ТЕПЛООБМЕННИК, В ЧАСТНОСТИ ОХЛАДИТЕЛЬ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА
HEAT EXCHANGER, IN PARTICULAR SUPERCHARGING AIR COOLER

Изобретение относится к теплообменнику, в частности охладителю наддувочного воздуха, включающему, по меньшей мере, коллектор, который имеет днище, причем примерно перпендикулярно днищу, по меньшей мере, одна труба входит в зацепление с выступающей из днища отбортовочной вытяжкой, которая охватывает конец трубы, причем отбортовочная вытяжка имеет подобное четырехугольнику поперечное сечение, соответствующее наружному периметру трубы.
Чтобы получить повышение мощности двигателя внутреннего сгорания, можно, например, с помощью турбонагнетателя сжимать воздух, подводимый для сгорания, прежде чем он поступит в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания. Сжатие воздуха влечет за собой, однако, одновременно его значительное нагревание, что является недостатком для оптимального протекания процесса сгорания. Так, вследствие нагревания может вызываться, например, преждевременное воспламенение или повышенная эмиссия оксида азота. Чтобы предотвратить отрицательные последствия от подведенного для сгорания перегретого воздуха, следом за турбонагнетателем включается теплообменник, выполненный в виде охладителя наддувочного воздуха, с помощью которого сжатый воздух перед его сжиганием охлаждается до допустимой температуры.
Из DE 10343239 A1 известно теплопередающее устройство, которое имеет трубы и, по меньшей мере, коллектор, причем коллектор включает, по меньшей мере, трубную решетку с проходами, окантованными кромками. Благодаря этому уменьшается механическая нагрузка на соединение трубной решетки без дополнительных расходов на материал. При уменьшенной толщине стенки трубы соответственно толщине днища прочность трубной решетки обеспечивается не всегда, что приводит к уменьшению срока службы охладителя наддувочного воздуха.
Напряжения, влияющие на выход из строя охладителя наддувочного воздуха, при этом возникают из-за неравномерного расширения отдельных конструктивных элементов охладителя наддувочного воздуха и следующей из этого деформации, соответственно сдвига. Напряжения сводятся к различным тепловым условиям в охладителе наддувочного воздуха.
Из DE 102007059673 A1 известен теплообменник для обмена между первой текучей средой и второй текучей средой, при этом срок службы теплообменника по отношению к переменным нагрузкам, вызванным температурой, продлевается благодаря тому, что расстояние, по меньшей мере, на переходе между узкой стороной трубы и широкой стороны трубы меньше, чем расстояние на широкой стороне трубы, так что напряжения в области перехода уменьшаются.
Другое исполнение геометрии отбортовочной вытяжки известно из DE 102007016528, где представлена верхняя пластина для применения в теплообменнике. Чтобы уменьшить нагрузку на соединение трубной решетки, отбортовочная вытяжка выполнена такой, что она подгоняется к внешнему виду соответствующей трубы.
Но далее уменьшение толщины стенки трубы менее 0,5 мм соответственно уменьшение толщины днища менее 3 мм приводит к слишком высоким деформациям и сдвигам охладителя наддувочного воздуха, в частности, в области трубной решетки. При этом, в частности, в угловых радиусах труб переходной области между относительно жесткой вытяжкой и тонкой трубой возникают пиковые напряжения, которые приводят к обрыву между днищем и трубой. Поэтому толщина стенки трубы и толщина днища не могут дальше уменьшаться.
Таким образом, в основе изобретения лежит задача создания такого теплообменника, в котором, несмотря на применение труб с еще меньшей толщиной стенки трубы и днища с еще меньшей толщиной стенки срок службы теплообменника сохраняется без ущерба, соответственно может продлеваться.
Согласно изобретению задача решается с помощью того, что толщина стенки отбортовочной вытяжки, по меньшей мере, в угловой области, в частности, посредством инструмента утонена по отношению к узкой стороне и широкой стороне. Это имеет то преимущество, что благодаря направленному утонению отбортовочной вытяжки в ней уменьшается скачок жесткости между жесткой отбортовочной вытяжкой и тонкостенной трубой. При этом деформация в области угла трубы теплообменника, вызванная воздействием температуры, распределяется на большей части отбортовочной вытяжки и таким образом уменьшаются пиковые напряжения. Вследствие этого несмотря на уменьшение толщины стенки трубы и/или толщины днища увеличивается срок службы теплообменника. Под формирующим с помощью инструмента утонением следует понимать, что отбортовочная вытяжка во время обработки предпочтительным образом по обеим сторонам прилегает к используемому инструменту, что обуславливает контроль толщины отбортовочной вытяжки с помощью инструмента.
Предпочтительным образом утоненная толщина стенки угловой области проходит радиально к трубе. С помощью этого исполнения эта угловая область формируется благодаря утоненной толщине, насколько возможно мягкой, чтобы приспособиться к действующим напряжениям и надежно избежать обрыва трубы в этой области.
В одном исполнении утоненная толщина стенки простирается, исходя из угловой области отбортовочной вытяжки, по меньшей мере, частично в узкую сторону и/или широкую сторону отбортовочной вытяжки. Таким образом, утоненная толщина стенки не ограничена угловой областью. С помощью перехода в узкую сторону, соответственно широкую сторону отбортовочной вытяжки утонение снова подгоняется к нормальной толщине стенки узкой стороны и широкой стороны, вследствие чего становится возможным определенный переход между днищем и трубой в области отбортовочной вытяжки, так как отбортовочная вытяжка в этой области образована гибкой. От дополнительных этапов изготовления, например, в виде монтажа усиления трубы, соответственно процесса изготовления блока при сохранении оптимальных термодинамических аспектов прямоугольного поперечного сечения трубы можно отказаться, что способствует снижению стоимости изготовления теплообменника.
В усовершенствовании утоненная толщина стенки угловой области непрерывно подгоняется к соответствующей толщине стенки узкой стороны и/или широкой стороны отбортовочной вытяжки. Благодаря этому распределяются напряжения, возникающие в угловой области отбортовочной вытяжки, в направлении узкой стороны, соответственно широкой стороны, поэтому обрывы в этих областях надежно предотвращаются.
В одном варианте, по меньшей мере, на ширине отбортовочной вытяжки, исходя из непрерывно увеличивающейся утоненной толщины стенки, простирающейся на широкую сторону, происходит скачок до заданной толщины стенки широкой стороны. Этот скачок уже позиционирован в области широкой стороны, где возникают более низкие пики напряжения, так что в этой области у широкой стороны отбортовочной вытяжки не следует ожидать никаких обрывов.
Предпочтительным образом утоненная толщина стенки угловой области отбортовочной вытяжки составляет от 0,1 до 0,8 мм. Благодаря этому между трубой и днищем в угловой области реализуется очень устойчивый и прежде всего мягкий переход. Несмотря на то что угловая область выполнена очень тонкостенной, срок службы теплообменника даже при применении этих очень тонких, но упругих областей стенки отбортовочной вытяжки значительно увеличивается.
В другом исполнении утоненная толщина стенки угловой области отбортовочной вытяжки проходит по оси трубы. С помощью этой формы осуществления достигается хорошее опирание вставленной в отбортовочную вытяжку трубы.
В усовершенствовании утоненная толщина стенки отбортовочной вытяжки увеличивается, исходя от трубы, в направлении днища коллектора. Благодаря этому угловая область может формироваться в высоту, насколько это возможно, вследствие чего труба надежно позиционируется в отбортовочной вытяжке, и кроме того, предотвращается обрыв в угловой области.
В усовершенствовании высота отбортовочной вытяжки в угловой области остается постоянной. Это облегчает процесс изготовления днища с отбортовочной вытяжкой в днище.
В одном варианте высота отбортовочной вытяжки в угловой области увеличивается, в частности, непрерывно в направлении широкой стороны. Благодаря этому обеспечивается, что широкая сторона отбортовочной вытяжки обеспечивает надежную установку и устойчивое положение трубы, которая вставлена в отбортовочную вытяжку.
Изобретение может иметь многочисленные варианты осуществления. Поэтому одна из форм должна более подробно поясняться с помощью фигур, представленных на чертеже.
Фигура 1 - продольный разрез теплообменника.
Фигура 2 - пример осуществления для предложенного в соответствии с изобретением соединения трубной решетки.
Фигура 3 - вид сверху на часть отбортовочной вытяжки соединения трубной решетки согласно фигуре 2.
Фигура 4 - вид угловой области отбортовочной вытяжки соединения трубной решетки согласно фигуре 2 под углом 45°.
Фигура 5 - толщина материала отбортовочной вытяжки в угловой области согласно фигуре 2.
Фигура 6 - толщина материала отбортовочной вытяжки в угловой области согласно уровню техники.
Одинаковые признаки снабжены одинаковыми позициями.
На фигуре 1 представлен теплообменник 1, который имеет два расположенных противоположно друг другу коллектора 2, причем каждый из коллекторов 2 на одной стороне снабжен в основном ровным, пластинчатым днищем 3. При этом коллекторы 2 расположены на теплообменнике 1 так, что их днища 3 обращены друг к другу и проходят параллельно друг другу. Между коллекторами 2, соответственно между их днищами 3 перпендикулярно к днищам 3 проходят расположенные рядом друг с другом, параллельно друг другу трубы 4, преимущественно плоские трубы, концы которых проходят днища 3 через предусмотренные для этого выемки 5, и благодаря этому коллекторы 2, сообщаясь, соединены друг с другом. Между соседними трубами 4 установлены ребра 6 охлаждения, которые к примеру образованы зигзагообразно. Трубы с помощью пайки прикреплены к коллекторам 2 соответственно их днищам.
Если теплообменник 1 образован в виде охладителя для наддувочного воздуха, то сжатый горячий воздух от не изображенного турбонагнетателя поступает через впускное отверстие 7, предусмотренное в верхнем коллекторе 2, во внутреннее пространство 8 верхнего коллектора 2. Подлежащий охлаждению воздух распределяется во внутреннем пространстве 8, поступает в трубы 4 и проходит по ним. При этом происходит охлаждение горячего воздуха и охлажденный воздух поступает к другому концу труб 4 опять во внутреннее пространство второго, нижнего коллектора 2. Нижний коллектор 2 имеет выпускное отверстие 9, через которое между тем охлажденный воздух подводится к соответствующему потребителю, например к двигателю внутреннего сгорания.
Охлаждение воздуха в области труб 4 осуществляется с помощью ребер 6 охлаждения, расположенных между трубами 4. Трубы 4 и расположенные между ними ребра 6 охлаждения подвергаются воздействию охлаждающего потока воздуха. При этом тепловая энергия передается горячему воздуху, проходящему по трубам 4, на трубы 4 и от них на ребра 6 охлаждения, а затем отводится охлаждающим потоком воздуха.
На фигуре 2 изображена часть трубы 4, которая закреплена на днище 3 коллектора 2. При этом труба 4, имеющая подобное четырехугольнику поперечное сечение, введена в отбортовочную вытяжку 10, которая выштампована с помощью штампа из днища 3 и охватывает не изображенное отверстие 5 днища 3. Отбортовочная вытяжка 10 является таким образом составной частью днища 3 и тем самым соединения трубной решетки. Угловая область 11 отбортовочной вытяжки 10 с одной стороны примыкает к узкой стороне 12, в то время как другая сторона угловой области 11 поднимается по широкой стороне 13. Как узкая сторона 12, так и широкая сторона 13 имеют при этом ориентированные в направлении трубы 4 вводы 14, 15, которые облегчают монтаж трубы в отбортовочной вытяжке 10.
На фигуре 3 изображен вид сверху узкой стороны 12 отбортовочной вытяжки 10, если смотреть из трубы 4, причем у узкой стороны 12 по обеим сторонам простираются длинные широкие стороны 13. При этом показано, что отбортовочная вытяжка 10 имеет подобное прямоугольнику поперечное сечение, соответствующее сечению трубы 4 и являющееся оптимальным с точки зрения термодинамических аспектов для трубы 4. Широкая сторона 13 при этом имеет толщину стенки примерно 1,5 мм, в то время как узкая сторона имеет толщину стенки 1 мм. Простирающаяся между узкой стороной 12 и широкой стороной 13 угловая область 11 отбортовочной вытяжки 10 имеет утоненную толщину стенки по отношению к широкой стороне 13, соответственно узкой стороне 12. Утоненная толщина стенки при этом меньше чем 1 мм и составляет преимущественно от 0,1 до 0,8 мм.
Утоненная толщина стенки не ограничена угловой областью 11, а простирается также в начальные участки узкой стороны 12 и широкой стороны 13. Как можно видеть на фигуре 3, примыкающий к угловой области 11 начальный участок от 0,5 до 1,5 мм в узкой стороне отбортовочной вытяжки 10, так и начальный участок от 0,5 до 5,0 мм широкой стороны 13 отбортовочной вытяжки 10, который точно также примыкает к угловой области 11, образован с утоненной толщиной стенки. Предпочтительным образом при этом утоненная толщина стенки образована не постоянно с одной толщиной стенки, а утоненная толщина стенки увеличивается от ее самого тонкого места, которое образовано точно в радиусе угловой области, до более толстой толщины стенки, например 0,8 мм, непрерывно. Если толщина стенки затем, например, на начальном участке широкой стороны 13 достигает 0,8 мм, то толщина стенки затем скачкообразно повышается до 1,5 мм.
Наружная поверхность отбортовочной вытяжки 10 в этой угловой области 11 соответственно наружных участков узкой стороны 12, соответственно широкой стороны 13 может проходить параллельно к внутреннему контуру отбортовочной вытяжки 10 или непрерывно повышаться. При этом наружная поверхность, как следует из фигуры 2, образована слегка в виде конуса.
На фигуре 4 изображен вид на угловую область 11 отбортовочной вытяжки 10 под углом 45°. При этом видно, что высота отбортовочной вытяжки 10 является не постоянной. Начиная от совсем небольшой высоты узкой стороны 12 высота отбортовочной вытяжки 10 непрерывно возрастает в угловой области 11.
Это действительно также для утоненных толщин стенок примыкающих начальных участков узкой стороны 12, соответственно широкой стороны 13. Высота отбортовочной вытяжки 10 лежит в области утоненной толщины стенки идеальным образом в диапазоне от 3 до 6 мм и может также непрерывно повышаться в утоненной области (повышение 16). Постоянное образование высоты по всей угловой области 11 и примыкающим начальным участкам узкой стороны 12 и широкой стороны 13 точно так же возможно.
На фигурах 5 и 6 областью А изображена область самых высоких напряжений в отбортовочной вытяжке 10, имеющих место в угловой области 11. В области А, где наступают самые высокие пики напряжений, в настоящем изобретении толщина стенки отбортовочной вытяжки 10 является самой тонкой и составляет 0,3 мм.
По причине уменьшения скачка толщины материала в угловой области 11 благодаря утоненной толщине отбортовочной вытяжки 10 высокие напряжения и таким образом пики напряжений могут существенно уменьшаться по сравнению с уровнем техники, несмотря на то что толщина днища 3, как и толщина стенки трубы 4, сильно уменьшаются.
Благодаря отказу от дополнительного материала и дополнительных этапов изготовления с помощью настоящего изобретения при сохранении оптимального из термодинамических аспектов прямоугольного поперечного сечения плоской трубы 4 предлагается теплообменник 1, в котором толщины стенок как трубы, так и днища 3 еще более уменьшаются по сравнению с уровнем техники, что снижает стоимость теплообменника. Несмотря на это уменьшение материала, срок службы теплообменника продлевается.