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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager,
insbesondere für
ein Kraftfahrzeug und insbesondere einen Ladeluftkühler, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Wärmeübertrager
weisen in der Regel zwei Sammelkästen
auf, zwischen denen Rohre, beispielsweise Flachrohre, und Wellrippen
angeordnet sind. Um die Sammelkästen
zu verbinden und die äußeren Wellrippen
zu schützen,
sind häufig
Seitenteile zwischen den Sammelkästen
angeordnet.
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Problematisch
bei derartigen Wärmeübertragern,
insbesondere bei Ladeluftkühlern,
ist, dass die äußersten
Rohre in Vergleich mit den mittleren Rohren und den entsprechenden
Wellrippen relativ kalt sind, so dass bei Betrieb, insbesondere
bei Betriebsbeginn, in Folge der unterschiedlichen Temperaturen und
der damit verbundenen unterschiedlichen Wärmeausdehnung der einzelnen
Wärmeübertragerteile im
Wärmeübertrager
Spannungen entstehen. Dabei sind die äußeren Rohre kälter, d.h.
kürzer,
als die inneren Rohre und die Wellrippen, so dass die Lötverbindungen
der äußeren Rohre
mit den Rohrböden stark
belastet werden. Auf Grund der Belastungen kommt es insbesondere
bei den äußeren Rohren
im Bereich der Lötverbindungen
mit den Rohrböden
zu unerwünschten
Rissbildungen.
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Aus
der
DE 197 53 408
A1 ist ein Wärmeübertrager
für ein
Kraftfahrzeug bekannt, der einen Rippen/Rohrblock mit einer Vielzahl
von nach Art einer Netzstruktur miteinander verbundenen Rohren und
Wellrippen aufweist. Um den Rippen/Rohrblock insbesondere während eines
Fertigungsprozesses zu stabilisieren, ist er auf gegenüberliegenden
Seiten von zwei Seitenteilen eingefasst. Aus Festigkeitsgründen besitzt
ein solches Seitenteil im Querschnitt ein etwa U-förmiges Profil,
wobei die beiden hochgebogenen Schenkel als Verstärkungsrippen
dienen. Für
eine verbesserte Verteilung der thermischen Spannungen während des
Betriebs des Wärmeübertragers
können
diese Verstärkungsrippen
gemäß der
DE 197 53 408 A1 Dehnungsbereiche
aufweisen, die als faltenartige Sicken ausgebildet sind.
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Gemäß der
DE 103 55 123 A1 sind
neben Verstärkungsrippen
auch Dehnungsabschnitte vorgesehen, gebildet durch Durchbrüche im Seitenteil, die
mit den Verstärkungsrippen
korrespondieren. Die Verstärkungsrippen
werden durch ein umgeformtes Flächenmittelstück der Grundplatte
des Seitenteils gebildet, wobei zur Fertigung des Seitenteils ein Rand
des Flächenmittelstücks abschnittsweise
vorgeschnitten und danach das Flächenmittelstück aus der
Ebene der Grundplatte heraus umgeformt wird. Neben den Dehnungsabschnitten
kann das Seitenteil an seinen längsseitigen
Enden Fortsätze
aufweisen, die der Deckelung von Sammelkästen dienen. Zur Verringerung
von mechanischen Belastungen weist das Seitenteil zwei Dehnungsbereiche
auf, die im Wesentlichen durch Durchbrüche gebildet sind. Diese verlaufen
quer zur Längserstreckung
der Seitenteile über
nahezu die gesamte Ebene, d.h. nicht umgebogene Fläche des
Seitenteils.
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Aus
der US-Patentschrift 3,939,908 A ist das Vorsehen von Öffnungen
mit Nasen im Seitenteil bekannt, die ein Mittel zur Verteilung des
Lots bilden, so dass nicht die gesamte Fläche des Seitenteils mit den
Rohren/Wellrippen verlötet
wird, wodurch die Funktion von Elementen für einen Ausgleich der unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten und
der damit verbundenen unterschiedlichen Längenausdehnung von Seitenteil
und Rohren/Wellrippen, wie beispielsweise eine faltenartige Sicke,
gesichert wird. Bei derartigen faltenartigen Sicken, die einen Teil
der Spannungen ausgleichen, die in Folge unterschiedlicher Längenausdehnungen
der Rohre entstehen, kommt es jedoch häufig zu einem Reißen der
Sicke in Folge einer Überlastung.
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Um
die Zugbelastungen auf die Rohre zu vermeiden und dadurch die Rohre
zu schützen,
sind quer zur Längserstreckung
geteilte Seitenteile bekannt. Derartige Wärmeübertrager lassen somit noch Wünsche offen,
insbesondere in Hinblick auf die Belastung der Lötverbindungen der äußeren Rohre
mit den Rohrböden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmeübertrager zur Verfügung zu
stellen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Wärmeübertrager
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein
Wärmeübertrager vorgesehen,
insbesondere für
ein Kraftfahrzeug, mit zwischen Sammelkästen angeordneten, von einem ersten,
heißen
Medium durchströmbaren
Rohren und ggf. Wellrippen und mit mindestens einem seitlich zwischen
zwei Sammelkästen
angeordneten Seitenteil, wobei ein die Rohre und ggf. Wellrippen
umströmendes
zweites Medium bei Betrieb kälter
als das erste, heiße
Medium ist, das Seitenteil zumindest einen Teil der Zugspannungen
aufnimmt, die in Folge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen der Rohre und
ggf. Wellrippen bei Betrieb zumindest auf das äußerste Rohr wirkt, und das
Seitenteil Schlitze und/oder Öffnungen
aufweist, welche die Federkonstante des Seitenteils gegenüber einem
Seitenteil ohne Schlitzen und/oder Öffnungen derart verändert, dass
bei einer unterschiedlichen Längenausdehnung der
mittleren Rohre in Vergleich zum äußersten, benachbart zum Seitenteil
angeordneten Rohr die auf das äußerste Rohr
wirkende Zugspannung verringert ist. Dadurch, dass die Zugspannungen
bei Betrieb gezielt verringert werden, ist die Lötverbindung zwischen dem äußersten
Rohr und den Rohrböden
vor Überlastungen
geschützt,
wodurch Risse und daher eine Undichtheit des Wärmeübertragers vermieden werden
können.
Dabei ist die Federkonstante des Seitenteils mittels Schlitzen und/oder Öffnungen
in Verbindung mit dem tragenden Querschnitt und dessen wirksamer
Länge festlegbar.
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Sind
Schlitze im Seitenteil vorgesehen, so verlaufen diese bevorzugt
zumindest bereichsweise quer zur Längserstreckung des Seitenteils,
so dass der tragende Querschnitt entsprechend verringert wird. Die
Anordnung kann symmetrisch oder asymetrisch sein.
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Vorzugsweise
sind die Schlitze nur über
einen Teil der Länge
des Seitenteils verlaufend ausgebildet, wodurch die wirksame Länge des
tragenden Querschnitts festgelegt wird.
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Die
Schlitze sind vorzugsweise H- oder T-förmig ausgebildet, wobei sie
bevorzugt in Längserstreckung
und/oder senkrecht hierzu angeordnet sind. Insbesondere ist eine
H-förmige
Ausgestaltung der Schlitze bevorzugt, wobei das „H" in Längsrichtung des Seitenteils
ausgerichtet ist.
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Sind Öffnungen
im Seitenteil vorgesehen, so sind die Öffnungen vorzugsweise kreisförmig und/oder
oval und/oder ellipsenförmig
und/oder langlochartig ausgebildet. Andere Formen sind möglich.
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Das
Seitenteil ist vorzugsweise in seinem Querschnitt flach, d.h. rechteckförmig, oder
U-förmig ausgebildet.
Derartige Seitenteile lassen sich einfach aus einem Blech mittels
Stanzen und gegebenenfalls Umformen herstellen.
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Vorzugsweise
weist das Seitenteil mindestens eine Rippe auf, wobei dieselbe sich
bevorzugt senkrecht zur Oberfläche
des Seitenteils erstreckt. Die Rippen können einstückig mit dem Seitenteil ausgebildet
sein oder aufgesetzt sein. Im Falle einer einstückigen Ausgestaltung kann die
Rippe mittels Biegen, gegebenenfalls auch mittels Strecken ausgebildet
sein.
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Das
Seitenteil kann aus mindestens zwei Teilen bestehen, die miteinander
fest verbunden sind. Insbesondere Rippen können am Seitenteil angebracht
sein, beispielsweise mittels Schweißens, gegebenenfalls auch mittels
Lötens,
Nietens.
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Das
Seitenteil weist vorzugsweise in seiner Längserstreckung eine Federkonstante
von 1000 N/mm bis 40000 N/mm auf. Federkonstanten in dieser Größenordnung
ergeben eine optimale Spannungsreduzierung, insbesondere im Falle
von Wärmeübertragern
aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen.
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Der
Wärmeübertrager
ist vorzugsweise bei gleichmäßiger Temperaturverteilung
und Raumtemperatur spannungsfrei. Alternativ kann das Seitenteil bei
Raumtemperatur unter einer vorgegebenen Druckspannung in Richtung
seiner Längserstreckung stehen,
d.h. das äußerste Rohr
ist etwas vorgespannt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit mehreren
Varianten unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1a–d schematische,
ausschnittsweise Draufsichten auf Seitenteile mit unterschiedlichen Schlitzmustern,
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2a–d schematische
Schnitte von Seitenteilen mit unterschiedlichen Querschnitten,
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3a–f schematische,
ausschnittsweise Draufsichten auf Seitenteile mit weiteren Schlitzmustern,
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4a–e schematische,
ausschnittsweise Draufsichten auf Seitenteile mit weiteren Öffnungsmustern,
und
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5a–5j Darstellungen
einer weiteren Variante.
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Ein
Wärmeübertrager,
vorliegend ein Ladeluftkühler
eines Kraftfahrzeugs, von dem in der Zeichnung nur Teile von Seitenteilen 1 dargestellt
sind, weist gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel zwei
Sammelkästen,
gebildet durch wannenförmige Kastenelemente
und Rohrböden,
einer Mehrzahl von Rohren, deren Enden in Öffnungen ragen, die in den Rohrböden vorgesehen
sind, und Wellrippen, die zwischen den Rohren angeordnet sind. Die
Seitenteile 1 sind zwischen den Sammelkästen außenseitig angeordnet, wofür sie fest
mit den Sammelkästen, aber
nicht direkt mit den Rohren und/oder Wellrippen verbunden sind.
Die Teile des Wärmeübertragers sind
auf an sich bekannte Weise miteinander verlötet, was bevorzugt in einem
einzigen Lötvorgang
erfolgt, oder auf sonstige Weise fest miteinander verbunden.
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Um
bei Betriebsbeginn oder bei Beginn einer erhöhten Belastung des Ladeluftkühlers Spannungen
zwischen den Rohrböden
und insbesondere den äußeren Rohren
möglichst
gering zu halten, sind die Seitenteile entsprechend in ihren Federkonstanten ausgelegt.
Das heißt,
wenn beim Wärmeübertrager eine
Längendifferenz
der mittleren, heißen
Rohre und der äußeren, kalten
und daher kurzen Rohre auftritt, die zu Spannungen insbesondere
bei den äußeren Rohren
im Bereich der Lötverbindungen
mit den Rohrböden
führt,
gleichen die Seitenteile diese Spannungen zumindest teilweise aus,
indem sie bei einer Temperatur- und somit Längendifferenz der mittleren
und äußeren Rohre
als eine Art Zuganker wirken und dadurch der Zugspannung auf die äußersten
Rohre, die durch die benachbarten, inneren/mittleren Rohre verursacht
wird, entgegenwirken. Hierbei sind – im Gegensatz zu den faltenartigen
Sicken, die bei herkömmlichen
Seitenteilen vorgesehen sind – Schlitze 2 oder
andere Öffnungen
im Seitenteil 1 vorgesehen, welche sicherstellen, dass
die Federkennlinie, d.h. die Kraft über der Längendifferenz der (insbesondere äußersten
und zweitäußersten)
Rohre, des Seitenteils 1 jeweils die Zugspannung durch
die inneren bis zweitäußersten
Rohre auf das äußerste Rohr
im Wesentlichen durch eine entsprechende, entgegengerichtete Zugspannung
(also einen entsprechenden Druck auf das jeweilige äußerste Rohr)
ausgleicht.
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Hierbei
liegt die Federkonstante D bei einem Wärmeübertrager aus Aluminium oder
einer Aluminiumlegierung bevorzugt in einem Bereich von 1000 N/mm
bis 40000 N/mm, wobei die Federkonstante im normalen Betriebsbereich
nicht notwendigerweise konstant sein muss, d.h. dass die Federkennlinie
linear ansteigend sein muss. Die Festlegung der Federkonstante(n)
erfolgt durch die Wahl des tragenden Querschnitts und dessen wirksamer
Länge.
Es ist zur Sicherstellung der Funktion als Zuganker erforderlich,
dass über
den gesamten Betriebsbereich eine rein elastische Verformung des
Seitenteils erfolgt.
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Im
Seitenteil 1 sind, gemäß dem Ausführungsbeispiel,
H-förmig
angeordnete Schlitze 2 vorgesehen, um die Federkonstante
D in Längserstreckung
des Seitenteils 1 derart zu optimieren, dass die Zugspannung
des Seitenteils 1 bei entsprechender Längendifferenz der benachbarten äußersten
Rohre dieselbe ausgleicht, d.h. dass die Kraft des Seitenteils 1 auf
das äußerste Rohr die
auf das äußerste Rohr
wirkende Zugspannung in Folge der Längendifferenz der Rohre ausgleicht,
so dass die Lötverbindungen
zwischen dem äußersten
Rohr und den an beiden Enden des Rohres angeordneten Rohrböden, durch
die der Kraftfluss verläuft,
geschützt
werden. Die Schenkel des H verlaufen hierbei in Richtung der Längserstreckung
des Seitenteils 1 und die Querverbindung senkrecht hierzu.
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Gemäß einer
ersten, in 1b dargestellten Variante sind
T-förmige
Schlitze 2 vorgesehen, wobei beide Schenkel des T senkrecht
zur Längserstreckung
des Seitenteils 1 und miteinander fluchtend an der Seite
desselben endend und die beiden Querlinien in Längserstreckung des Seitenteils 1 und
parallel zueinander, wobei sie in gleicher Höhe enden, angeordnet sind.
Gemäß einer
zweiten Variante ist lediglich ein T-förmiger Schlitz 2 vorgesehen,
dessen Schenkel senkrecht zur Längserstreckung
des Seitenteils 1 auf einer Seite desselben endend und
die Querlinie in Längserstreckung
des Seitenteils 1 außermittig
desselben angeordnet ist. Entsprechend einer dritten Variante sind
eine Mehrzahl von H-förmigen
Schlitzen 2 vorgesehen, die entsprechend dem Ausführungsbeispiel
ausgebildet und auf gleicher Höhe
angeordnet sind.
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Der
Querschnittsverlauf des Seitenteils 1 muss, wie aus den 1a–d ersichtlich,
nicht notwendigerweise über
die gesamte Längserstreckung desselben
konstant sein. Dies gilt auch für
die Dicke und Gesamtbreite des Seitenteils 1. Das Seitenteil 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel
ist im Wesentlichen, d.h. abgesehen von den Endbereichen, in welchen
es mit den Sammelkästen
verlötet
ist, eben ausgebildet. 2a zeigt einen Schnitt durch
dasselbe im Bereich der Schenkel der H-förmigen Schlitze 2.
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Gemäß einer
ersten Variante, die in 2b dargestellt
ist, sind die beiden Ränder
in Längserstreckung
des Seitenteils um 90° umgebogen,
so dass das Seitenteil 2 U-förmig ausgebildet ist. Die Schlitze 2 verlaufen – gemäß der Darstellung
von 2b – in den
Eckbereichen. Alternativ können
die Schlitze 2 auch im Bodenbereich, wie in 2c dargestellt, und/oder
gegebenenfalls auch im Bereich der Schenkel verlaufen.
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Gemäß weiteren
Varianten sind Rippen oder Ränder
eines Seitenteils um weniger oder mehr als 90° umgebogen, so dass die Rippen
beziehungsweise Ränder
im Querschnitt als schräge
Schenkel ausgebildet sind.
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2d zeigt
eine Variante eines Seitenteils 1, bei dem eine sich senkrecht
von der Oberfläche desselben
erhebende Rippe 3 etwa mittig neben einem in Längserstreckung
des Seitenteils verlaufenden Schlitz 2 vorgesehen ist.
Diese Rippe 3 ist vorliegend mittels Schweißens am
Seitenteil 1 fest angebracht. Ein Rand ist – entsprechend
der vorigen Variante – um
90° in 2d umgebogen,
wobei sich Rand und Rippe 3 in die gleiche Richtung erstrecken.
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Die 3a bis 3f zeigen
verschiedene andere Varianten von Schlitzen 2, die von
einer oder beiden Seiten schräg
oder senkrecht zur Längserstreckung
des Seitenteils 1 angeordnet sind. Gemäß der Darstellung sind die
Schlitze 2 in äquidistanten Abständen vorgesehen,
jedoch können
auch sich ändernde
Abstände
und/oder sich ändernde
Winkel zur Längserstreckung
des Seitenteils 1 vorgesehen sein.
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Gemäß den Darstellungen
der 4a bis 4g sind an
Stelle von Schlitzen Öffnung 4 im
Seitenteil 1 vorgesehen, wobei eine einzelne, kreisförmige Öffnung 4 (vgl. 4c),
eine Mehrzahl in einer Reihe oder versetzt angeordneten kreisförmigen Öffnungen 4 (vgl. 4a, 4b)
oder beispielsweise auch ovale Öffnungen 4 mit
den unterschiedlichsten Anordnungen der Längsachse (vgl. 4d bis 4e) vorgesehen
sein können.
Dabei können
die Längsachsen
auch schräg
angeordnet sein.
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Beliebige
Kombinationen oder andere Gestalten der Öffnungen und/oder Schlitze
sind möglich,
je nach gewünschter
Federkennlinie des Seitenteils 1.
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Die 5a bis 5j zeigen
eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels
mit einem Seitenteil 1, in dem drei H-förmig angeordnete Schlitze 2 vorgesehen
sind. Hierbei haben die Schlitze 2 jeweils die gleiche
Breite, die vorliegend ca. einem Zwanzigstel der Breite des Seitenteils
entspricht. Die beiden, die Schenkel des „H" bildenden Schlitze 2 erstrecken sich – bezüglich der
Länge des
Seitenteils 1 mittig angeordnet – über etwas mehr als ein Drittel
der Gesamtlänge
des Seitenteils 1. Der die beiden Schenkel verbindende
Schlitz 2 ist bezüglich
der Länge
des Seitenteils 1 in der Mitte angeordnet und endet in
den die Schenkel bildenden Schlitzen 2. Die Randbreite des
Seitenteils 1 beträgt
außenseitig
des Schlitzes 2, der dem Rand am nächsten liegt, etwa ein Sechstel der
Gesamtbreite des Seitenteils 1.
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Entlang
der Mittellängsachse
des Seitenteils 1 sind vorliegend acht sich in Längsrichtung
erstreckende V-förmige
Sicken 5 angeordnet, deren Tiefe etwas geringer als die
Materialstärke
des Seitenteils 1 ist. Die Länge der Sicken 5 ist
deutlich kleiner als die der Schlitze 2. Vorliegend beträgt die Länge der Sicken 5 nur
etwa ein Drittel der Länge
des kurzen, quer zur Längserstreckung
des Seitenteils 1 verlaufenden Schlitzes 2. Neben
den acht sich in Längsrichtung
des Seitenteils 1 erstreckenden Sicken 5 sind
zwei weitere, entsprechend ausgebildete und parallel dazu ausgerichtete
Sicken 5 im Randbereich des Seitenteils 1 in der
Höhe des
quer verlaufenden Schenkels 2 angeordnet.
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Ferner
ist in der Mittellängsachse
des Seitenteils 1 im Endbereich der Schenkel des durch
die Schlitze 2 gebildeten „H" mittig zwischen den Schenkelenden jeweils
eine Öffnung 4 in
Form einer Bohrung mit einem Innendurchmesser, der größer als
die Breite der Schlitze 2 ist, vorgesehen.