DE102007025878A1

DE102007025878A1 - Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluftkühler

Info

Publication number: DE102007025878A1
Application number: DE102007025878A
Authority: DE
Inventors: Karsten Schnittger; Wolfgang Reeb; Kurt Boesshar; Oliver Liedtke
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-01-31
Also published as: US20090183864A1; EP2029953A1; WO2007137866A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1), bestehend aus einem Rohre (2) und Rippen (3) aufweisenden Block (4) sowie mindestens einem Aufnahmeöffnungen (7) aufweisenden Rohrboden (6), wobei die Rohre (2) Rohrenden (2a) aufweisen, welche in den Aufnahmeöffnungen (7) aufnehmbar sind und mit dem Rohrboden (6) Rohr/Boden-Verbindungen bilden, welche zumindest teilweise durch ein zusätzliches Blechteil verstärkbar sind. Es wird vorgeschlagen, dass das Blechteil (8) Druchstecköffnungen (9) für die Rohrenden (2a) aufweist und auf der dem Block (4) zugewandten Seite des Rohrbodens (6) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine Schwachstelle der bekannten Wärmeübertrager sind die Rohr/Boden-Verbindungen, welche vorzugsweise als Lötverbindung zwischen den Rohrenden der Rohre und Durchzügen des Rohrbodens ausgebildet sind. Die Beanspruchung der Rohr/Boden-Verbindung ist vielfältig: beispielsweise treten Schub- und Biegekräfte auf, die vom Rohr auf den Rohrboden übertragen werden. Insbesondere die Eckrohre, d. h. die außen liegenden Rohre sind einer erhöhten Beanspruchung unterworfen, weshalb es bei diesen Rohr/Boden-Verbindungen zu Rissen in den Rohrenden, im Rohrboden oder in der Lötstelle (Lötmeniskus) kommen kann. Bei als Ladeluftkühlern ausgebildeten Wärmeübertragern werden die Rohre und die Sammelkästen durch den Innendendruck der komprimierten Ladeluft beansprucht; ebenso ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen der Rohre Schub- und Biegespannungen in den Rohr/Boden-Verbindungen.
Es wurden bereits Vorschläge bekannt, um diese erhöhten Beanspruchungen zu reduzieren bzw. zu vermeiden: durch die DE 103 16 756 A1 der Anmelderin wurde ein Ladeluftkühler mit einem Rohrboden und Durchzügen bekannt, in welche Flachrohre eingelötet sind. Zwischen den Längsseiten des Rohrbodens und den Schmalseiten der Durchzüge sind Profilleisten ein gelegt und mit dem Rohrboden sowie den Durchzügen verlötet, wodurch eine Verstärkung des Rohrbodens und ein Abbau der Spannungsspitzen erzielt wird. Diese Maßnahme gilt insbesondere der in diesem Bereich auftretenden Biegespannung.
Durch die DE 103 54 382 der Anmelderin wurde ein Ladeluftkühler mit Flachrohren bekannt, deren Rohrenden in Durchzüge eines Rohrbodens eingelötet sind. Zur Verstärkung der Rohr/Boden-Verbindungen ist im Bereich der Eckrohre ein integriertes Bauteil auf den Rohrboden aufgesetzt, welches mit zinkenartigen Fingern an den Schmalseiten der Flachrohre in die Rohrenden hineinragt und mit diesen verlötet ist. Dadurch ergibt sich eine Entlastung der Rohr/Boden-Verbindung insbesondere im Bereich der Spannungsspitzen, welche vorwiegend auf den Schmalseiten auftreten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Rohrboden und die Rohr/Boden-Verbindungen von Wärmeübertragern der eingangs genannten Art auf einfache Art und kostengünstig zu entlasten, um die Dichtheit der Rohr/Boden-Verbindung auch bei stärkeren Beanspruchungen zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist ein Blechteil mit Durchstecköffnungen für die Rohrenden vorgesehen, welches auf der Außenseite des Rohrbodens, d. h. der dem Block zugewandten Seite angeordnet ist. Das Blechteil umfasst mit seinen Durchstecköffnungen den Umfang der Rohre und ist mit diesen stoffschlüssig verbunden. Andererseits liegt das Blechteil flächig auf der Unterseite des Rohrbodens auf und ist in diesem Bereich mit dem Rohrboden stoffschlüssig, vorzugsweise durch Löten verbunden. Damit ergibt sich – zumindest partiell für die besonders beanspruchten Rohr/Boden-Verbindungen – ein Krafteinleitungsblech, welches die vom Rohr in den Rohrboden zu übertragenden Kräfte vergleichmäßigt und herabsetzt. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Krafteinleitungsblech für die Eckrohre, d. h. die äußeren Rohre des Blockes verwendet, da diese am stärksten beansprucht sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass das erfindungsgemäße Blechteil einfach aus einer Blechplatine herstellbar ist, teilweise mit denselben Werkzeugen für die Öffnungen, und ein fach während des Lötprozesses mit dem Rohrboden und den Rohren verbunden werden kann. Damit sind die kritischen Rohr/Boden-Verbindungen hinreichend entlastet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohre als Flachrohre und die Aufnahmeöffnungen des Rohrbodens als Durchzüge ausgebildet. Die Öffnungen zum Durchstecken der Rohrenden in dem Krafteinleitungsblech sind ebenfalls als Durchzüge ausgebildet. Somit ergeben sich sowohl auf der Bodenseite als auch auf der Seite des Krafteinleitungsbleches günstige Lötvoraussetzungen, zumal die Durchzüge des Bodens und die Durchzüge des Krafteinleitungsbleches in entgegengesetzte Richtungen weisen. Damit wird der Vorteil einer stabilen, insbesondere biege- und schubfesten Aufnahme der Rohre im Boden sichergestellt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Rohrboden Teil eines offenen Kastenprofils, wie es beispielsweise für so genannte Ganzmetall- oder Ganzaluminium-Wärmeübertrager verwendet wird. Das zusätzliche Blechteil ist als Verstärkungs- oder Stützblech derart ausgebildet, dass es zumindest einen Teil des Rohrbodens, vorzugsweise im Bereich einer Trennwand und auch Teile der beiden Längsseiten des Kastenprofils umfasst, d. h. an das Kastenprofil angepasst ist. Der Rohrboden ist zur Blockseite hin leicht gewölbt und weist nach innen gerichtete Durchzüge auf, zwischen denen sich konvex nach außen gewölbte Bereiche befinden, welche im Längsschnitt durch das Kastenprofil einen Scheitel und im Querschnitt durch den Scheitel eine Scheitellinie aufweisen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verstärkungsbleches liegt dieses auf den Scheitellinien auf und bildet dort eine Kontaktzone, die vorzugsweise als Lötzone dient. Dadurch wird eine feste stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verstärkungsblech und dem Rohrboden geschaffen, was zu einer wesentlichen Verstärkung, insbesondere bei Innendruckbeaufschlagung des Kastenprofils führt. Das Verstärkungsblech ist im Bereich der Durchzüge bzw. der in den Durchzügen steckenden Flachrohre ausgespart und weist somit eine Vielzahl von zwischen den Rohren bzw. Durchzügen angeordneten Bandagenbänden auf, welche auf den Scheitellinien liegen und somit den Rohrboden verstärken. Durch die Verstärkung und Versteifung des Rohrbodens werden gleich zeitig die Rohrbodenverbindungen entlastet, sodass eine verbesserte Dichtheit und eine erhöhte Lebensdauer des Wärmeübertragers erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Krafteinleitungs- oder Verstärkungsblech ist besonders vorteilhaft für Ladeluftkühler verwendbar, in welchen heiße, komprimierte Ladeluft für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge gekühlt wird. Bei Ladeluftkühlern sind die durch unterschiedliche Wärmedehnungen der Rohre hervorgerufene Spannungen besonders kritisch, d. h. das erfindungsgemäße Kraft- oder Lasteinleitungsblech wirkt sich bei Ladeluftkühlern besonders vorteilhaft aus, zumal diese auch einem erhöhten Innendruck aufgrund der komprimierten Ladeluft unterliegen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 einen Ausschnitt eines Ladeluftkühlers mit erfindungsgemäßem Lasteinleitungsblech,
2 das Lasteinleitungsblech als Einzelteil,
3 ein Kastenprofil mit verstärktem Rohrboden,
4 einen Längsschnitt durch das Kastenprofil und
5 einen Querschnitt durch das Kastenprofil.
1 zeigt einen Eckausschnitt eines Ladeluftkühlers 1, welcher einen aus Flachrohren 2 und Wellrippen 3 bestehenden Block 4 aufweist, welcher durch ein Seitenteil 5 an der äußersten Wellrippe 3 abgeschlossen ist. Mit dem Block 4 ist ein Rohrboden 6 verbunden, welcher Durchzüge 7 zur Aufnahme der Flachrohrenden 2a aufweist. Zur Verdeutlichung der Rohr/Boden-Verbindung zwischen Flachrohrende 2a und Durchzug 7 sind der Rohrboden 6 mit Durchzug 7, ein Flachrohr 2 und das Seitenteil 5 angeschnitten. Die Rohrenden 2a sind mit den (in der Zeichnung) nach oben gerichteten Durchzügen 7 verlötet und bilden die Rohr/Boden-Verbindung. Ferner sind die Wellrippen 3 mit den flachen Seiten der Flachrohre 2 verlötet, ebenso das Seitenteil 5 mit der Wellrippe 3 und dem Boden 6, welcher eine Lasche 6a aufweist, die von einer Kralle 5a des Seitenteiles 5 umfasst wird. Nicht dargestellt ist ein Deckel oder Sammelkasten, welcher auf den Rohrboden 6 aufgesetzt wird und vorzugsweise mit dem Randbereich des Rohrbodens 6 verlötbar ist. Alternativ wäre jedoch auch ein Kunststoffkasten möglich, welcher durch eine geeignete mechanische Klemmverbindung mit dem Rohrboden 6 verbunden werden kann. Soweit entspricht der Ladeluftkühler 1 dem Stand der Technik.
Erfindungsgemäß ist auf der Unter- bez. Außenseite des Bodens 6 (die den Rippen 3 zugewandte Seite) ein Verstärkungsblech 8, ein so genanntes Last- oder Krafteinleitungsblech, angeordnet, welches durch Löten mit dem Rohrboden 6 verbunden ist. Das Verstärkungsblech 8 weist im Bereich der Rohre 2 (in der Zeichnung) nach unten gerichtete Durchzüge 9 auf, welche die Rohre 2 umfassen und mit den Rohrenden 2a verlötet sind. Somit steckt das Rohrende 2a in zwei in entgegengesetzte Richtungen weisenden Durchzügen 7, 9 des Rohrbodens 6 und des Verstärkungsbleches 8. Man erkennt aus der Zeichnung, dass sich durch die gegensinnige Ausrichtung der Durchzüge eine größere Einspannlänge X für die Rohre ergibt, sodass die von den Rohren 2 auf den Boden 6 zu übertragenden Kräfte und Momente einerseits in das Verstärkungsblech 8 und andererseits direkt über die Durchzüge 7 in den Rohrboden 6 eingeleitet werden. Erhöhte Beanspruchungen und Spannungsspitzen werden dadurch abgebaut. Das Lasteinleitungsblech 8 ist vorzugsweise für die äußersten drei Rohre 2, die so genannten Eckrohre vorgesehen, weil dort die höchste Belastung auftritt. In einem anderen Ausführungsbeispiel, insbesondere bei einem Ladeluftkühler, der anderen, insbesondere stärkeren, Beanspruchungen ausgesetzt ist, ist das Verstärkungsprinzip in weiteren Bereichen, insbesondere je nach Erfordernis, beispielsweise über die gesamte Länge des Blockes angewendet. Ansonsten erstreckt sich das Lasteinleitungsblech 8 über die volle Breite des Rohrbodens 6 und ist an dessen Kontur angepasst, damit sich eine vollflächige Verlötung und damit eine gut verteilte Kraftübertragung ergeben.
2 zeigt das Lasteinleitungsblech 8 als Einzelteil mit drei Durchzügen 9, welche hier (in der Zeichnung) auf der Oberseite 8a angeordnet und aus dem Blech 8 ausgeformt sind. Die Durchzüge 9 werden – wie an sich bekannt – durch Lochstanzprägen hergestellt. Zwischen den Durchzügen 9 befinden sich – der Bodenkontur angepasst – flache Streifen 10, während die hierzu quer verlaufenden äußeren Ränder 11, 12 – entsprechend der Kontur des Rohrbodens 6 – leicht gewölbt sind, um die Rundung des Rohrbodens 6 vollflächig zu umfassen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, weisen die Durchzüge 9 einen inneren, umlaufenden Kragen 9a auf, welcher sich an den Außenumfang der Flachrohrenden 2a anschmiegt und eine umlaufende, flächige Verlötung ermöglicht. Über diese Lötfläche werden die Kräfte und Momente vom Rohr zunächst auf das Verstärkungsblech 8 und dann auf den Rohrboden 6 übertragen.
Die Montage des Lasteinleitungsbleches 8 ist denkbar einfach: nach der Fertigstellung des Blockes 4 (Kassettieren von Rohren 2 mit Rippen 3) werden die Lasteinleitungsbleche 8 auf die Rohrenden 2a, vorzugsweise die Eckrohre aufgesetzt, und zwar in der Weise, dass die Durchzüge 9 in Richtung der Wellrippen 3 weisen. Danach wird der Rohrboden 6 aufgesteckt, sodass die überstehenden Rohrenden 2a durch die Durchzüge 7 des Rohrbodens 6 gesteckt werden. Anschließend wird die vormontierte Baueinheit – gegebenenfalls mit verlötbarem Sammelkasten – in einen nicht dargestellten Lötofen verbracht und dort gelötet, sodass die Durchzüge 7 und 9 mit den Rohrenden 2a und das Krafteinleitungsblech 8 mit dem Rohrboden 6 eine Lötverbindung eingehen.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Ganzmetall- oder Ganzaluminium-Wärmeübertrager, von dem lediglich ein offenes Kastenprofil 20 dargestellt ist, welches zwei Längsseiten 21, 22 und einen leicht gewölbten Rohrboden 23 mit nach innen gerichteten Durchzügen 24 aufweist. Das Kastenprofil 20 wird abschließend durch einen nicht dargestellten Deckel geschlossen und dient dann als Sammel- oder Verteilerkasten für den Wärmeübertrager, dessen nicht dargestellte Flachrohre von den Durchzügen 24 aufgenommen werden. Ein derartiger Wärmeübertrager in Ganzaluminiumbauweise wird vollständig gelötet und dient vorzugsweise als Ladeluftkühler für Kraftfahrzeuge. Das offene Kastenprofil 20 ist in Längsrichtung durch eine Trennwand 25 unterteilt, welche in das Profil eingesetzt und mit diesem verlötet wird. Der Rohrboden 23 ist erfindungsgemäß durch ein an das Kastenprofil 20 angepasstes Verstärkungsblech 26 abgedeckt, welches seitliche Lappen 26a, 26b aufweist, die an der Längsseite 21 anliegen.
Das Verstärkungsblech 26, auch Stützblech genannt, weist im Bereich der Durchzüge 24 Aussparungen 28 und eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Bandagenbändern 26c auf, welche jeweils zwischen den Durchzügen 24 angeordnet sind und dort den Rohrboden 23 kontaktieren und stützen. Die entsprechenden Kontaktflächen, die in 3 nicht sichtbar sind, werden im Folgenden näher beschrieben.
4 zeigt einen Längsschnitt durch das Kastenprofil 20 gemäß 3 im Bereich des Rohrbodens 23, welcher jeweils zwischen den Durchzügen 24 konvex nach außen gewölbten Bereiche 27 mit einem Scheitel 27a aufweist. Die Durchzüge 24 sind erkennbar nach innen gerichtet. Die Bandagenbänder 26c des Verstärkungsbleches 26 weisen einen in der Längsschnittdarstellung geraden Querschnitt auf und kontaktieren die konvexen Bereiche 27 im Bereich des Scheitels 27a bzw. – im Querschnitt betrachtet – längs einer Scheitellinie, welche senkrecht zur Zeichenebene durch den Scheitel 27a verläuft. Somit ergibt sich eine über die gesamte Breite des Rohrbodens 23, d. h. von Längsseite 21 zu Längsseite 22 erstreckende Kontaktfläche, über welche sich der Rohrboden 23 am Stützblech 26 bzw. den Bandagenbändern 26c abstützen kann. Das Verstärkungsblech 26 wird mit dem Rohrboden 23 und den Seitenwänden 21, 22 verlötet, wobei sich zwischen den konvexen Bereichen 27 und den flachen Bereichen der Bandagenbänder 26c sehr gute Lötkonditionen ergeben, sodass sich ein entsprechender Lötmeniskus ausbilden kann.
5 zeigt das Kastenprofil 20 in einem Querschnitt, wobei die nach innen gerichteten Durchzüge 24 gut zu erkennen sind. Unterhalb der Durchzüge sind die konvexen Bereiche 27 als gewölbter Streifen erkennbar, und zwar mit der Scheitellinie 27a'. Unmittelbar anliegend an der Scheitellinie 27a, sind die Bandagenbänder 26c des Verstärkungsbleches 26 angeordnet, welche bei Verformung des Rohrbodens 23 auf Zug beansprucht werden und sich seitlich über die Lappen 26a, 26d an den Längsseiten 21, 22 abstützen.

Claims

Wärmeübertrager (1), welcher einen Rohre (2) und Rippen (3) aufweisenden Block (4) sowie mindestens einen Aufnahmeöffnungen (7, 24) aufweisenden Rohrboden (6, 23) umfasst, wobei die Rohre (2) Rohrenden (2a) aufweisen, welche in den Aufnahmeöffnungen (7, 24) aufnehmbar sind und mit dem Rohrboden (6, 23) Rohr/Boden-Verbindungen bilden, welche zumindest teilweise durch ein zusätzliches Blechteil verstärkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (8, 26) Durchstecköffnungen (9, 28) für die Rohrenden (2a) aufweist und auf der dem Block (4) zugewandten Seite des Rohrbodens (6, 23) angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (8) mit den Rohrenden (2a) und dem Rohrboden (6) stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötbar ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (8, 26) an die Kontur des Rohrbodens (6, 23) angepasst ist.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre als Flachrohre (2) ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnungen des Rohrbodens (6, 23) als Durchzüge (7, 24) ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchzüge (7, 24) in eine dem Block (4) abgewandte Richtung ausgeformt sind.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchstecköffnungen des Blechteiles (8) als Durchzüge (9) ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchzüge (9) des Blechteiles (8) in eine dem Block (4) zugewandte Richtung ausgeformt sind.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (8) im Bereich der äußeren Rohre (2), der so genannten Eckrohre angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Blechteiles (8, 26) kleiner oder gleich der Wandstärke des Rohbodens (6, 23) ist.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5, 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrboden (23) Teil eines Längsseiten (21, 22) aufweisenden offenen Kastenprofils ist und das zusätzliche Blechteil (26) zumindest einen Teil des Rohrbodens (23) und angrenzende Bereiche der Längsseiten (21, 22) umfasst.
Wärmeübertrager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrboden (23) zur Blockseite hin gewölbt ausgebildet ist und zwischen den Durchzügen (24) Bereiche (27) aufweist, welche im Längsschnitt des Kastenprofils (20) konvex ausgebildet sind und einen Scheitel (27a) respektive eine Scheitellinie (27a') aufweisen und dass das zusätzliche Blechteil (26) im Bereich des Scheitels (27a) respektive der Scheitellinie (27a') eine Kontaktzone mit dem Rohrboden (26) bildet.
Wärmeübertrager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (26) im Bereich der Scheitellinien (26a') Bandagenbänder (26c) aufweist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Blechteil (26, 26c) im Bereich der Kontaktzone mit dem Rohrboden (23, 27, 27a) stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet ist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem offenen Kastenprofil (20) eine Trennwand (25) und das zusätzliche Blechteil (26) zumindest im Bereich der Trennwand (25) angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Ladeluftkühler (1), insbesondere als luftgekühlter Ladeluftkühler ausgebildet ist, wobei die Rohre (2) von Ladeluft einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges durchströmbar sind.