bereich dieser ausgedehnten Oberflächenzonen wirken zu lassen. Dieses Vorgehen beruht darauf, daß zahlreiche bei der

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Herstellung von Dichtungen verwendete Werkstoffe eine plastische Verformung (für gewöhnlich als "Kaltfließen" bezeichnet) erleiden, wenn sie einer konstanten Druckbelastung ausgesetzt werden. Eine derartige Verformung führt zu einer Abnahme der Schraubenspannung, so daß die Anordnung für ein Auslecken von Fluid durch die Dichtungsstelle hindurch anfälliger wird. Dementsprechend ist es üblich, einen vergleichsweise großen unteren Grenzwert für die Flächenausdehnung einer Dichtungsauflagefläche festzusetzen, um die Flächenbelastung des Dichtungsteils kleinstmöglich zu halten und auf diese Weise das Auftreten eines Kaltfließens zu minimieren und die Aufrechterhaltung eines leckdichten Systems zu gewährleisten.

Wie oben diskutiert ist, werden Dichtungsscheiben oder -zwischenlagen herkömmlicherweise benutzt, wenn verhältnismäßig große Oberflächenausdehnungen der zu verbindenden Bauteile vorhanden sind, Im Gegensatz zu diesem herkömmlichen Vorgehen werden erfindungsgemäß die extrem kleinen. Wandendflächenbereiche der Stapelfolge aus Wärmeaustausch-Kanalelementen als Dichtungsauflagefläche herangezogen; unerwarteterweise geht dabei die Abdichtfähigkeit selbst nach ausgedehnten Betriebszeiten .nicht verloren. Als Beispiel für die geringe Größe der mit einer Dichtungsscheibe zu versehenden Oberflächenbereiche, die im Rahmen der Erfindung benutzt werden kann, sei hervorgehoben, daß ein in der vorliegend beschriebenen Weise aufgebauter Wärmeaustauscher mit Kanalelement-

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wänden von 0,2 mm Stärke, der sich als Kraftfahrzeugkühler eignet, eine Umfangswandendflache für die Herstellung einer

2 Abdichtung mittels Dichtscheibe von nur 3,2 cm haben kann.

Die Gründe dafür, daß derart kleine Oberflächenbereiche als Dichtflächen herangezogen werden können, ohne daß die Verbindung unter dem oben erläuterten Kaltfließen oder anderen Relaxationserscheinungen des Dichtungsteils leidet, sind nicht völlig geklärt, dürften jedoch mit den besonderen baulichen Eigenschaften der Einlaß- und Auslaßstirnseiten der erfindungsgemäß aufgebauten Stapelfolge verbunden sein. Diese Stirnseiten stellen einen zusammenhängenden ausgedehnten Umfang dar, der von Wandendsegmenten der gestapelten Kanalelemente gebildet wird und, wie im folgenden noch näher erläutert ist, einen hohen Auflagedruck je Flächeneinheit der Dichtungsoberfläche ausüben kann. Weil die einander benachbarten Kanalelemente der Folge mit ihren flachen Seitenwand-Endabschnittsteilen Wand an Wand aneinanderliegend gestapelt sind, bilden die Endabschnitte der Stapelfolge jeweils ein mechanisch starres Gefüge mit einer Stirnseite, die durch die zahlreichen querverlaufenden Seitenwände der Kanalelemente verstrebt ist. Ein derartiges starres Gefüge besitzt eine relativ hohe mechanische Festigkeit. Es ist beispielsweise in der Lage, Biege- und Vibrationskräfte wirksam zu adsorbieren, die während der Benutzung der Wärmeaustauscheranordnung auftreten. Die Kombination dieser Merkmale kann ein Grund für das unerwartet wirkungsvolle Betriebsverhalten

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von im Rahmen der Erfindung als Dichtmittel eingesetzten Dichtungslagen sein. Es ist jedoch keine Einschränkung auf eine diesem Betriebsverhalten zugrunde liegende bestimmte Theorie beabsichtigt.

Die erfindungsgemäß aufgebaute Wärmeaustauscheranordnung stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber bekannten dünnwandigen Wärmeaustauschern dar, bei denen eine zwangsweise leckdichte Abdichtung von zahlreichen diskreten, kleinen Verbindungsstellen zwischen dem Wärmeaustauscherkern und dem Sammler erforderlich ist. Weil die Einlaß- und Auslaßstirnseiten der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscheranordnung jeweils eine einzige, ausgedehnte Umfangsverbindungsflache bilden, ist die Fertigung der Anordnung vergleichsweise einfacher und weniger zeitraubend und kostspielig als bei den bekannten Wärmeaustauscherkonstruktionen mit dünnwandigen Kanalelementen ·

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Wärmeaustauscheranordnung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung mit einem einteiligen Sammlertank,

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Fig. 2 eine Seitenansicht der Wärmeaustauscher-Sammleranordnung entsprechend der Linie A-A der Fig. 1 in fertig montiertem Zustand,

Fig. 3 einen Aufriß eines Wärmeaustauschers der in

Fig. 1 dargestellten Art in fertig montiertem Zustand,

Fig. 4 einen Querschnitt der Wärmeaustauscheranordnung nach Fig. 3 entlang der Linie B-B der Fig. 3,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Mantel- und Rohrwärmeaustauscher entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 in größerem Maßstab einen Teillängsschnitt der Wärmeaustauscheranordnung nach Fig. 5, der Einzelheiten des Sammlers erkennen läßt,

Fig. 7 einen Querschnitt durch die Sammleranordnuhg nach Fig. 6 entlang der Linie C-C,

Fig. 8 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Wärmeaustauscheranordnung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der der Flanschteil des Sammlertanks mit der Rippenanordnung der Kanalelement-

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Stapelfolge verbunden ist,

Fig. 9 im Schnitt eine Seitenansicht eines Teils der Wärmeaustauscher-Sammleranordnung nach Fig. 8 in fertig montiertem Zustand, entlang der Linie D-D₁

Fig. 10 im Aufriß eine weitere Schnittansicht eines Teils der Wärmeaustauscher-Sammleranordnung gemäß Fig. 8 in fertig montiertem Zustand,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Wärmeaustausch-Kanalelements, das sich vorliegend besonders gut eignet,

Fig. 12 einen Aufriß eines Teils einer Wärmeaustauscheranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer an Ort und Stelle ausgebildeten nachgiebigen Dichtung,

Fig. 13 einen Aufriß einer zur Prüfung von verschiedenen nachgiebigen Dichtungen verwendeten Einrichtung,

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht einer Kanalelement-Stapelfolge, wie sie in der Prüfeinrichtung gemäß Fig. 13 verwendet wird, und

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Fig. 15 eine graphische Darstellung der für ein

fluiddichtes Abdichten erforderlichen prozentualen Kompression der nachgiebigen Dichtung, aufgetragen als Funktion des Innenfluiddruckes des Wärmeaustauschers für eine Stapelfolge der in Fig. 14 veranschaulichten Art mit unterschiedlichen nachgiebigen Dichtungen.

In Fig. 1 ist eine auseinandergezogene Teilansicht einer Wärmeaustauscheranordnung dargestellt, die einen einheitlich aufgebauten Sammlertank aufweist. Die Wärmeaustauscheranordnung ist mit einer gestapelten Folge 1 von Kanalelementen versehen. Jedes der Kanalelemente ist mittels einer druckaufnehmenden Wand 12 begrenzt, deren Stärke zwischen 0,2 mm und O,3 mm liegt. Die Kanalelemente weisen offene Enden 3 für den Eintritt oder Austritt des ersten Fluids auf, das durch die Kanalelemente hindurchgeleitet wird. Die Kanalelemente sind jeweils mit Endabschnitten 4 ausgestattet, deren Querschnitt von flachen Seitenwandteilen 5 und Endwandteilen 6 begrenzt ist. Benachbarte Kanalelemente der Folge sind, wie veranschaulicht, so zusammengestapelt, daß sie mit ihren flachen Seitenwandteilen bei 7 Wand an Wand aneinanderliegen, während ihre Endwandteile miteinander ausgerichtet sind, um an dem Ende der Folge eine Stirnseite 8 zu bilden, wo das durch die Kanalelemente hindurchgeführte erste Fluid entweder ein- oder austritt. Der Umfang dieser Stirnseite wird

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von den Enden 9 der Randwandteile der gestapelten Kanalelemente und den Enden 10 der äußersten Kanalelemente'11 der Folge begrenzt.

jedes der vorstehend erläuterten Kanalelemente weist eine Mehrzahl von gleichförmig angeordneten, nach außen gerichteten Vorsprüngen 13 auf, die von einem Teil der druckaufnehmenden Wand im Inneren der Folge gebildet werden. Diese Vorsprünge sind an ihren Enden derart mit lasttragenden Segmenten 14 versehen, daß die einander zugekehrten Wände von benachbarten Kanalelementen einander gegenseitig abstützend zusammenpassen. Auf diese Weise wird die auf jede Kanalelementwand einwirkende Druckkraft auf die zugekehrte Wand des benachbarten Kanalelements übertragen. Die an der Oberfläche der Kanalelemente sitzenden Vorsprünge sind vorzugsweise in der aus der US-PS 3 757 856 bekannten Weise ausgebildet, wobei zwischen den lasttragenden Segmenten und um diese herum eine mit einer Isospannungskontur versehene Wandfläche erhalten wird, die stetig gekrümmt ist und keine örtlichen mechanischen Belastungen erfährt.

Die veranschaulichte Wärmeaustauscheranordnung weist ferner eine mechanische Abstützung 15 auf. Diese mechanische Abstützung hat eine im wesentlichen ebene Oberfläche, die sich gegen den Endabschnitt der äußersten Kanalwand anlegt und mit dieser, beispielsweise durch eine Klebung, zweckmäßigerweise verbunden ist. Die mechanische Abstützung 15 dient der

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Versteifung der Endabschnitte der äußersten Kanalelemente, wodurch die mechanische Festigkeit der Stapelfolge erhöht

wi rd.

Der Sammler der Anordnung nach Fig. 1 ist mit einer vorgefertigten nachgiebigen Dichtscheibe oder Dichtung 16 ausgestattet, die beispielsweise aus Silikonkautschuk besteht. Die nachgiebige Dichtung sollte aus einem Werkstoff gefertigt sein, der einen Shore-A-Härtewert (bestimmt entsprechend ASTM Test Nr. D-224O) zwischen 5 und 1CXD, vorzugsweise zwischen 20 und 70, hat. Der Härtewert stellt "ein Maß für die Härte oder Kompressibilität eines Werkstoffes dar. Dichtungswerkstoffe mit Härtewerten in den vorstehend genannten Bereichen erwiesen sich als besonders geeignet, um in der vorliegend erörterten Weise für fluiddicht abgedichtete Verbindungsstellen zu sorgen. Bei allen im folgenden genannten Härtewerten handelt es sich um die Shore-A-Härte. Die nachgiebige Dichtung hat im nichtzusammengedrückten Zustand vorzugsweise eine Dicke (gemessen in der vom Ende der Kanalelement-Stapelfolge nach außen führenden Richtung, im wesentlichen parallel zu der Längsachse L der Kanalelemente) zwischen O,79 mm und 12,7 mm sowie eine Breite W im nichtzusammengedrückten Zustand (gemessen quer zu der nach außen führenden Richtung) von mindestens 4,8 mm. Der Grund für diese Abmessungen ist weiter unten näher erläutert.

Bei der gestapelten Folge 1 ist die nachgiebige Dichtung 16

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vorzugsweise um den Umfang der Stirnseite 8 herum- und gegen deren Wandteile angelegt, wobei sie die den Umfang begrenzenden Enden 9 der Randwandteile und Enden 10 der Seitenwandtei-Ie übergreift. Es ist ein Sammlertank 17 vorgesehen, der ein Tankgehäuseteil 25 von U-förmigem Querschnitt aufweist, das einen offenen Tankkanal 18 begrenzt, der mit der Stirnseite 8 "der Stapelfolge in Verbindung steht und diese umschließt. Zu dem Sammlertank 17 gehört ferner ein strukturell integraler Flanschteil 20, der von der Stapelfolge nach außen steht. Der veranschaulichte Sammlertank stellt ein einteiliges Gebilde dar, das aus einem einzigen Blech oder einer einzelnen Folie, beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff, gestanzt oder geformt sein kann. Es versteht sich, daß der Tankgehäuseteil '25 und der Flanschteil 20 vor der Endmontage des Sammlertanks auch gesondert einzeln hergestellt werden können. Unabhängig von der im einzelnen gewählten Fertigungsweise bildet der Flanschteil einen strukturell integralen Bestandteil des Sammlertanks.

Bei der veranschaulichten Anordnung bildet das innenliegende Segment des Flanschteils 20 benachbart den lotrechten Wänden des Tankgehäuseteils 25 eine Wandfläche 19, die sich gegen die Dichtung 16 anlegt. Bei der fertig montierten Anordnung sind zweckentsprechende (der Deutlichkeit halber in Figur 1 nicht dargestellte) Verbindungsglieder vorgesehen, die den Flanschteil über darin ausgebildete Öffnungen 21 mit einem anderen mechanisch starren Teil der Wärmeaustauscheran-

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Ordnung verbinden, so daß sich die Wandfläche 19 des Sammlertanks zwecks Herstellung einer fluiddichten Abdichtung zwischen dem Sammlertank und der gestapelten Folge unter Druckausübung gegen die Dichtung 16 anlegt. Auf Grund des von der Wandfläche 19 ausgeübten Druckes kommt die nachgiebige Dichtung in dichten Eingriff mit den Wandteilenden 9 und 10 des Umfanges der Stirnseite 8. Sie wird in zusammengedrücktem Zustand zwischen den Wandteilenden und der Wandfläche 19 gehalten, um für eine dichte Verbindung zwischen dem Sammler und der Stapelfolge zu sorgen.

Erfindungsgemäß sind die Kanalelemente in der Wärmeaustauscheranordnung von wärmeleitenden druckaufnehmenden Wänden begrenzt, die zwischen 0,076 mm und 3,8 mm dick sind. Eine Wandstärke von weniger als 0,076 mm ist für die Kanalelemente in der Regel unzureichend, weil bei derart geringen Materialstärken die Gefahr besteht, daß sich während der Herstellung oder dem Gebrauch lokalisierte Fehler in dem verwendeten Werkstoff einstellen. Wanddicken von mehr als 3,8 mm sind vorliegend ungeeignet, weil die Wärmeübertragungsleistung der Kanalelemente, bezogen auf das Werkstoffgewicht, mit zunehmender Wandstärke sinkt. Um daher den Wirkungsgrad des Wärmeaustausch^ zu maximieren, sind die Kanalelementwände charakteristischerweise so bemessen, daß für eine an den Kanalelementwänden anliegende vorgegebene Differenz der Drücke zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid (inneres und äußeres Fluid) eine minimale Wandstärke vorgesehen wird. Bei

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Wanddicken von mehr als 3,8 mm wird die zugehörige Druckdifferenz an den Kanalelementwänden und damit auch an der Ver- · bindungssteile von Sammler und Stapelfolge so groß, daß das entsprechende Maß des Zusammendrückens der Dichtung, das für ein fluiddichtes Abdichten erforderlich ist, leicht den Wert übersteigt, der von den dünnwandigen Kanalelementen einwandfrei aufgenommen werden kann, ohne daß es zu Ausbiegungen oder Verformungen kommt. Unter diesen Umständen wird vorzugsweise mit Kanalelement-Wandstärken im Bereich von 0,076 mm bis 0,51 mm gearbeitet.

Fig. 2 zeigt einen Aufriß der Wärmeaustauscher-Sammleranordnung der Fig. 1 entlang der Linie A-A in fertig montiertem Zustand, wobei an dem Flanschteil 20 zweckentsprechende Ver-. bindungsglieder angebracht sind. Wie dargestellt, liegen die druckaufnehmenden Wände 12 benachbarter Kanalelemente 2 im Inneren der Stapelfolge in Abstand voneinander, so daß ein zweites Fluid in den Räumen 23 zwischen den Kanalelementen durch die Stapelfolge hindurchgeleitet werden kann, wobei das zweite Fluid in Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid steht, das durch die Kanalelemente hindurchströmt. Die nachgiebige Dichtung 16 ist zwischen den am Umfang liegenden Wandteilenden der Kanalelemente und der Wandfläche 19 des Flanschteils 20 eingespannt. In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, den Grad der Zusammenpressung der Dichtung, der für ein fluiddichtes Abdichten erforderlich ist, dadurch herabzusetzen, daß die Dichtung mit der Wandfläche 19 des Flanschteils

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20 oder zusätzlich mit den am Umfang liegenden Wandteilenden der Einlaß- oder Auslaßstirnseite für das erste Fluid verklebt wird. Die mechanische Abstützung 15 liegt an dem flachen Seitenwandteil am Endabschnitt des äußersten Kanalelements 11 der Stapelfolge an. Eine Zugstangenanordnung verbindet den Flanschteil 2O und einen weiteren mechanisch starren Teil der Wärmeaustauscheranordnung und bewirkt dadurch, daß sich die Wandfläche des Sammlertanks unter Druckausübung gegen die nachgiebige Dichtung anlegt.

Fig. 3 zeigt einen Aufriß eines Wärmeaustauschers der in Fig. 1 veranschaulichten Art in fertig montiertem Zustand. Die Anordnung gemäß Fig. 3 ist so aufgebaut und ausgelegt, daß das zweite (externe) Fluid in den Räumen 23 in einer zur Längsachse L der Kanalelemente senkrechten Richtung durch die Stapelfolge hindurchströmt. Benachbarte Kanalelemente der Folge sind derart zusammengestapelt, daß sie mit den flachen Seitenwandteilen ihrer Endabschnitte Wand an Wand aneinanderliegen, wie dies bei 7 angedeutet ist. Mechanische Abstützungen 15 sind gegen die äußersten Kanalelemente 11 der Stapelfolge angelegt. Nachgiebige Dichtungen 16 befinden sich am Umfang der Stirnseiten für den Einlaß und den Auslaß des ersten Fluids; sie liegen an den Wandteilenden an. Die bei dieser Anordnung vorgesehenen Sammlertanks 17 sind in der in Fig. 1 veranschaulichten Weise ausgebildet. Sie weisen Flanschteile 20 auf und sind mit Einlaß- und Auslaßleitungen 24 für das erste Fluid ausgestattet. Zur Ver-

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bindung der Flanschteile 2O jedes Sammlertanks mit einem weiteren mechanisch starren Teil der Wärmeaustauscheranordnung sind mehrere Zugstangen 22 vorgesehen, die außerhalb der Stapelfolge sitzen und entsprechende Abschnitte des Flanschteils 20 der betreffenden Sammlertanks miteinander verbinden. Der oben definierte mechanisch starre Teil der Wärmeaustauscheranordnung wird dabei für jeden Sammler von dem Flanschteil des anderen Sammlers gebildet.

Ein Querschnitt der Wärmeaustauscheranordnung gemäß Fig. entlang der Linie B-B ist in Fig. 4 veranschaulicht, um Einzelheiten der Sammlerausbildung zu zeigen. Die nachgiebige Dichtung 16 ist um den Umfang der Stapelanordnung zwischen den Wandteilenden der Endabschnitte der Kanalelemente und dem Wandflächenteil des Flanschteils 20 herumgelegt. Die Zugstangenanordnung 22 ist mit dem Flanschteil verbunden. Die seitliche Abstützung 15 liegt an dem flachen Seitenwandteil des äußersten Kanalelements an, das seinerseits bei 7 in Wandzu-Wand-Kontakt mit dem benachbarten Kanalelement steht.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Wärmeaustauscheranordnung, die als Mantel- und Rohrwärmeaustauscher aufgebaut ist. Es ist ein zylindrischer Mantel 26 mit einem Einlaß 27 für das zweite Fluid sowie einem Auslaß 28 für das zweite Fluid vorgesehen. Der zylindrische Mantel ist an seinen Enden mit Kopfflanschen 30 und 31 ausgestattet, über welche der Mantel am einen Ende

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mit einem Eintrittskopfteil 32 für das erste Fluid sowie am anderen Ende mit einem Austrittskopfteil 35 für das erste Fluid verbunden ist. Das Eintrittskopfteil 32 weist einen Einlaß 33 für das erste Fluid sowie einen Kopfflansch 34 auf, während das Austrittskopfteil 35 mit einem Auslaß 36 für das erste Fluid und einem Kopfflansch 37 versehen ist. Im fertig montierten Zustand können die zusammengehörigen Kopfflanschpaare 30, 34 und 31, 37 über Schrauben oder andere zweckentsprechende Mittel (nicht veranschaulicht) miteinander verbunden sein.

Mehrere gestapelte Folgen 38 von Wärmeaustausch-Kanalelementen 39 sitzen im Inneren des zylindrischen Mantels 26. Jedes dieser Kanalelemente ist von wärmeleitenden, druckaufnehmenden Wänden begrenzt, die beispielsweise 0,5 mm dick sind. Eine Einlaßöffnung für das erste Fluid ist am einen Ende der Kanalelemente vorgesehen, während sich am gegenüberliegenden Ende eine Austrittsöffnung für das erste Fluid befindet. Die Kanalelemente können in ihrem mittleren Bereich im Inneren der Folge einen, kreisförmigen Querschnitt haben, wobei die Wände benachbarter Kanalelemente in Abstand voneinander angeordnet sind, um das zweite Fluid in Axialrichtung durch Räume 4O zwischen den Kanalelementen durch die Folge hindurchströmen zu lassen, wobei das zweite Fluid in Wärmeaustausch mit dem in gleicher Richtung strömenden ersten Fluid kommt.

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Die Endabschnitte 41 der Kanalelemente der betreffenden -Folgen haben einen Querschnitt, der von flachen Seitenwandteilen und Randwandteilen begrenzt wird. Benachbarte Kanalelemente der Folgen sind so zusammengestapelt, daß ihre flachen Seitenwandteile einander Wand an Wand liegend berühren, während die Randwandteile derart miteinander ausgerichtet sind, daß am einen Ende der Folge eine Stirnseite für den Eintritt des ersten Fluids gebildet wird, während am gegenüberliegenden Ende der Folge eine Stirnseite für den Austritt des ersten Fluids entsteht. Jede dieser Stirnseiten hat auf diese Weise einen Umfang, der von Randwandteilenden der gestapelten Kanalelemente sowie von den Seitenwandteilenden der äußersten Kanalelemente der Folge begrenzt wird, wie dies auch bei den zuvor beschriebenen Anordnungen gemäß den Figuren 1 bis 4 der Fall ist.

Der Sammler der Anordnung nach Fig. 5 weist nachgiebige Dichtungen 42 auf, die an den Enden der betreffenden Folgen den Umfang jeder Stirnseite umfassen und an den betreffenden Wandteilenden anliegen. Zu dem Sammlertank gehören kreisförmige, als Platten ausgebildete Wandelemente 43, die in lotrechter Lage an gegenüberliegenden Enden der Folge angeordnet sind und Öffnungen 44 aufweisen, über die eine strömungsmäßige Verbindung zwischen den Kanalelementen der Stapelfolgen und dem Sammelraum 52 des Eintrittssammlers sowie dem Sammelraum 53 des Austrittssammlers hergestellt wird. Bei dieser Anordnung bilden daher die radial außenliegenden Teile der kreisförmigen Wandelemente 43 die strukturell

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integralen Flanschteile, die von der Stapelfolge nach auSen reichen.

Bei der Einrichtung nach Fig. 5 sind zwei unterschiedliche Sammlerbaugruppen vorgesehen. Am Einlaßabschnitt des Wärmeaustauschers für das erste Fluid besteht die Einrichtung zum Verbinden der Flanschteile mit einem weiteren mechanisch starren Teil der Wärmeaustauscheranordnung aus Spannschrauben 46, deren eines Ende durch zweckentsprechende Öffnungen in Ansatzplatten 45 hindurchreicht, die mit der Mantelwand verschweißt sind. Die Spannschrauben' 46 werden mittels Sicherungsmuttern 49 festgelegt. Die anderen Enden 47 der Spannschrauben oder Spannbolzen greifen durch Öffnungen des Wandelements 43 hindurch und werden mittels Spannmuttern 48 gehalten. Durch Anziehen der Muttern 48 werden Wandflächenteile des Wandelements 43 gegen die nachgiebige Dichtung angepreßt, wodurch für eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem Sammelraum 52 des Sammlertanks und der Stapelfolge gesorgt wird. Am Austrittsabschnitt des Wärmeaustauschers für das erste Fluid ist eine ähnliche Konstruktion vorgesehen, mit der Ausnahme, daß Spannschrauben 51 in Ansatzplatten 50 eingeschraubt sind. Durch Anziehen der Spannschrauben werden Wandflächenteile des betreffenden Wandelements 43 gegen die nachgiebige Dichtung 42 angedrückt.

Fig. 6 zeigt in größerem Maßstab einen Teilschnitt des Einlaßabschnittes für die erste Flüssigkeit im Falle der Wärme-

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austauscheranordnung nach Fig. 5. Dabei sind Einzelheiten der Sammlerausbildung deutlicher zu erkennen. Wie veranschaulicht, sitzt die nachgiebige Dichtung 42 um den Umfang der Einlaßstirnseite der Stapelfolge herum, wobei diese Stirnseite zum Teil von den Enden 55 der Randwandteile der Kanalelemente gebildet wird. Für eine leckdichte Abdichtung zwischen den Rändern der kreisförmigen Wandelemente 43 und der benachbarten Innenfläche des zylindrischen Mantels 26 kann eine O-Ringdichtung 56 vorgesehen sein, die in einer Nut am Rand des betreffenden Wandelements sitzt. Die Sammlerausbildung gemäß den Figuren 5 bis 6 ist im Betrieb insofern besonders flexibel, als das Maß der für ein flüssigkeitsdichtes Abdichten erforderlichen Dichtungskompression leicht variiert werden kann, indem die Muttern 48 an den Enden 47 der Spannschrauben 46 gelöst oder angezogen werden, um auf diese Weise für eine Anpassung an den jeweiligen Arbeitsdruck zu sorgen.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt der Sammlerausbildung gemäß Fig. 6 entlang der Linie C-C. Wie veranschaulicht, befinden sich im Innenraum des zylindrischen Mantels 26 vier Stapelfolgen. Die Kanalelemente der Folgen sind so zusammengestapelt, daß sie mit ihren flachen Seitenwandteilen, beispielsweise 58 und 59, Wand an Wand aneinanderliegen, wobei die einzelnen Kanalelemente in Längsrichtung verlaufende Durchlässe 57 für die erste Flüssigkeit bilden. Die Öffnungen 44 in den Wandelementen 43 sorgen für eine strömungs-

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mäßige Verbindung zwischen den Kanalelementen der Stapelfolgen und dem Einlaßsammeiraum. Die Dichtungen 42 dienen dem Abdichten der Verbindungsstellen zwischen dem Sammler und den Stapelfolgen.

In Fig. 8 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Wärmeaustauscheranordnung entsprechend einer weiteren Ausführungsform dargestellt, bei welcher der Flanschteil des Sammlertanks mit einer Rippengruppe der Stapelfolge der Kanalelemente verbunden ist. Im Falle dieser Ausführungsform sind die Stapelfolge 60 und die vorgefertigte nachgiebige Dichtung 64 in der gleichen Weise aufgebaut und ausgebildet, wie dies in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 1 erläutert ist, mit der Ausnahme, daß mit den Randwandteilen der Kanalelemente sekundäre Oberflächenwärmeübergangsrippen 51 verbunden sind, die von dort aus im wesentlichen nach außen gerichtet sind. Diese Sekundäroberflächenrippen können zwecks weiterer Steigerung des Wärmeübergangs auf der Rippenoberfläche zweckmäßig mit jalousieartigen Verformungen 62 versehen sein.

Bei dieser Ausbildung weisen die sekundären Oberflächenwärmeübergangsrippen jeweils eine Rippe 63 in der Rippenfläche auf, die von der äußeren Rippenkante nach innen in Richtung auf das damit verbundene Kanalelement reicht. Die Kerben der betreffenden Rippen sind mit Bezug auf die Längsachse L der Kanalelemente in Querrichtung ausgerichtet, und zwar

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vorzugsweise in einer zu der Längsachse im wesentlichen senkrechten Ebene. Der Sammlertank weist bei dieser Ausführungsform einen inneren Tankteil 67 auf, der mit einem strukturell integralen Flanschsegment 70 sowie mit mehreren in Abstand voneinander liegenden Öffnungen 69 versehen ist, die mit den offenen Enden der Kanalelemente in der Stapelfolge 6O in Verbindung stehen, um für eine gleichförmige Verteilung des ersten Fluids zu sorgen. Der Abschnitt des inneren Tankteils, der benachbart den Öffnungen 69 liegt und diese umgibt, bildet eine Wandfläche 68, die sich gegen die nachgiebige Dichtung abstützt. Zu dem Sammlertank gehört ferner ein äußerer Tankteil 71 mit einer Einlaß- oder Auslaßleitung 73 sowie mit einem strukturell integralen Flanschsegment 72. Bei dieser Ausführungsform sitzt der äußere Tankteil 71 in der in den Figuren 9 und 10 veranschaulichten Weise über dem inneren Tankteil 67, wobei beide gemeinsam das strukturell integrale Flanschteil bilden, das aus den Flanschsegmenten 70 und 72 besteht. Die sich überlappenden Abschnitte der lotrecht verlaufenden Wände der Tankteile reichen auf diese Weise in der gezeigten Art nach unten und über den zugeordneten Endabschnitt der Stapelfolge hinweg. Entsprechend Fi-. gur 9, wo ein Längsschnitt entlang der Linie D-D der Fig. 8 veranschaulicht ist, übergreift der untere Abschnitt der lotrecht verlaufenden Wand des inneren Tankteils 67 die mechanische Abstützung 29, die ihrerseits an dem flachen Seitenwandteil des äuße-rsten Kanalelements 74 der Stapelfolge 60' anliegt. Wie aus Fig. 10, einem weiteren Längsschnitt

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eines Teils der montierten Wärmeaustauscher-Sammleranordnung gemäß Fig. 8, hervorgeht, gehört zu dem unteren Abschnitt der lotrecht verlaufenden Wand des inneren Tankteils 67 auch ein Teil, der über die Außenkanten der Rippen 61 am betreffenden Endabschnitt der Stapelfolge geschoben ist und sich gegen diese Kanten anlegt. Bei der AusfUhrungsform gemäß den Fig. 8 bis 10 besteht die Anordnung zum Verbinden des von den Segmenten 70 und 72 gebildeten Flanschteils mit einem weiteren mechanisch starren Teil der Wärmeaustauscheranordnung aus einer in Querrichtung verlaufenden Platte 65. Diese Platte ist so angeordnet, daß sie nach innen in die Kerben 63 der Rippen 61 hineinreicht und nach außen über die Außenkanten der Rippen vorsteht. Die Platte 65 ist mit dem zusammengesetzten Flanschteil in der Weise verbunden, daß ein äußeres Endsegment 66 um ein außenliegendes Endsegment des Flanschteils 70, 72 herumgebördelt ist, so daß die Wandfläche 68 des Sammlertanks unter Druckausübung an der nachgiebigen Dichtung 64 anliegt und für eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem Sammlertank und der Stapelfolge gesorgt wird. Entsprechend einer abgewandelten Ausbildung kann die Platte 65 mit dem Flanschteil 70,72 auch auf zweckentsprechende Weise verschraubt oder in anderer Weise verbunden sein, um die erforderliche Druckkraft auf die Dichtung 64 auszuüben. In einem solchen Falle ist das umgebördelte äußere Endsegment 66 der Platte 65 nicht notwendig. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 8 bis 10 wird der weitere mechanisch starre Teil der Wärmeaustauscheranordnung von dem

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zugeordneten Endabschnitt der Stapelfolge gebildet.

Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Wärmeaustausch-Kanalelements, wie es vorliegend mit Vorteil anwendbar ist. Das Kanalelement 75 ist mit sekundären Oberflächenwärmeübergangsrippen 77 und 79 versehen, die mit den betreffenden Randwandteilen des Kanalelements verbunden sind und von diesen im wesentlichen nach außen verlaufen. Jede der Rippen ist mit jalousieartigen Verformungen ausgestattet, die vorzugsweise in der aus der US-PS 3 845 814 bekannten Weise ausgebildet sind. Das Kanalelement weist mit Isospannungskonturen versehene Wandflächen 76 auf, die mit gleichförmig angeordneten,nach außen reichenden Wandvorsprüngen 81 versehen sind, an deren Enden sich lasttragende Segmente 82 befinden. Mit K ist die Längsabmessung des Kanalelements bezeichnet; der senkrecht dazu stehende Querschnitt des Kanalelements hat eine große Achse oder Höchstbreite W und eine kleine Achse F. Die Abmessung der kleinen Achse F stellt keinen unmittelbar meßbaren Wert dar, sondern wird dadurch bestimmt, daß das gemessene Volumen des Kanalelements durch die Größe (K χ W) dividiert wird, wobei die Werte von K und W unmittelbar gemessen werden. In der aus der US-PS 3 845 814 bekannten Weise liegt die Breite der betreffenden Rippen 77 und 79 zwischen 2,5 mm und 15 mm. Jede Rippe ist mit einer Mehrzahl von Schlitzen.versehen, die eine jalousieartige Gesamtanordnung entstehen lassen. Die einander benachbarten Stege 83 werden dabei durch schlitzförmige Öffnungen

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mit dem Rippenwinkel £~ zwischen O und 60 voneinander getrennt, wobei g~ der Winkel ist, den die Rippenebene und eine Ebene bilden, in welcher die der Höchstbreite W entsprechende Linie und die die Längsabmessung K vorgebende Linie des Kanals liegen. Die Breite der Stege 83 beträgt zwischen 0,5 mm und 2,5 mm. Der Stegwinkel β liegt zwischen 15° und 90°, wobei /3 der Winkel ist, den die Rippenebene und die Stegebene miteinander bilden.Schließlich beträgt der Schlitzwinkel ot zwischen der der Längsabmessung K des Kanals entsprechenden Linie und der Längsachse der Schlitze zwischen O und 180 . Eine solche geometrische Ausgestaltung der sekundären Oberflächenwärmeübergangsrippen wird bevorzugt dann vorgesehen, wenn Wärmeaustauscheranordnungen der vorliegend erläuterten Art als Kraftfahrzeugkühler und -heizeinrichtungen eingesetzt werden sollen.

Fig. 12 zeigt einen Aufriß eines Teils einer Wärmeaustauscheranordnung entsprechend einer weiter abgewandelten Ausführungsform, bei der eine an Ort und Stelle ausgebildete nachgiebige Dichtung vorgesehen ist. Die Dichtung kann dabei in situ entweder aus einem Einkomponentenkleber oder einem Zweikomponentenkleber gebildet werden, beispielsweise einem RTV-732-Siliconkleber (Einkomponentenkleber) oder einem XCF3-7O24-Siliconkleber (Zweikomponentenkleber}, wobei es sich in beiden Fällen um Produkte der Dow Corning Corporation, Midland, Michigan, handelt. Bei der Fertigung der eine Stapelfolge 84 umfassenden Anordnung wird eine Kleb-

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stoffraupe auf die Wandteilenden der Kanalelemente aufgebracht, die den Umfang der Einlaß- oder Auslaßstirnseite fur das erste Fluid bilden. Der Sammlertank 87 und die Stapel folge v/erden dann zusammengeführt und derart miteinander in Berührung gebracht, daß die Klebstoff raupe eine kohärente Klebstoffmasse 86 bildet, die den Sammlertank und die Stapelfolge miteinander verbindet. Diese Klebstoffmasse wird in situ ausgehörtet, um die nachgiebige Dichtung entstehen zu lassen. Nachdem der Kleber vollständig ausgehärtet ist, können die zweckentsprechenden Verbindungsglieder (nicht veranschaulicht) mit dem Flanschteil 85 und einem weiteren mechanisch starren Teil der Wärmeaustauscheranordnung verbunden werden, so daß sich der Wandflächenteil des Sammlertanks zwecks Herstellung einer fluiddichten Abdichtung zwischen dem Sammlertank und der gestapelten Folge unter Druckausübung gegen die Dichtung 86 anlegt.

Fig. 13 zeigt einen Aufriß einer Vorrichtung zum PrUfen von verschiedenen Arten von nachgiebigen Dichtungen, wie sie vorliegend vorzugsweise benutzt werden können. Diese Vorrichtung wurde insbesondere eingesetzt, um das Verhältnis zwischen dem Innendruck in einer erfindungsgemäß aufgebauten Wärmeaustauscheranordnung und dem Maß der Kompression der Dichtung zu ermitteln, das erforderlich ist, um für eine fluiddichte Abdichtung zu sorgen.

Der in der Vorrichtung gemäß Fig. 13 benutzte Wärmeaustau-

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scher-Testabschnitt 98 bestand aus einer gestapelten Folge von Kanalelementen 88, die jeweils mit sekundären Oberflächenwärmeübergangsrippen 89 versehen waren. Die Rippen 89 waren jeweils mit der Randwand der Kanalelemente 88 verbunden und erstreckten sich von dieser im wesentlichen nach außen. Die in Fig. 14 in perspektivischer Darstellung näher veranschaulichte Stapelfolge des Testabschnittes wurde von zehn Aluminium-Kanalelementen gebildet, die im wesentlichen in der in Fig. 11 veranschaulichten Weise aufgebaut waren und eine Längsabmessung K von 51 mm, eine Höchstbreite W von 22,2 mm,eine kleine Achse F von 3 mm und eine Wandstärke von O,2 mm hatten. Die Kanalelemente waren mit einer Isospannungsoberfläche ausgestattet. Es war eine Mehrzahl von gleichförmig angeordneten, nach außen reichenden Vorsprüngen 96 vorhanden, die von einem Teil jeder Wandfläche gebildet wurden und an ihren Enden lasttragende Segmente hatten, so daß die einander zugekehrten Wände von benachbarten Kanalelementen im Inneren der Folge unter gegenseitiger Abstützung zusammenpaßten. Jedes Kanalelement hatte einen Endabschnitt mit einem Querschnitt, der von flachen Seitenwandteilen 99 und Randwandteilen 1OO begrenzt wurde. Die benachbarten Kanalelemente der Folge wurden so zusammengestapelt, daß ihre flachen Seitenwandteile einander Wand an Wand liegend berührten, wobei die Wände mittels eines Epoxidklebers miteinander verklebt und die dünnen Randwandteile derart ausgerichtet waren, daß am einen Ende der Folge eine offene Stirnseite gebildet wurde. Diese am offenen Ende

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vorhandene Stirnseite hatte einen Umfang von 123 mm, der von den Enden 101 der Randwandteile der gestapelten Kanalelemente und den Enden 102 der Seitenwandteile der äußersten Kanalelemente der Folge gebildet wurde. Das andere Ende der Stapelfolge wurde fluiddicht verschlossen, indem die Stapelfolge mit einer Auflageplatte 90 verklebt wurde.

Der Testabschnitt 98 wurde in die Prüfvorrichtung derart eingelegt, daß der Umfang der offenen Stirnseite auf einer Prüfdichtung 92 aufsaß, die ihrerseits auf einer Plattform 93 angeordnet war. Die Plattform 93 war auf einem Kraftmeßsensor 94 einer zweckentsprechenden (nicht veranschaulichten) Kraftmeßeinrichtung abgestützt. Eine- Fluidleitung 95 war in der veranschaulichten Weise vorgesehen, wobei ein Auslaßabschnitt der Leitung durch eine Öffnung der Plattform 93 hindurchführte und im Innenraum des Stapelfolgen-Testabschnitts 98 endete. Über der Auflageplatte 9O war eine Meßuhr 91 montiert, um die lotrechte Verstellung der Auflageplatte 90 zu messen.

Während der Durchführung des Versuchs wurde der untere Teil der Versuchsanordnung, einschließlich des mit der Dichtung ausgestatteten Endes des Stapel folgen-Testabschmt tos , in Wasser eingetaucht. Der Stapelfolgen-Testabschnitt wurde dann mit Luft unter Druck gesetzt, die über die Fluidleitung 95 mit erhöhtem Druck eingeleitet wurde. Der Druck wurde auf einen ersten Druck P₁ gesteigert, bei dem an der mit

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der Dichtung versehenen Verbindungsstelle Blasen austraten. Sodann wurde eine Kraft F auf die Auflageplatte 9O aufgebracht und bis zu dem Wert F₁ gesteigert, bei dem eine ausreichende Zusammenpressung erzielt wurde, um die mit Dichtung versehene Verbindungsstelle fluiddicht abzudichten, das heißt für ein Unterbinden des Austritts von Gasblasen zu sorgen. Ablesungen an der Meßuhr 91, die anfänglich und bei der Erzielung einer fluiddichten Abdichtung aufgezeichnet wurden, erlaubten es, die Zusammenpressung der Dichtung zu berechnen, die für ein fluiddichtes Abdichten erforderlich war. Der Versuch wurde anschließend bei verschiedenen Werten des Druckes P₁ wiederholt, um entsprechende Werte für die erforderliche Dichtungszusammenpressung zu erhalten. Aus diesen Daten kann die Kraft F , die auf die Dichtung ausgeübt werden muß, um ein fluiddichtes Abdichten bei dem Wärmeaustauscher-Fluidinnendruck P₁ und Atmosphärendruck zu gewährleisten, leicht errechnet werden als

F₀ = F₁ - (P₁ χ A₁ )

wobei F₁ der gemessene Kraftmeßwert an der Stelle der fluiddichten Abdichtung und A₁ die Fläche der Plattformoberfläche innerhalb des Umfangs der Stapelfolge sind.

Die vorstehend erläuterten Versuchsvorgänge und Berechnungen wurden für verschiedene nachgiebige Dichtungen durchgeführt, die in der folgenden Tabelle I angegeben sind.

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TABELLE I

Eigenschaften von verschiedenen untersuchten nachgiebigen Dichtungen

Bezugszeichen Werkstoff der nachin Fig. 15 giebigen Dichtung

EPDM-Elastomer

BUNA-N-Elastomer

Silicon-Elastomer

Siliconkleber

Dichtungs aufbau	Dicke	mm	Härte wert²	Art der Ver bindung	I
vorgefertig te Dichtung	3,2	mm	6O	nicht verbun den	ω VO I
vorgefertig te Dichtung	3,2	mm	4O	nicht verbun den
vorgefertig te Dichtung	3,2	mm	25	nicht verbun den
vorgefertig te Dichtung	3,2	mm	25	einfach ver bunden
vorgefertig te Dichtung	3,2	mm	25	doppelt ver bunden
in situ aus gebildete Dichtung	3,1	34	selbst ver bunden

1 gemessen im nichtzusammengedrückten Zustand

2 gemessen entsprechend ASTM Test Nr. 2240

K) CD Cd

Der in der Tabelle I verwendete Begriff "vorgefertigte Dichtung" bezieht sich auf eine Dichtung der in Verbindung mit den Figuren 1 und 8 erläuterten Art, wobei die Dichtung als einteiliges Bauteil in der gewünschten Form und Größe vorliegt. Mit "in situ gebildete Dichtung" wird eine Dichtung der an Hand der Fig. 12 erläuterten Art verstanden; eine solche Dichtung wird während der Fertigung der Wärmeaustauscheranordnung in situ hergestellt. Der Begriff "nicht verbunden" bedeutet, daß die Dichtung weder mit den Wandteilenden der Kanalelemente der Stapelfolge noch mit der Plattform 93 verbunden war. Unter "einfach verbunden" ist zu verstehen, daß die Dichtung mittels eines Einkomponenten-Siliconkautschukklebers mit der Plattform 93 verklebt war. Mit dem Begriff "doppelt verbunden" werden Anordnungen bezeichnet, bei denen die nachgiebige Dichtung sowohl mit" den Wandteilenden der Kanalelemente der Stapelfolge als auch mit der Plattform 93 verklebt war. Der Begriff "selbst verbunden" gilt für die in situ gebildete Dichtung, die eine Adhäsion mit den Wandteilenden der Kanalelemente der Stapelfolge und mit der Plattform 93 während ihrer Ausbildung entwickelt.

Die Ergebnisse der vorstehend geschilderten Versuche sind in Fig. 15 graphisch zusammengestellt, wobei die Kurven für die betreffenden Dichtungen mit den in der Tabelle I angegebenen Bezugszeichen versehen sind. In Fig. 15 ist die prozentuale Zusammenpressung der Dichtung, die für ein fluiddichtes Abdichten erforderlich ist, als Funktion des im Wärmeaustau-

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scher herrschenden Fluidüberdruckes P. aufgetragen. Wie aus der Fig. 15 zu entnehmen ist, erfordern Dichtungen, die aus einem leicht komprimierbaren Werkstoff geringer Härte gefertigt sind, im Vergleich zu härteren Werkstoffen eine starke Zusammenpressung, um eine fluiddichte Abdichtung herbeizufuhren. Beispielsweise war bei einem internen Fluidüberdruck P von 1,O5 kp/cm^ bei einer Siliconelastomerdichtung mit dem Härtewert 25 für ein fluiddichtes Abdichten eine Zusammenpressung von 85 % notwendig, während die Nitril-(Buna-N-)Elastomerdichtung der Härte 40 eine 61 %ige Kompression erforderte und bei dem Äthylen-Propylen-Dienmonomer-(EPDM-)Elastomer der Härte 60 nur eine 40 %ige Kompression vorgesehen werden mußte. Aus Fig. 15 folgt ferner, daß die Klebstoffbindung der Dichtung die Stärke der Kompression wesentlich herabsetzt, die für ein fluiddichtes Abdichten erforderlich ist. Im Vergleich zu der 85 %igen Kompression bei

einem Innenüberdruck P. von 1,05 kp/cm für die nicht verbundene Siliconelastomerdichtung gemäß Kurve 3 machte die einfach verbundene Siliconelastomerdichtung gemäß Fig. 4 nur eine 59,5 %ige Zusammenpressung notwendig, während die doppelt verbundene Siliconelastomerdichtung nach Fig. 5 mit einer 41 %igen Kornpressior auskam. Bei dem gleichen Innendruck P,, von 1,05 kp/cm- war im Falle der in situ gebildeten Siliconkleberdichtung gemäß Kurve 6 nur eine 16 %ige Kompression notwendig. Der zuletzt genannte Kompressionswert für die selbst verbundene, in situ gebildete Dichtung nach Fig. 6 läßt die Vorteile einer umfassenden Verbindung besonders an-

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schaulich erkennen, weil die Dichtung gemäß Kurve 6 nur ungefähr 19 % des Kompressionswertes erfordert, der im Falle der nicht verbundenen Dichtung nach Fig. 3 notwendig ist, um bei einem Innenüberdruck von 1,05 kp/cm für eine fluiddichte Abdichtung zu sorgen. Wie aus Fig. 15 hervorgeht, nähert sich die erforderliche Abdichtungskompression für die nachgiebige Dichtung dem Wert von O %, wenn die P^-Werte dicht bei O liegen. Dessen ungeachtet erwies es sich in der Praxis als günstig, für ein gewisses Zusammenpressen der Dichtung selbst bei Wärmeaustauscheranordnungen zu sorgen, die einen internen Fluiddruck von im' wesentlichen dem Atmosphärendruck (Überdruck O) haben. Damit wird einem Auslekken von Fluid über die Dichtung auf Grund von Oberflächenunebenheiten der Dichtung oder der Verbindungsteile entgegengewirkt. Außerdem ergeben sich daraus Abmessungstoleranzen für den Verbindungsaufbau von Sammler und Stapelfolge, die für eine Fertigung der Wärmeaustauscheranordnung im großen Maßstab günstig sind.

Während der vorstehend erläuterten Versuche zeigte es sich überraschend, daß die Hauptquelle für den Austritt von Blasen während der Zeitspanne, innerhalb deren die auf die Auflageplatte 90 ausgeübte Kraft auf den für ein fluiddichtes Abdichten erforderlichen Wert F. gesteigert wurde, der Bereich zwischen der Dichtung 92 und der Plattform 93 war. Überraschenderweise ergab sich, daß die von den Wandteilenden der dünnwandigen zusammengestapelten Kanalelemente ge-

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bildete Dichtungsauflagefläche, die eine überaus kleine Flächenausdehnung in einer Größenordnung hat, die bei bekannten Konstruktionen mit zur Bildung von fluiddichten Verbindungsstellen benutzten Dichtungen absichtlich vermieden wurde, für die Erzielung einer fluiddichten Abdichtung besser als eine ausgedehnte Oberfläche geeignet ist, wie sie beispielsweise zwischen der Dichtung und der Plattform der Testvorrichtung vorliegt. Das ausgezeichnete Abdichtungsverhalten der mit der Dichtung zusammenwirkenden Wandteilenden der Kanalelemente spiegelt einen hohen Druck je Flächeneinheit der Dichtungsoberfläche wieder, der von den Wandteilenden der Kanalelemente ausgeübt wird.

Es wurde gefunden, daß bei erfindungsgemäß aufgebauten Wärmeaustauscheranordnungen mit Wandstärken in der Größenordnung von 3,8 mm und Dichtungsbreiten von mehr als 9,5 mm der auf der Stapelfolgenseite der Dichtung entwickelte Auflagedruck in der Regel mehr als zweimal so groß wie der Auflagedruck ist, der bei den für ein fluiddichtes Abdichten notwendigen Kompressionswerten der Dichtung auf der Sammlertankseite der Dichtung entwickelt wird. Im Falle von Wandstärken von weniger als 0,5 mm und Dichtungsbreiten von mehr als 4,8 mm ist der auf der Stapelfolgenseite der Dichtung aufgebaute Auflagedruck typischerweise um eine Größenordnung größer als der Auflagedruck, der sich auf der Sammlertankseite der Dichtung ausbildet. Derartige relative Druckwerte sorgen für eine in hohem Maße wirkungsvolle fluiddichte Abdichtung zwischen dem

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Sammlertank und der Stapelfolge. Dabei machen es die höheren Auflagedrücke zwischen der Stapelfolge und der Dichtungsoberfläche möglich, die Dichtung mittels der Stapelfolge sicher an Ort und Stelle zu halten, so daß sie ein hohes Maß an mechanischer Stabilität besitzt.

In dieser Hinsicht ist es nicht günstig, mit Dichtungsbreiten von weniger als 4,8 mm zu arbeiten, weil sich derart schmale Dichtungen unter dem Einfluß von seitlichen Kräften verformen und verlagern können, was zu einem Walken der Dichtung zwischen den betreffenden Auflageflächen führen kann. Im Hinblick auf die mechanische Festigkeit sollten Dichtungen der oben erläuterten Art eine Dicke zwischen O,8 mm und 12,7 mm, vorzugsweise zwischen 1,6 mm und 4,8 mm, haben. Im Falle von Wärmeaustauscheranordnungen mit in situ gebildeten Dichtungen sollte die Dichtungsdicke 6,4 mm, vorzugsweise 3,2 mm, nicht überschreiten, um sicherzustellen, daß die ausgebildete Dichtung einen porenfreien und homogenen Aufbau hat.

Was die Werkstoffeigenschaften der Dichtung anbelangt, läßt Fig. 15 erhebliche Schwankungen hinsichtlich der Dichtungskompression erkennen, die für eine fluiddichte Abdichtung erforderlich ist, und zwar in Abhängigkeit von den Härteoder Kompressibilitätseigenschaften des Dichtungswerkstoffes, gemessen als seine Shore-A-Härte. In der Praxis ist es zweckmäßig, ein Dichtungsmaterial mit einer Härte von weni-

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ger als 1OO zu verwenden, um zu vermeiden, daß übermäßig hohe Kompressionskräfte aufgebracht werden müssen, die für die dünnwandigen Kanalelemente der Stapelfolge ungeeignet sein können. In ahnlicher Weise sollte nicht mit Dichtungswerkstoffen gearbeitet werden, deren Härtewert unter 5 liegt, da die Gefahr besteht, daß solche Werkstoffe abgeschert werden und/oder unter dem Einfluß der Druckkraft zu kriechen beginnen. Vorzugsweise werden daher Dichtungswerkstoffe benutzt, deren Shore-A-Härte zwischen 5 und 100 liegt.

Beispielsweise wurde ein Wärmeaustauscher der in Fig. 8 veranschaulichten Art mit Kanalelementen gemäß Fig. 11 zur Verwendung als Kraftfahrzeugkühler aufgebaut. Als internes erstes Fluid diente eine wäßrige Lösung auf Glykolbasis. Das externe zweite Fluid war Luft. Die Kühleranordnung war 635 mm breit und 464 mm hoch. Sie wies eine Stapelfolge aus 177 Kanalelementen auf, von denen jedes eine große Achse von 21,8 mm und eine kleine Achse von 3,0 mm hatte. Im Inneren der Stapelfolge waren Abstände zwischen benachbarten Kanalelementen von näherungsweise 3,9 mm vorgesehen. Für den Kühler wurden vorgefertigte nachgiebige Dichtungen benutzt, die im nichtzusammengepreßten Zustand 9,5 mm breit und 3,2 mm dick waren und. aus einem Siliconelastomer mit dem Härtewert 25 bestanden.

Die Fertigung der Sammleranordnung für den oben erläuterten Kühler erfolgte entsprechend den untenstehenden Schritten:

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(α) Eine 3,2 mm dicke Siliconkautschukdichtung mit der Härte 25 wurde so zurechtgeschnitten, daß sie den Umfang der Stapelfolge überdeckte.

(b) Beide Seiten der Dichtung wurden mit Hilfe einer Schneide mit einem dünnen Überzug aus einem Zweikomponenten-Siliconkleber XCF3-7O24 versehen·(Der Siliconkleber XCF3-7O24 wird von der Dow Corning Corporation, Midland, Michigan, hergestellt.)

(c) Die Dichtung wurde auf den Umfang der Stapelfolge in der Weise aufgelegt, daß die mit Klebstoff beschichtete Seite der Sammlertankseite der Anordnung zugekehrt war.

(d) Die Sammlertankanordnung wurde auf die Stapelfolge aufgesetzt, wobei ein Verkleben der Dichtung mit dem anliegenden Wandteil des Sammlertanks erfolgt.

(e) Der Keil wurde in Keilnuten der Rippengruppe eingesetzt; der integrale Flanschteil wurde mit diesem Teil derart verbunden, daß sich eine 60 %ige Kompression der Dichtung ergab.

(f) Man ließ eine geeignete Zeitspanne bei erhöhter Temperatur verstreichen, um dem Kleber Gelegenheit zum Aushärten zu geben, bevor die Anordnung den Betriebsbedingungen ausgesetzt wurde.

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Im Anschluß an die vorstehend genannten Fertigungsschritte wurde der montierte Kühler in ein mittelgroßes Kraftfahrzeug (Modell 1975) mit einer V-8-Maschine mit 6000 cm Hubraum eingebaut. Dann erfolgte ein 16000 km langer Straßentest auf Landstraßen und im Stadtverkehr. Das Betriebsverhalten des Kühlers war ausgezeichnet.

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Claims

Ansprüche

1.jWarmeaustauscheranordnung mit einer gestapelten Folge von Wärmeaustausch-Kanalelementen, von denen jedes von wärmeleitenden, druckaufnehmenden, 0,076 mm bis 3,8 mm starken Wänden begrenzt ist und einen sich am einen Ende öffnenden Einlaß für ein erstes Fluid, einen sich am anderen Ende öffnenden Auslaß für das erste Fluid und Endabschnitte aufweist, deren Querschnitt von flachen Seitenwandteilen sowie von Randwandteilen begrenzt ist, wobei einander in der Folge benachbarte Kanalelemente mit ihren flachen Seitenwandteilen Wand an Wand aneinanderliegend gestapelt sind und die Randwandteile der Kanalelemente derart ausgerichtet sind, daß am einen Ende der Folge eine Einlaßstirnseite für das erste Fluid und am anderen Ende der Folge eine Auslaßstirnseite für das erste Fluid gebildet werden, wobei der Umfang jeder dieser Stirnseiten von Randwandteilenden der gestapelten Kanalelemente und Seitenwandteilenden der äußersten Kanalelemente der Folge bestimmt ist und die druckaufnehmenden Wände von benachbarten Kanalelementen im Inneren der Folge derart in Abstand voneinander liegen, daß ein zweites Fluid in dem Raum zwischen den Kanalelementen im Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid durch die Folge hindurchströmen kann, ferner mit einem Eintrittssammler, der zwecks Einleiten des ersten Fluids in die Kanalelemente mit der Einlaßstirnseite für das erste Fluid in Verbindung steht, und mit einem Aus-

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trittssammler, der zum Ableiten des ersten Fluids aus den Kanalelementen mit der Auslaßstirnseite für das erste Fluid in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Sammler eine nachgiebige Dichtung, die um den Umfang der betreffenden Stirnseite herum- und gegen die zugehörigen Wandteilenden angelegt ist, einen die Stirnseite umschließenden Sammlertank mit einem sich gegen die nachgiebige Dichtung anlegenden Wandflächenteil und einem von der gestapelten Folge nach außen reichenden, strukturell integralen Flanschteil sowie eine Verbindungseinrichtung aufweist, die den Flanschteil und einen weiteren mechanisch starren Teil der Wärmeaustauscheranordnung derart miteinander verbindet, daß sich der Wandflächenteil des Sammlertanks zwecks Herstellung einer fluiddichten Abdichtung zwischen dem Sammlertank und der gestapelten Folge unter Druckausübung gegen die nachgiebige Dichtung anlegt.

2. Wärmeaustauscheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere mechanisch starre Teil der Wärmeaustauscheranordnung den zugehörigen Endabschnitt der gestapelten Folge umfaßt.

3. Wärmeaustauscheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung zum Verbinden des Flanschteils und eines weiteren mechanisch starren Teils der Wärmeaustauscheranordnung außerhalb der gestapelten Folge sitzende mechanische Verbindungsglieder aufweist, die

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entsprechende Abschnitte des Flanschteils jedes Sammlertanks miteinander verbinden, wobei der weitere mechanisch starre Teil der Warmeaustauscheranordnung für jeden Sammler von dem Flanschteil des anderen Sammlers gebildet ist.

4. Warmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Fluid in einer zu der Längsachse der Kanalelemente senkrechten Richtung durch die Folge hindurchleitbar ist.

5. Warmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Dichtung eine vorgefertigte Dichtscheibe ist.

6. Warmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Dichtung aus einem Werkstoff mit einer Shore-A-Härte zwischen 5 und 100 besteht.

7. Warmeaustauscheranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Dichtung im nichtzusammengedrückten Zustand eine Dicke zwischen O,79 mm und 12,7 mm hat.

8. Warmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Dichtung im nichtzusammengedrückten Zustand eine Breite

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- 51 von mindestens 4,8 mm hat.

9. Warmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige
Dichtung mit dem Wandflächenteil des Sammlertanks verklebt ist.

10. Wärmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Dichtung mit den Enden der Randwandteile und den Enden der Seitenwandteile am Umfang der Stirnseite verklebt ist.

11. Wärmeaustauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Dichtung eine an Ort und Stelle ausgebildete Dichtung ist.

12. Warmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden, druckaufnehmenden Wände aus Aluminium bestehen.

13. Warmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden, druckaufnehmenden Wände zwischen 0,076 mm und 0,51 mm dick sind.

14. Warmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die druckaufneh-

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menden Wände jedes im Inneren der Folge sitzenden Kanalelements mehrere gleichförmig angeordnete, nach außen gerichtete, von einem Teil der Wandfläche gebildete Vorsprünge aufweisen, die an ihren Enden derart mit lasttragenden Segmenten versehen sind, daß die einander zugekehrten Wände von benachbarten Kanalelementen in tragender
Beziehung miteinander stehen.

15. Wärmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Randwandteilen der Kanalelemente von diesen im wesentlichen nach außen stehende sekundäre Oberflächenwärmeübergangsrippen verbunden sind.

16. Wärmeaustauscheranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundären Oberflächenwärmeübergangsrippen im Bereich der Rippenoberfläche jeweils mit einer Kerbe versehen sind, die von der Rippenaußenkante nach innen in Richtung auf das mit der Rippe verbundene Kanalelement reicht, daß die Kerben der Rippen in Querrichtung mit Bezug auf die Längsachse der Kanalelemente ausgerichtet sind und daß die Verbindungseinrichtung, die

• den Flanschteil und einen weiteren mechanisch starren
Teil der Wärmeaustauscheranordnung miteinander verbindet, eine querverlaufende Platte aufweist, die nach innen in die Kerben der Rippen hinein- und nach außen über die
Rippenaußenkanten hinausreicht und die mit dem Flanschteil- verbunden ist.

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17. Wärmeaustauscheranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben der Rippen in Querrichtung in einer Ebene ausgerichtet sind, die zu den Längsachsen der Kanalelemente im wesentlichen senkrecht steht.

18. Wärmeaustauscheranordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die querverlaufende Platte ein äußeres Endsegment aufweist, das um ein äußeres Endsegment des Flanschteils derart herumgebördelt ist, daß der Wandflächenteil des Sammlertanks unter Druckausübung an der nachgiebigen Dichtung anliegt.

19. Wärmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammlertank· einen inneren Tankteil mit mehreren in Abstand voneinander angeordneten Öffnungen aufweist, die zwecks gleichförmiger Verteilung des ersten Fluids mit den offenen Enden der Kanalelemente der Stapelfolge in Verbindung stehen.

20. Wärmeaustauscheranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Tankteil den sich gegen die nachgiebige Dichtung anlegenden Wandflächenteil aufweist

. Wärmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand an Wand aneinanderliegenden flachen Seitenwandteile der Kanal-

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- 54 elemente miteinander verklebt sind.

22. Warmeaustauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der strukturell integrale Flanschteil des Sammlertanks den an der nachgiebigen Dichtung anliegenden Wandflächenteil bildet.

23. Warmeaustauscheranordnung mit einer gestapelten Folge von Wärmeaustausch-Kanalelementen, von denen jedes von wärmeleitenden, druckaufnehmenden, 0,076 mm bis 3,8 mm starken Wänden begrenzt ist und einen sich am einen Ende öffnenden Einlaß für ein erstes Fluid, einen sich am anderen Ende öffnenden Auslaß für das erste Fluid und Endabschnitte aufweist, deren Querschnitt von flachen Seitenwandteilen sowie von Randwandteilen begrenzt ist, wobei einander in der Folge benachbarte Kanalelemente mit ihren flachen Seitenwandteilen Wand an Wand aneinanderliegend gestapelt sind und die Randwandteile der Kanalelemente derart ausgerichtet sind, daß am einen Ende der Folge eine Einlaßstirnseite für das erste Fluid und am anderen Ende der Folge eine Auslaßstirnseite für das erste Fluid gebildet werden, wobei der Umfang jeder dieser Stirnseiten von Randwandteilenden der gestapelten Kanalelemente und von Seitenwandteilenden der äußersten Kanalelemente der Folge bestimmt ist und die druckaufnehmenden Wände von benachbarten Kanalelementen im Inneren der Folge derart in Abstand voneinander liegen, daß ein zweites Fluid

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in dem Raum zwischen den Kanalelementen im Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid durch die Folge hindurchströmen kann, ferner mit einem Eintrittssammler, der zum Einleiten des ersten Fluids in die Kanalelemente mit der Einlaßstirnseite' für das erste Fluid in Verbindung steht, und mit einem Austrittssammler, der zum Ableiten des ersten Fluids aus den Kanalelementen mit der Auslaßs.tirnseite für das erste Fluid in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler eine nachgiebige Dichtung, die um den Umfang jeder Stirnseite herum- und gegen die zugehörigen Wandteilenden angelegt ist, einen die Stirnseite umschließenden Sammlertank mit einem von der gestapelten Folge nach außen reichenden, strukturell integralen Flanschteil, das mit einem sich gegen die nachgiebige Dichtung anlegenden Wandflächenteil versehen ist, und eine mechanische Verbindungseinrichtung aufweist, die außerhalb der gestapelten Folge sitzt und entsprechende Abschnitte des Flanschteils jedes Sammlertanks derart miteinander verbindet, daß sie zwecks Herstellung einer fluiddichten Abdichtung zwischen dem Sammlertank und der gestapelten Folge unter Druckausübung gegen die nachgiebige Dichtung angepreßt sind.

24. Wärmeaustauscheranordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Dichtung aus einem Werkstoff mit einer Shore-A-Härte zwischen 20 und 70 besteht.

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— 3O —

25. Wärmeaustauscheranordnung mit einer gestapelten Folge von Wärmeaustausch-Kanalelementen, von denen jedes von wärmeleitenden, druckaufnehmenden, 0,076 mm bis 3,8 mm starken Wänden begrenzt ist und einen sich am einen Ende öffnenden Einlaß für ein erstes Fluid, einen sich am anderen Ende öffnenden Auslaß für das erste Fluid und Endabschnitte aufweist, deren Querschnitt von flachen Seitenwandteilen sowie von Randwandteilen begrenzt ist, wobei einander in der Folge benachbarte Kanalelemente mit ihren flachen Seitenwandteilen Wand an Wand aneinanderliegend gestapelt sind und die Randwandteile der Kanalelemente derart ausgerichtet sind, daß am einen Ende der Folge eine Einlaßstirnseite für das erste Fluid und am anderen' Ende der Folge eine Auslaßstirnseite für das erste Fluid gebildet werden, wobei der Umfang jeder dieser Stirnseiten von Randwandteilenden der gestapelten Kanalelemente und Seitenwandteilenden der äußersten Kanalelemente der Folge bestimmt ist und die druckaufnehmenden Wände von benachbarten Kanalelementen im Inneren der Folge derart in Abstand voneinander liegen, daß ein zweites Fluid in dem Raum zwischen den Kanalelementen im Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid durch die Folge hindurchleitbar ist, ferner mit einem Eintrittssammler, der zum Einleiten des ersten Fluids in die Kanalelemente mit der Einlaßstirnseite für das erste Fluid in Verbindung steht, und mit einem Austrittssammler, der zum Ableiten des ersten Fluids aus den Kanalelementen mit der Auslaßstirnseite für das

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erste Fluid in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Sammler eine nachgiebige Dichtung, die um den Umfang der betreffenden Stirnseite herum- und gegen die zugehörigen Wandteilenden angelegt ist, und einen die Stirnseite umschließenden Sammlertank mit einem sich gegen die nachgiebige Dichtung anlegenden Wandflächenteil und einem von der gestapelten Folge nach außen reichenden, strukturell integralen Flanschteil aufweist, daß mit den Randwandteilen der Kanalelemente von diesen im wesentlichen nach außen stehende sekundäre Oberflächenwärmeübergangsrippen verbunden sind, die im Bereich der Rippenoberfläche jeweils mit einer Kerbe versehen sind, die von der Rippenaußenkante nach innen in Richtung auf das mit der Rippe verbundene Kanalelement reicht, daß die Kerben der Rippen in Querrichtung mit Bezug auf die Längsachse der Kanalelemente ausgerichtet sind, daß eine querverlaufende Platte nach innen in die Kerben der Rippen hinein- und nach außen über die Rippenaußenkanten hinausreicht, und daß diese Platte mit dem Flanschteil derart verbunden ist, daß der Wandflächenteil des Sammlertanks zwecks Herstellung einer fluiddichten Abdichtung zwischen dem Sammlertank und der gestapelten Folge unter Druckausübung gegen die nachgiebige Dichtung angepreßt ist.

26. Wärmeaustauscheranordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Dichtung aus einem Werkstoff mit einer Shore-A-Härte zwischen 20 und 70 besteht.

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27. Wärmeaustauscheranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Dichtung im nichtzusammengedrückten Zustand eine Dicke zwischen 1,6 mm und

4,8 mm hat.

28. Wärmeaustauscheranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Dichtung eine Dicke von weniger als 6,4 mm hat.

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