DE102012217870A1 - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Wärmeübertrager (1) mit einem ersten Sammelkasten (2, 3, 20) und einem zweiten Sammelkasten (3, 2, 20), mit zumindest einem zwischen den beiden Sammelkästen (2, 3, 20) angeordneten Rohr (6, 21), wobei ein Fluideinlass (4) und ein Fluidauslass (5) vorgesehen sind, die einzeln an jeweils einem der Sammelkästen (3, 2, 20) oder an einem einzelnen der Sammelkästen (3, 2, 20) angeordnet sind, wobei das Rohr (6, 21) endseitig in jeweils einem der Sammelkästen (2, 3, 20) in einer Öffnung (7, 23) aufgenommen ist und mit den Sammelkästen (2, 3, 20) in Fluidkommunikation steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (7, 23) von einem Öffnungsrand (28) umgeben ist, dessen Kontur der Außenkontur des Rohres (6, 21) entspricht und dass die Öffnung derart ausgebildet ist, dass sich der Öffnungsquerschnitt zum Inneren des Sammelkastens (2, 3, 20) hin verjüngt und das Rohr (6, 21) umfangsseitig unter Vorspannung in die Öffnung (7, 23) einsetzbar ist.Heat exchanger (1) with a first collecting box (2, 3, 20) and a second collecting box (3, 2, 20), with at least one tube (6, 21) arranged between the two collecting boxes (2, 3, 20), wherein a fluid inlet (4) and a fluid outlet (5) are provided, which are arranged individually on a respective one of the collecting boxes (3, 2, 20) or on a single one of the collecting boxes (3, 2, 20), wherein the tube (6, 21) is received in one of the collecting boxes (2, 3, 20) at the end in an opening (7, 23) and is in fluid communication with the collecting boxes (2, 3, 20), characterized in that the opening (7, 23 ) is surrounded by an opening edge (28) whose contour corresponds to the outer contour of the tube (6, 21) and that the opening is formed such that the opening cross-section to the interior of the collecting box (2, 3, 20) tapers and the tube (6, 21) circumferentially under bias in the opening (7, 23) can be inserted.
Description
Technisches GebietTechnical area
Wärmeübertrager mit einem ersten Sammelkasten und einem zweiten Sammelkasten, mit zumindest einem zwischen den beiden Sammelkästen angeordneten Rohr, wobei ein Fluideinlass und ein Fluidauslass vorgesehen sind, die einzeln an jeweils einem der Sammelkästen oder an einem einzelnen der Sammelkästen angeordnet sind, wobei das Rohr endseitig in jeweils einem der Sammelkästen in einer Öffnung aufgenommen ist und mit den Sammelkästen in Fluidkommunikation steht.Heat exchanger having a first header and a second header, with at least one tube arranged between the two header boxes, wherein a fluid inlet and a fluid outlet are provided, which are individually arranged on each one of the header boxes or on a single one of the header boxes, the tube end in each one of the collecting tanks is received in an opening and is in fluid communication with the collecting tanks.
Stand der TechnikState of the art
In Elektrofahrzeugen werden Energiespeicher eingesetzt, um einen Elektromotor zu betreiben. Als Energiespeicher kommen dabei oft Akkumulatoren auf Lithium-Ionen Basis oder Nickel-Metallhybrid-Akkumulatoren zum Einsatz. Alternativ dazu finden auch Hochleistungskondensatoren sogenannte Super-Caps Verwendung.In electric vehicles, energy storage devices are used to operate an electric motor. Rechargeable batteries based on lithium ions or nickel-metal hybrid batteries are often used as energy stores. Alternatively, high-performance capacitors also use so-called super-caps.
Bei alle genannten Energiespeichern kommt es während des Betriebs, insbesondere beim schnellen Laden und Entladen der Energiespeicher, zu einer starken Wärmeentwicklung.In all the above energy storage occurs during operation, especially during fast charging and discharging the energy storage, to a strong heat.
Temperaturen von ca. 50°C und mehr können jedoch die Energiespeicher beschädigen und ihre Lebensdauer maßgeblich reduzieren. Ebenso schädigen zu niedrige Temperaturen die Energiespeicher nachhaltig.However, temperatures of around 50 ° C and more can damage the energy storage devices and significantly reduce their service life. Similarly, too low temperatures sustainably damage energy storage.
Um die Leistungsfähigkeit der Energiespeicher zu erhalten, müssen diese daher aktiv temperiert werden. Hierbei überwiegen die Anteile der Kühlung deutlich. Die Kühlung kann beispielsweise durch das Einbringen von fluiddurchströmten Wärmeübertragern erfolgen. Bei den Wärmeübertragern handelt es sich nach Lösungen im Stand der Technik oft um fluiddurchströmte Elemente, die zwischen zwei flächigen Deckplatten ein oder mehrere Fluidkanäle aufweisen, welche von einem Fluid durchströmbar sind.In order to maintain the performance of the energy storage, they must therefore be actively tempered. Here, the proportions of cooling outweigh significantly. The cooling can be done for example by the introduction of fluid-flow heat exchangers. The heat exchangers are solutions according to the prior art often fluid-flow elements having one or more fluid channels between two flat cover plates, which are traversed by a fluid.
Vorteilhafterweise werden dabei alle Zellen der Energiespeicher auf einem gleichmäßigen Temperaturniveau gehalten. Ebenso sollten starke Temperaturgradienten innerhalb der Zellen vermieden werden.Advantageously, all cells of the energy storage are kept at a uniform temperature level. Likewise, strong temperature gradients within the cells should be avoided.
Die Platten der Wärmeübertrager können im Falle der Kühlung von einem kalten Fluid durchströmt werden, zum Zwecke der Aufheizung können sie jedoch auch von einem warmen Fluid durchströmt werden.The plates of the heat exchanger can be traversed by a cold fluid in the case of cooling, but for the purpose of heating, they can also be flowed through by a warm fluid.
Um eine möglichst hohe Energieeffizienz zu erreichen, ist insbesondere in Elektrofahrzeugen eine möglichst gewichtsoptimierte Bauweise vorteilhaft.In order to achieve the highest possible energy efficiency, a weight-optimized construction is advantageous, especially in electric vehicles.
Im Stand der Technik sind Lösungen beschrieben, die Wärmeübertrager verwenden, die aus metallischen Materialien gefertigt sind. Eine solche Lösung offenbart beispielsweise das Gebrauchsmuster
Nachteilig an den Lösungen nach dem Stand der Technik ist insbesondere, dass die Wärmeübertrager oft vollständig aus Aluminium gebaut sind. Diese sind im Vergleich zu Ausführungen aus Kunststoff oder aus einer Mischung aus Aluminium und Kunststoff deutlich schwerer. Außerdem ist der Montageaufwand bei einem vollständig aus metallischen Werkstoffen gefertigtem Wärmeübertrager höher.A disadvantage of the solutions according to the prior art is in particular that the heat exchangers are often built entirely of aluminum. These are significantly heavier compared to plastic or a mixture of aluminum and plastic. In addition, the assembly effort is higher in a made entirely of metallic materials heat exchanger.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wärmeübertrager bereitzustellen, der eine gewichtsoptimierte Gestaltung aufweist und dessen Herstellung einfach und kastengünstig ist.DESCRIPTION OF THE INVENTION, OBJECT, SOLUTION, ADVANTAGES Therefore, it is the object of the present invention to provide a heat exchanger which has a weight-optimized design and whose manufacture is simple and low-profile.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.The object of the present invention is achieved by a heat exchanger with the features of claim 1.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem ersten Sammelkasten und einem zweiten Sammelkasten, mit zumindest einem zwischen den beiden Sammelkästen angeordneten Rohr, wobei ein Fluideinlass und ein Fluidauslass vorgesehen sind, die einzeln an jeweils einem der Sammelkästen oder an einem einzelnen der Sammelkästen angeordnet sind, wobei das Rohr endseitig in jeweils einem der Sammelkästen in einer Öffnung aufgenommen ist und mit den Sammelkästen in Fluidkommunikation steht, wobei die Öffnung von einem Öffnungsrand umgeben ist, dessen Kontur der Außenkontur des Rohres entspricht und wobei die Öffnung derart ausgebildet ist, dass sich der Öffnungsquerschnitt zum Inneren des Sammelkastens hin verjüngt und das Rohr umfangsseitig unter Vorspannung in die Öffnung einsetzbar ist.An embodiment of the invention relates to a heat exchanger having a first header and a second header, with at least one arranged between the two header tubes, wherein a fluid inlet and a fluid outlet are provided, which are arranged individually on each one of the headers or on a single of the headers wherein the tube is end-to-end received in each of the header boxes in an opening and is in fluid communication with the header boxes, the opening being surrounded by an opening edge whose contour corresponds to the outer contour of the tube, and wherein the opening is formed so that the Opening cross-section tapers toward the interior of the header and the tube is circumferentially inserted under bias in the opening.
Durch den Wärmeübertrager kann ein Fluid strömen, durch welches je nach Temperatur des Fluids relativ zur Umgebung eine Abkühlung oder eine Erwärmung erreicht werden kann. Hierzu müssen die Rohre fluiddicht mit den Sammelkästen verbunden sein. Durch die Ausgestaltung der Öffnung mit einem relativ zur Weite des Rohres kleineren Öffnungsquerschnitt, wird eine Presspassung zwischen dem Rohr und dem Sammelkasten erzeugt, wodurch das Rohr fluiddicht im Sammelkasten fixiert wird.Through the heat exchanger, a fluid flow through which, depending on the temperature of the fluid relative to the environment, a cooling or heating can be achieved. For this purpose, the pipes must be connected fluid-tight with the collecting tanks. Due to the configuration of the opening with a smaller opening cross-section relative to the width of the tube, an interference fit is created between the tube and the collecting box, whereby the tube is fixed in a fluid-tight manner in the collecting box.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, kann es vorgesehen sein, dass das Rohr als Flachrohr ausgeführt ist. In an advantageous embodiment of the invention, it may be provided that the tube is designed as a flat tube.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Innenkontur der Öffnung durch das Einschieben des Rohres verformbar ist.It is also preferable if the inner contour of the opening is deformable by the insertion of the tube.
Durch die Verformung, welche durch das Einschieben des Rohres erzeugt wird, wirken auf das Rohr Kräfte, die es im Sammelkasten fixieren. Diese Kräfte entstehen durch die erzwungene Verformung des Materials der Sammelkästen. Je mehr das Material einer Verformung widersteht, bzw. je größer der Materialanteil ist, welcher durch das Einschieben verformt wird, umso größer sind die auf das Rohr wirkenden Kräfte.Due to the deformation, which is generated by the insertion of the tube forces act on the tube, which fix it in the collecting box. These forces are caused by the forced deformation of the material of the collecting tanks. The more the material resists deformation, or the greater the amount of material that is deformed by the insertion, the greater the forces acting on the tube.
Ein Wärmeübertrager mit einsteckbaren Rohren, welche über eine Verpressung im Sammelkasten fixiert werden, ist besonders einfach herzustellen. Außerdem ist die Anzahl an Nachbearbeitungsschritten im Vergleich zu einem herkömmlichen Wärmeübertrager deutlich reduziert.A heat exchanger with plug-in pipes, which are fixed by a compression in the collecting box, is particularly easy to manufacture. In addition, the number of post-processing steps compared to a conventional heat exchanger is significantly reduced.
Gemäß eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels kann es vorgesehen sein, dass im montierten Zustand, zwischen dem Rohr und dem Öffnungsrand eine von außerhalb des Sammelkastens zugängliche Nut ausgebildet ist.According to a further embodiment of the invention it can be provided that in the assembled state, between the pipe and the opening edge, a groove accessible from outside the collecting tank is formed.
Die zwischen dem Rohr und dem Öffnungsrand des Sammelkastens entstehende Nut dient zur Aufnahme beispielsweise eines Klebemittels. Die entstehende Nut ist nach außen hin, weg vom Sammelkasten, offen, so dass von dort ein Klebemittel in die Nut eingebracht werden kann. Die Nut ist dabei vollständig umlaufend um das Rohr ausgebildet.The resulting between the pipe and the opening edge of the header box serves to receive, for example, an adhesive. The resulting groove is outwardly away from the collecting box, open, so that from there an adhesive can be introduced into the groove. The groove is formed completely circumferentially around the tube.
Auf diese Weise kann das Rohr zusätzlich zu der Verpressung nach durch ein Klebemittel in seiner Position innerhalb der Sammelkästen fixiert werden. Das Klebemittel ist dabei von dem, durch den Wärmeübertrager strömenden Fluid isoliert. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da das Klebemittel nicht gegen etwaige korrosive Eigenschaften des Fluids ausgelegt werden muss.In this way, in addition to the compression, the tube may be fixed by an adhesive in its position within the header boxes. The adhesive is thereby isolated from the fluid flowing through the heat exchanger. This is particularly advantageous because the adhesive does not have to be designed against any corrosive properties of the fluid.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr und die Sammelkästen miteinander verklebbar und/oder verschweißbar und/oder verpressbar und/oder umspritzbar sind.A preferred embodiment of the invention is characterized in that the tube and the collecting boxes are glued together and / or welded and / or pressed and / or umspritzbar.
Das Rohr wird bereits durch das Einstecken in die Öffnungen der Sammelkästen, was unter Aufwendung einer gewissen Einsteckkraft erfolgen muss, im Sammelkasten über eine Pressung fixiert. Zusätzlich kann das Rohr auch in den Sammelkasten eingeschweißt oder mit diesem verklebt werden. Die Wahl des Verbindungsmittels ist beispielsweise abhängig von der vorliegenden Materialpaarung zu treffen.The tube is already fixed by inserting into the openings of the manifolds, which must be done with the application of a certain insertion force in the collection box via a press. In addition, the pipe can also be welded into the collecting box or glued to it. The choice of the connecting means is to be made, for example, depending on the material pairing present.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn zumindest einer der Sammelkästen mehrteilig ausgeführt ist, und eine Kastenöffnung aufweist, die durch einen Deckel verschießbar ist, und einen Rohrboden mit zumindest einer Öffnung zur Aufnahme eines Rohres aufweist, wobei die Kastenöffnung dem Rohrboden gegenüber angeordnet ist.Furthermore, it may be expedient if at least one of the collecting boxes is designed in several parts, and has a box opening, which can be fired by a lid, and a tube plate having at least one opening for receiving a tube, wherein the box opening is arranged opposite the tube sheet.
Ein mehrteiliger Sammelkasten ist unter Verwendung von Spritzgussverfahren deutlich leichter herstellbar, als ein komplex geformter, einteilig ausgeführter Sammelkasten.A multi-part collection box is much easier to produce using injection molding, as a complex-shaped, one-piece executed collection box.
In einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel, kann es vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager einer Mehrzahl von zueinander parallel beabstandet verlaufenden Rohren aufweist.In a particularly favorable embodiment, it can be provided that the heat exchanger has a plurality of mutually parallel spaced tubes.
Durch eine Mehrzahl von Rohren, kann die Oberfläche, über welche Wärme von dem Wärmeübertrager übertragen wird, deutlich vergrößert werden. Außerdem kann durch die Anordnung von mehreren Rohren eine Durchströmung realisiert werden, bei der das Fluid durch einen Teil der Rohre vom ersten in den zweiten Sammelkasten strömt und im zweiten Sammelkasten so umgelenkt wird, dass es durch einen anderen Teil der Rohre wieder in den ersten Sammelkasten zurückströmt. Eine solche Durchströmung führt dazu, dass das Fluid einer längeren Kontaktzeit mit den wärmeübertragenden Flächen innerhalb des Wärmeübertragers ausgesetzt ist.By a plurality of tubes, the surface over which heat is transferred from the heat exchanger, can be significantly increased. In addition, can be realized by the arrangement of a plurality of tubes, a flow in which the fluid flows through a portion of the tubes from the first to the second collection box and is deflected in the second collection box so that it by another part of the tubes back into the first collection box flowing back. Such a flow causes the fluid is exposed to a longer contact time with the heat transfer surfaces within the heat exchanger.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn die Rohre in einer gemeinsamen Ebene liegen und/oder zueinander versetzt in mehreren Ebenen liegen.Moreover, it may be advantageous if the tubes lie in a common plane and / or are offset from one another in several planes.
Beispielsweise können die Rohre dabei nebeneinander zueinander parallel in einer Ebene liegen, so dass die entlang der Durchströmungsrichtung verlaufende Mittelachse der Rohre auf einer gemeinsamen Ebene liegt. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass die Mittelachsen eines Teils der Rohre auf einer gemeinsamen Ebene liegen und die Mittelachsen eines andere Teils auf einer anderen Ebene. Vorteilhafterweise liegen alle Rohre parallel zueinander, unabhängig welcher Ebene sie zugeordnet sind.For example, the tubes can lie parallel to one another in a plane parallel to one another, so that the central axis of the tubes running along the throughflow direction lies on a common plane. Alternatively, it is also conceivable that the center axes of a part of the tubes lie on a common plane and the center axes of another part on a different plane. Advantageously, all tubes are parallel to each other, regardless of which plane they are assigned.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die Rohre durch eine flächige Platte miteinander verbunden sind.According to a preferred embodiment, it is advantageous if the tubes are connected to each other by a flat plate.
Miteinander verbunden heißt in diesem Zusammenhang sowohl mechanisch miteinander verbunden, als auch thermisch.Connected with each other in this context means both mechanically connected to each other, as well as thermally.
Durch die Anordnung der Rohre in einer gemeinsamen Ebene, können die einzelnen Rohre besonders leicht mit einer flächigen Platte, wie etwa einer gut wärmeleitenden Platte, aus beispielsweise Aluminium verbunden werden. Dies erhöht die Fläche, über welche Wärme übertragen werden kann deutlich. The arrangement of the tubes in a common plane, the individual tubes can be particularly easily connected to a sheet-like plate, such as a good heat-conducting plate, for example, aluminum. This significantly increases the area over which heat can be transferred.
Auch Rohre in unterschiedlichen Ebenen, können bei entsprechender Ausgestaltung der flächigen Platte miteinander verbunden werden, um die Wärmeübertragungsfläche zu erhöhen.Also tubes in different planes can be connected to each other with a corresponding design of the sheet to increase the heat transfer surface.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Fluideinlass und der Fluidauslass am gleichen Sammelkasten angeordnet sind, wobei dieser Sammelkasten eine Trennwand aufweist, welche das innere Volumen des Sammelkastens in zwei Kammern unterteilt und der Fluideinlass mit einer der Kammern in Fluidkommunikation steht und der Fluidauslass mit der anderen Kammer in Fluidkommunikation steht.A further preferred embodiment is characterized in that the fluid inlet and the fluid outlet are arranged on the same collection box, this collection box having a partition dividing the inner volume of the header into two chambers and the fluid inlet in fluid communication with one of the chambers and the fluid outlet with the other chamber in fluid communication.
Durch die Anordnung des Fluideinlasses und des Fluidauslasses in nur einem Sammelkasten und weiterhin der Trennung des Innenvolumens dieses Sammelkastens in zwei Kammern kann der Wärmeübertrager wie folgt durchströmt werden. Das Fluid strömt über den Fluideinlass in die erste Kammer des ersten Sammelkastens ein und von dort über einen Teil der Rohre in den zweiten Sammelkasten. Der zweite Sammelkasten weist keine Trennwand auf und dient der Umlenkung des Fluids in den anderen Teil der Rohre. Über diese strömt das Fluid zurück in die zweite Kammer des ersten Sammelkastens und durch den Fluidauslass aus dem Wärmeübertrager hinaus.The arrangement of the fluid inlet and the fluid outlet in only one collecting tank and furthermore the separation of the internal volume of this collecting tank into two chambers, the heat exchanger can be flowed through as follows. The fluid flows via the fluid inlet into the first chamber of the first header tank and from there via a portion of the tubes into the second header box. The second collection box has no partition wall and serves for the deflection of the fluid in the other part of the tubes. Through this, the fluid flows back into the second chamber of the first header and out through the fluid outlet from the heat exchanger.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.Advantageous developments of the present invention are described in the subclaims and the following description of the figures.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:In the following the invention will be explained in detail by means of embodiments with reference to the drawings. In the drawings show:
Bevorzugte Ausführung der Erfindung.Preferred embodiment of the invention.
Die
Der in
Der in
Die in
Darüber hinaus ist die Anzahl der Flachrohre
Die Flachrohre
Die in einer Ebene liegenden Flachrohre
Je breiter die einzelnen Flachrohre
Die Sammelkästen
Die Flachrohre
Der Fluideinlass
Durch eine solche Anordnung des Fluideinlasses bzw. Fluidauslasses würde der Wärmeübertrager entweder mit einer I-Durchströmung durchströmt oder aber für den Fall, dass eine Mehrzahl von Trennwänden innerhalb der Sammelkästen angeordnet sind, in einer mehrfach umgelenkten Strömung.By such an arrangement of the fluid inlet or fluid outlet of the heat exchanger would flow through either with an I-flow or in the event that a plurality of partitions are arranged within the manifolds, in a multi-deflected flow.
Die
Der Grundkörper
Die Herstellung des Sammelkastens
In alternativen Ausführungsformen ist, wie bereits zur Beschreibung der
Die sowohl in
Eine bereits vor dem Montageprozess erfolgte Beschichtung der Platte
Ein besonderer Vorteil eines Wärmeübertragers
Die
Der Sammelkasten
Dies führt dazu, dass das Flachrohr
In der
Dieser verformten Bereiche
Durch die konische Gestaltung des Öffnungsrandes
Die Nut
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