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Die
Erfindung betrifft einen Sammelkasten für einen mehrreihigen Wärmetauscher
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Bei
herkömmlichen
Sammelkästen
für mehrreihige
Kühler,
insbesondere für
Kraftfahrzeug-Kühlanlagen,
bestehend aus einem Kastenelement mit mindestens zwei einstückig miteinander
ausgebildeten und Fluid aufnehmenden Bereichen, im Folgenden als
Sammelbereiche bezeichnet, und einem im Wesentlichen eben ausgebildeten,
diese Sammelbereiche verschließenden
Boden, treten insbesondere bei kostengünstigen, aus Kunststoff gefertigten
Sammelkästen
Leckageprobleme zwischen den einzelnen benachbarten Sammelbereichen
der Sammelkästen
auf. Eine Leckage ist jedoch insbesondere bei im Sammelkasten benachbart
angeordneten unterschiedlichen Kreisläufen, die gegebenenfalls mit
unterschiedlichen Medien oder Temperaturen arbeiten, unerwünscht. Auf
Grund der Leckageprobleme werden mittels Druckguss hergestellte
Aluminium-Sammelkästen
verwendet, welche deutlich teurer sind.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Sammelkasten für einen
mehrreihigen Wärmetauscher
zur Verfügung
zu stellen. Dieser sollte bevorzugt kostengünstig herstellbar sein.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Sammelkasten mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein
Sammelkasten vorgesehen, der mindestens ein Zugspannungserzeugungsmittel
und/oder ein entsprechend wirkendes Druckspannungserzeugungsmittel
aufweist, welches sicherstellt, dass die zwischen dem Kastenelement und
dem Boden angeordnete Dichtungsanordnung, welche bevorzugt durch
eine Flach- oder Schnurdichtung gebildet ist, ausreichend dazwischen
eingepresst ist und somit auch bei hohen Drücken ihre Funktion erfüllt, das
heißt
ein Lecken von einem Sammelbereich in den benachbarten Sammelbereich
sicher verhindert.
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Bevorzugt
ist das Zugspannungserzeugungsmittel beziehungsweise das Druckspannungserzeugungsmittel
mindestens zweiteilig, vorzugsweise dreiteilig, ausgebildet, wobei
es vorzugsweise mindestens eine Gewindeverbindung zur Einstellung der
auferlegten Zugspannung umfasst oder eine Clipsverbindung zum einfachen
und schnellen Verbinden von Boden und Kastenelement.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann ein Teil des Zugspannungserzeugungsmittels fest mit dem Boden
oder dem Kastenelement verbunden sein und das Kastenelement beziehungsweise
den Boden im Bereich einer Öffnung
durchdringen, wobei es zumindest in einem Teil des nach außen ragenden
Bereichs ein Gewinde aufweist, auf das von außen als zweites Teil des Zugspannungserzeugungsmittels eine
mit einem hiermit zusammenwirkenden Gewinde versehenes Element,
insbesondere eine Mutter, aufgeschraubt ist. Dabei ist zur Vereinfachung
der Herstellung der Teil des Zugspannungserzeugungsmittels, der
fest mit dem Boden oder dem Kastenelement verbunden ist, leistenartig
ausgebildet und weist eine Mehrzahl von Öffnungen auf, in welchen Schrauben
oder Gewindebolzen verdrehsicher befestigt sind.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform kann
ein Teil des Zugspannungserzeugungsmittels fest mit dem Boden oder
dem Kastenelement ver bunden sein, welches ein Innengewinde aufweist
und das Kastenelement beziehungsweise der Boden eine Öffnung aufweist,
die von einem mit einem Außengewinde
versehenen Element durchdrungen ist, welches in das Innengewinde
eingeschraubt ist. Auch in diesem Fall ist vorzugsweise der Teil
des Zugspannungserzeugungsmittels, der fest mit dem Boden oder dem
Kastenelement verbunden ist, leistenartig ausgebildet und weist
eine Mehrzahl von Öffnungen mit
einem Innengewinde auf.
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Das
Zugspannungserzeugungsmittel, das bei entsprechender Ausgestaltung
auch in einem Randbereich eines Sammelbereichs angeordnet sein kann,
weist zwecks Abdichtung gegenüber
der Umgebung mindestens ein Dichtelement auf.
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Im
Falle einer Ausgestaltung des Zugspannungserzeugungsmittels als
Clipsverbindung, vorzugsweise als Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten
Clipsverbindungen, ist bevorzugt am Kastenelement oder am Boden
mindestens ein Federarm ausgebildet oder vorgesehen, insbesondere
eingespritzt in das Teil, der in eine Öffnung am Boden beziehungsweise
am Kastenelement eingreift. Dies ermöglicht eine einfache und sehr
schnelle Montage. Die Mehrzahl von Öffnungen weisen bevorzugt eine kreis-
oder langlochförmige
Gestalt auf.
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Ist
das Zugspannungserzeugungsmittel oder das Druckspannungserzeugungsmittel
mittig zwischen zwei Sammelbereichen angeordnet, so ist bevorzugt
beiderseits desselben je eine Dichtungsanordnung vorgesehen.
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Bevorzugt
weist die Dichtungsanordnung ein Dichtelement auf, welches den auf
den Außenseiten des
Sammelkastens verwendeten Dichtelementen entspricht, so dass keine
Verwechselungsprobleme bei der Montage auftreten und in Folge der
größeren Stückzahl die
Herstellungskosten sowie in Folge der geringeren Anzahl unterschiedlicher
Teile die Lagerhaltungskosten verringert werden können. Dabei können auch
mehrere Dichtelemente vorgesehen sein.
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Bevorzugt
ist im Boden eine Rinne ausgebildet, in die das Dichtelement eingelegt
ist, und am Kastenelement eine annähernd der Breite der Rinne entsprechende
Fläche
vorgesehen, die zumindest teilweise am Dichtelement anliegt, so
dass auf das Dichtelement eine ausreichende Druckspannung ausgeübt werden
kann, ohne dasselbe zu beschädigen.
Alternativ kann auch im Kastenelement eine Rinne ausgebildet sein,
in die das Dichtelement eingelegt ist, und am Boden eine annähernd der
Breite der Rinne entsprechende Fläche vorgesehen sein, die zumindest
teilweise am Dichtelement anliegt. Die Fläche ist bevorzugt als ein sich
in Längsrichtung
des Sammelkastens in Richtung des Bodens beziehungsweise des Kastenelements
erstreckender Vorsprung ausgebildet.
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Der
Sammelkasten wird vorzugsweise als Wärmetauscher, insbesondere Kühler, einer
Kraftfahrzeug-Kühlanlage
verwendet.
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Es
ist selbstverständlich,
dass sich die Erfindung nicht nur auf Kunststoff-Sammelkästen, sondern auch auf Sammelkästen aus
anderen Materialien, wie insbesondere Aluminium, bezieht. Durch das
Vorsehen eines erfindungsgemäßen Zugspannungserzeugungsmittels
oder Druckspannungserzeugungsmittels können Kunststoff- oder Metall-Sammelkästen beispielsweise
mit einer leicht verringerten Wandstärke ausgebildet sein oder für höhere Drücke verwendet
werden können.
In diesem Fall kann an Stelle eines Verbindens mittels Klebens insbesondere
auch eine Löt-
oder gegebenenfalls Schweißverbindung
vorgesehen sein. Die gewählte Verbindung
ist abhängig
von den zu verbindenden Materialien, den zu erwartenden Belastungen,
insbesondere den zu erwartenden Temperaturen und Spannungen, und
den Kosten für
die Verbindung.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer Mehrzahl von Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der
Zeichnung zeigen:
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1 einen
Schnitt quer durch einen Sammelkasten gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 einen
Schnitt quer durch einen Sammelkasten gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 einen
Schnitt quer durch einen Sammelkasten gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
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4 einen
Schnitt quer durch einen Sammelkasten gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel,
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5 einen
Schnitt quer durch einen Sammelkasten gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
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6a einen
Schnitt quer durch einen Sammelkasten gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel,
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6b eine
Draufsicht auf einen Teil des Bodens des Sammelkastens von 6a,
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7a einen
Schnitt quer durch einen Sammelkasten gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel,
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7b eine
Draufsicht auf einen Teil des Bodens des Sammelkastens von 7a,
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8 eine
Ansicht eines Kühlers
mit zwei Sammelkästen,
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9 eine
Seitenansicht des Kühlers
von 8, und
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10 eine
Draufsicht auf den Kühler
von 8.
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Eine
Kraftfahrzeug-Kühlanlage
weist als einen Wärmetauscher 1 einen
zweireihigen Kühler
mit zwei seitlich angeordneten Sammelkästen 2 und dazwischen
verlaufenden Flachrohren (schematisch in der Zeichnung durch Rechtecke
angedeutet) und Wellrippen auf, wie er in den 8 bis 10 dargestellt
ist. Hierbei sind die einzelnen Reihen des Wärmetauschers 1 Teil
unterschiedlicher Kreisläufe,
so dass sich die in ihnen befindlichen Medien zumindest in ihren
Betriebszuständen
unterscheiden, weshalb sichergestellt sein muss, dass keine Leckage
zwischen den Kreisläufen
in den Sammelkästen 2 erfolgt.
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Jeder
Sammelkasten 2 besteht aus einem Kastenelement 3 mit
zwei einstückig
miteinander ausgebildeten und je ein Medium aufnehmenden Sammelbereichen 4 und
einem im Wesentlichen eben ausgebildeten, diese Sammelbereiche 4 verschließenden Boden 5.
Im Boden 5 sind in zwei Reihen eine Mehrzahl von Öffnungen
ausgebildet, welche in ihrem Querschnitt im Wesentlichen dem Querschnitt
der Flachrohre entsprechen, welche durch sie leicht in den Sammelbereich 4 ragen.
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Zum
Vermeiden einer Leckage der Sammelbereiche 4 nach außen, das
heißt
an die Umgebung, sind die äußeren Ränder des
Bodens 5 auf an sich bekannte Weise entsprechend der Zeichnung
ausgebildet, wobei ein leicht elastisches Dichtelement zwischen
den verstärkt
ausgebildeten Enden des Kastenelements 3 und den rinnenartig
ausgebildeten äußeren Rändern des
Bodens 5 angeordnet ist.
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Zur
Vermeidung einer Leckage zwischen den einzelnen Sammelbereichen 4 ist
in jedem Sammelkasten 2 eine Dichtungsanordnung 6 vorgesehen,
welche zwischen dem Kastenelement 3 und dem Boden 5 zwischen
den Sammelbereichen 4 angeordnet ist. Die Dichtungsanordnung 6 weist
ein leicht elastisches Dichtelement 7 auf, welches von dem
Kastenelement 3 und dem Boden 5 zusammengepresst
ist.
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Da
insbesondere bei hohen Drücken
in den Sammelbereichen 4 die Gefahr besteht, dass der Sammelkasten 2 durch
den hohen Innendruck verformt wird, sind zur Sicherstellung der
Dichtwirkung zwischen den beiden Sammelbereichen 4 folgende Maßnahmen
getroffen:
Erstens ist im Boden 5, welcher im Wesentlichen plattenartig
ausgebildet ist, eine in Längsrichtung
der Dichtungsanordnung 6 verlaufende Rinne 8 vorgesehen,
in welche das Dichtelement 7 gelegt ist. Das Kastenelement 3 weist
einen sich in Längsrichtung desselben
erstreckenden Vorsprung 9 mit einer nach außen weisenden
Fläche
auf, welcher zumindest in den äußeren Bereich
der Rinne 8 passt. Auf Grund der üblicherweise herrschenden Spannungen
in Folge der Befestigung des Bodens 5 am Kastenelement 3 steht
das Dichtelement 7 unter einer in den meisten Fällen ausreichenden
Druckspannung.
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Zur
Erhöhung
der Sicherheit ist zweitens, benachbart zur Dichtungsanordnung 6 ein
Zugspannungserzeugungsmittel 10 vorgesehen, auf welches im
Folgenden unter Bezugnahme auf die einzelnen Ausführungsbeispiele
und die hierzu gehörenden
Figuren der Zeichnung näher
eingegangen werden soll. Da der prinzipielle Aufbau des Sammelkastens 2,
wie zuvor beschrieben, unverändert
bleibt, werden für
alle Ausführungsbeispiele
die zuvor genannten Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel, welches
einen Kunststoff-Sammelkasten 2 betrifft, gemäß dem das
Zugspannungserzeugungsmittel 10 eine Mehrzahl von in einer
Reihe angeordneten Schrauben 11 und mit diesen zusammenwirkenden Muttern 12 aufweist.
Die Schrauben 11 sind mit ihren Köpfen gemeinsam mit einem sich
in Längsrichtung parallel
zur Rinne 8 erstreckenden Element 13, in welches
die Schrauben 11 gesteckt und mit dem sie drehsicher verbunden,
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
verklebt, sind, mit dem Boden 5 des Sammelkastens 2 fest
verklebt und ragen mit ihren Endbereichen durch Öffnungen im Kastenelement 3. Die
Muttern 12 sind auf der dem Boden 5 gegenüberliegenden
Seite des Kastenelements 3 angeordnet. Ferner ist auf jeder
Schraube 11 bodenseitig des Kastenelements 3 und
in den Bereich der Öffnung
ragend ein Dichtelement 14 angeordnet. Das Element 13 dient
neben der Positionierung und zusätzlichen Unterstützung der
Schrauben 11 auch als plane Anlagefläche für das Dichtelement 14,
so dass dieses beim Einbau richtig positioniert und bei Betrieb gleichmäßig belastet
wird.
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Im
Bereich, in welchem die Köpfe
der Schrauben 11 mit dem Boden 5 verbunden sind, weist
der Boden 5 eine zweite Rinne 15 auf, die parallel
zur Rinne 8 verläuft.
Diese zweite Rinne 15 stellt eine gute und bei sich ändernden
Drücken
und hiermit verbundenen elastischen Verformungen des Sammelkastens 2 dauerfeste
Verbindung sicher. Das Kastenelement 3 ist in seinem Bereich
zwischen den beiden Sammelbereichen 4, zumindest von der
dem Boden 5 gegenüberliegenden
Seite gesehen, eben und ausreichend breit ausgebildet, so dass die
Mutter 12 problemlos mit dem erforderlichen Drehmoment angezogen
werden kann. Durch das Anziehen der Muttern 12 des Zugspannungserzeugungsmittels 10 wird
das Kastenelement 3 in seinem mittleren Bereich über seine
gesamte Länge
hinweg auf den Boden 5 zubewegt und mit diesem verspannt.
Die Vorspannung wirkt sich auf die benachbart verlaufende Dichtungsanordnung 6 derart
aus, dass das Dichtelement 7 stärker zwischen Kastenelement 3 und
Boden 5 eingepresst wird.
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Gemäß dem in 2 dargestellten
zweiten Ausführungsbeispiel
entsprechen die geometrischen Abmessungen des Kastenelements 3 und
des Bodens 5 denen des ersten Ausführungsbeispiels, wobei wiederum
eine am Boden 5 ausgebildete sich parallel zur ersten Rinne 8 erstreckende
zweite Rinne 25 vorgesehen ist. Im Bereich der zweiten
Rinne 25 ist jedoch gemäß dem Zugspannungserzeugungsmittel 10 des
zweiten Ausführungsbeispiels
ein mit einer Vielzahl von Innengewinden versehenes Element 26 verklebt,
in welches durch Öffnungen
im Kastenelement 3 Schrauben 27 eingeschraubt
sind, so dass die gleiche Funktion wie beim ersten Ausführungsbeispiel
erfüllt
wird. Zur Abdichtung sind wiederum Dichtelemente 24 vorgesehen,
welche in ihrer Funktion denen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen.
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Beim
in 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel entspricht die
Geometrie des Kastenelements 3 der des Kastenelements 3 des
ersten und zweiten Ausführungsbeispiels.
Am Boden 5 ist jedoch keine zweite Rinne vorgesehen, so
dass er bis zur Rinne 8 im Wesentlichen eben verläuft und
im Prinzip einen Teil eines der Sammelbereiche 4 bildet. Auf
der kastenseiti gen Seite des Bodens 5 ist, entsprechend
dem ersten Ausführungsbeispiel,
ein sich in Längsrichtung,
parallel zur Rinne 8 erstreckendes Element 33 angeklebt,
welches eine Mehrzahl von Schrauben 31 umfasst, die durch Öffnungen
im Element 33 gesteckt und mit dem Kastenelement 3 verklebt
sind. Auf die durch Öffnungen
im Kastenelement 3 ragenden Enden der Schrauben 31 sind
Muttern 32 geschraubt. Ebenfalls sind, entsprechend den
zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, zur
Abdichtung der Öffnungen
Dichtelemente 34 vorgesehen.
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4 zeigt
das vierte Ausführungsbeispiel, welches
im Prinzip einer Kombination der Geometrie des dritten Ausführungsbeispiels
mit dem Zugspannungserzeugungsmittel 10 des zweiten Ausführungsbeispiel
entspricht. Auf Grund des Wegfalls der zweiten Rinne ist das mit
einer Mehrzahl von Innengewinden versehene Element 46 leistenartig
ausgebildet und mit seiner einen Fläche mit der kastenseitigen planen
Fläche
des Bodens 5 verklebt. In das Element 46 sind
durch Öffnungen
im Kastenelement 3 gesteckte Schrauben 47 eingeschraubt.
Ferner sind Dichtelemente 44 zur Abdichtung der Öffnungen
vorgesehen.
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Entsprechend
dem fünften
in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Geometrie
des Kastenelements 3 und des Bodens 5 entsprechend dem
zuvor beschrieben dritten Ausführungsbeispiel vorgesehen.
Auf der kastenseitigen Seite des Bodens 5 ist, entsprechend
dem dritten Ausführungsbeispiel,
ein sich in Längsrichtung,
parallel zur Rinne 8 erstreckendes U-förmiges
Element 53 angeklebt, welches eine Mehrzahl von Gewindebolzen 51 umfasst,
die mit ihrem einen Ende durch Öffnungen
ins Element 53 gesteckt und mit dem Element 53 verpresst
sind. Auf die durch Öffnungen
im Kastenelement 3 ragenden Enden der Gewindebolzen 51 sind Muttern 52 geschraubt.
Ebenfalls sind, entsprechend den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, zur
Abdichtung der Öffnungen
Dichtelemente 54 vorgesehen.
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Die 6a, 6b, 7a und 7b zeigen
ein sechstes und siebtes Ausführungsbeispiel
eines Sammelkastens 62 beziehungsweise 72, welches
sich jeweils in seinem Aufbau im Wesentlichen vom bisher beschriebenen
Aufbau dadurch unterscheidet, dass an Stelle einer Dichtungsanordnung 6 beidseitig
des Zugspannungserzeugungsmittels je eine Dichtungsanordnung 66 beziehungsweise 76 angeordnet
ist, weshalb das Zugspannungserzeugungsmittel 10 mittig
zwischen zwei Sammelbereichen 64 beziehungsweise 74 angeordnet
ist, und dass an Stelle von Schrauben oder Gewindebolzen als Teil
des Zugspannungserzeugungsmittels 10 eine Reihe von Clipsverbindungen 60 beziehungsweise 70 verwendet
werden, wobei jedoch auch die Verwendung von Schrauben usw. möglich ist.
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Für die Dichtungsanordnungen 66 beziehungsweise 76 sind
jeweils zwei parallel zueinander verlaufende Rinnen 68 beziehungsweise 78 im
Boden 65 beziehungsweise 75 vorgesehen, in welche
je ein Dichtelement 67 beziehungsweise 77 gelegt
ist, das auf seiner anderen Seite mit einer planen Fläche des
Kastenelements 63 beziehungsweise 73 anliegt.
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Gemäß dem sechsten
Ausführungsbeispiel wird
jede Clipsverbindung 60 durch in das Kastenelement 63 eingespritztes
Teil, welches zwei Federarme mit hakenartigen Enden aufweist, und
eine hiermit zusammenwirkende Hinterschneidung, die im Boden 65 in
Form von mehreren Öffnungen
in Form von Langlöchern
ausgebildet ist, gebildet. Da bei der Montage ein gewisser Druck
zum Einschnappen der Clipsverbindung 60 ausgeübt wird,
wird der Boden 65 stets in Richtung des Kastenelements 63 gezogen, so
dass ein ausreichendes Zusammenpressen der beiden Teile im Bereich
der Dichtungsanordnungen 66 sichergestellt ist.
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Beim
siebten Ausführungsbeispiel
ist das Teil mit den Federarmen einstückig mit dem Kastenelement 73 ausgebildet
und entspricht in seiner Form und Wirkungsweise dem des sechsten
Ausführungsbeispiels.
Im Unterschied zum sechsten Ausführungsbeispiel
ist am Boden 75 ein getrennt vom Boden 75 ausgebildetes
Hohlprofil angebracht, in welchem Öffnungen in Richtung Kastenelement 73 in Form
von Langlöchern
ausgebildet sind. In diese Öffnungen
greifen die Federarme mit ihren hakenartigen Enden ein und stellen
eine ausreichende Vorspannung sicher.
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Es
ist offensichtlich, dass an Stelle von Zugspannungserzeugungsmitteln
auch entsprechend auf beide Außenseiten
von Kastenelement und Boden wirkende Druckspannungserzeugungsmittel
vorgesehen sein können,
wofür insbesondere
sowohl im Kastenelement als auch im Boden miteinander fluchtende Öffnungen
vorgesehen sind, durch die das Druckspannungserzeugungsmittel ragt,
beispielsweise eine Schraube mit einer Mutter, wobei auf einer Außenseite
der Kopf der Schraube und auf der anderen Außenseite die Mutter anliegt.
Gegebenenfalls können
auch beide Spannungserzeugungsmittel miteinander kombiniert werden.
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Ebenso
selbstverständlich
ist, dass bei sämtlichen
zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die
Anordnung der Öffnungen
und der Elemente vertauscht werden kann, das heißt, die Öffnungen können im Boden vorgesehen und
die Elemente am Kastenelement angebracht sein.
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- 1
- Wärmetauscher
- 2,
62, 72
- Sammelkasten
- 3,
63, 73
- Kastenelement
- 4,
64, 74
- Sammelbereich
- 5,
65, 75
- Boden
- 6,
66, 76
- Dichtungsanordnung
- 7,
67, 77
- Dichtelement
- 8,
68, 78
- Rinne
- 9
- Vorsprung
- 10
- Zugspannungserzeugungsmittel
- 11,
31
- Schraube
- 12,
32, 52
- Mutter
- 13,
33, 53
- Element
mit Schrauben
- 14,
24, 34, 44, 54
- Dichtelement
- 15,
25
- zweite
Rinne
- 26,
46
- Element
mit Innengewinden
- 27,
47
- Schraube
- 51
- Gewindebolzen
- 60,
70
- Clipsverbindung