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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere
für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Beim
Wärmeübertrager handelt es sich vorzugsweise um
einen Heizkörper, welcher der Erwärmung der ihn
durchströmenden Luft dient, oder um einen Kühlmittelkühler,
welcher der Abkühlung des ihn durchströmenden
Kühlmittels dient. Der Wärmeübertrager
kann, bspw. für einen Reheat-Betrieb, auch Wärme
aus ihn durchströmender Luft aufnehmen.
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Aus
der
EP 0 990 868 A2 ist
ein Wärmeübertrager mit einer Vielzahl von Rohren
bekannt, deren Enden in um die Öffnung in den Rohrböden,
zum Wärmeübertragernetz hinweisenden Durchzügen stecken,
deren Querschnitt nach innen gewölbt ist, und die darin
flüssigkeitsdicht metallisch verbunden sind, wobei durch
die Rohre und um die Rohre herum unterschiedliche wärmeaustauschende
Medien strömen. Dabei reichen die Rohrenden bis unterhalb
des Niveaus der Rohrbodenoberfläche. Ferner bilden die Rohrenden
mit den Durchzügen eine umlaufende Kontaktfläche,
an die sich beidseitig ein Lötspalt zwischen Rohr und Durchzug
anschließt. Der Boden weist auch in dieser bekannten Ausführungsform eine
umlaufende Sicke auf, in welche das Ende des Kastens ragt, wobei
ein Dichtring zwischen dem Ende des Kastens und dem tiefsten Bereich
der Sicke angeordnet ist.
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Aus
der
DE 10 2005
010 305 A1 ist ein Wärmeübertrager bekannt,
welcher ein Wärmeübertragernetz mit Flachrohren
und Wellrippen, und beidseitig desselben jeweils einen Wasserkasten
mit einer Trennwand und einen Rohrboden aufweist, in welchem die
Flachrohre jeweils endet. Hierbei ist eine in Rohrbodenlängsrichtung
verlaufende, nach innen ragende wellenförmige Erhebung
mit einer nutartigen Vertiefung in der Mitte vorgesehen, welche
der Aufnahme des rohrbodenseitigen Endes der Trennwand dient. Die
Erhebung samt Vertiefung wird von Durchzügen unterbrochen,
durch welche die Flachrohrenden ragen. Die Trennwand ist in ihrer
Gestalt an die Gestalt des Rohrbodens, der durch den Rohrboden ragenden
Flachrohre sowie den Wasserkasten angepasst. Ebenfalls ist eine
quer verlaufende Trennwand vorgesehen, welche die wellenförmige
Erhebung samt nutartiger Vertiefung, die in Längsrichtung
des Rohrbodens verläuft, zwischen zwei Durchzügen quert,
wofür in der wellenförmigen Erhebung an der mittig
angeordneten Soll-Einbaustelle eine entsprechende nutartige Vertiefung
ausgebildet ist.
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Ferner
ist aus der
DE 600
19 940 T2 ein Verfahren zur Herstellung von Flachrohren
für Wärmeübertrager bekannt, welche einen
umgeschlagenen und nach innen gebogenen Rand aufweisen, wobei der
nach innen gebogene Rand einen Steg zur Unterteilung von zwei Kammern
des Flachrohres bildet.
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Die
DE 103 40 041 A1 offenbart
eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem in einem
Klimaanlagengehäuse angeordneten Verdampfer, wobei mindestens
eine Einfassung an einer der kurzen Seitenflächen des Verdampfers
angebracht ist, die einen Toleranzausgleich ermöglicht.
Diese Einfassung ermöglicht eine Abdichtung, so dass auf
ein Bekleben des Verdampfers mit Schaumstoffstreifen verzichtet
werden kann. Die Einfassung kann angeclipst, angeklebt, angeschraubt,
angenietet oder angeklemmt sein. Sie kann bspw. ein Schwalbenschwanzprofil,
ein U-, V- oder T-Profil aufweisen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmeübertrager
zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst
durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere
für ein Fahrzeug, der aufweist: mindestens zwei Wasserkästen,
mindestens jeweils einen Wasserkasten verschließenden Rohrboden, eine
Mehrzahl zwischen den Rohrböden angeordneten Rohren, die
ein Wärmeübertragernetz bilden oder Teil eines
Wärmeübertragernetzes sind, wobei an den schmalen
Außenseiten des Wärmeübertragers zwischen
den Wasserkästen versteifende Seitenteile angeordnet sind,
welche sowohl mit dem Rohrboden als auch mit der Außenseite
des Wärmeübertragernetzes verlötet sind.
Durch das Verlöten von Rohrboden und Seitenteil, wie auch
von der Außenseite des Wärmeübertragernetzes
und Seitenteil ergibt sich eine erhöhte Steifigkeit des
Wärmeübertragers, so dass bspw. dünnere
Rohre und dünnere Wellrippen verwendet werden können.
Dies ermöglicht beispielsweise eine Verringerung des Gesamtgewichts
bei gleicher Steifigkeit.
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Die
Breite des Wärmeübertragers liegt vorzugsweise
im Bereich zwischen 50 und 500 mm. Die Höhe des Wärmeübertragers
liegt vorzugsweise im entsprechenden Bereich, d. h. zwischen 50
und 500 mm, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 100 und 400
mm.
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Das
Kühlmittel kann in der Wärmeübertragertiefe
oder in der -breite umgelenkt werden. Eine Umlenkung in der Tiefe
bewirkt ein homogenes luftseitiges Temperaturprofil.
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Die
Herstellung des Seitenteils, welches an den Schmalseiten des Wärmeübertragers
zwischen den Wasserkästen verlaufend angeordnet ist, erfolgt vorzugsweise
aus einem Blechmaterial mittels Tiefziehen und Stanzen oder mittels
Rollieren.
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Die
Materialdicke des Seitenteils beträgt vorzugsweise zwischen
0,2 und 3 mm. Hierbei sind auch Veränderungen der Materialdicke über
die Breite des Seitenteils möglich, bspw. gebildet durch
umgeschlagene Bereiche.
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Die
Breite des Seitenteils beträgt bevorzugt zwischen 8 und
150 mm, besonders bevorzugt zwischen 10 und 100 mm.
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Das
Seitenteil weist vorzugsweise Versteifungssicken auf. Diese Versteifungssicken
können sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung verlaufen.
Die Höhe der Versteifungssicken des Seitenteils, insbesondere
bevorzugt im Falle von in Längsrichtung verlaufenden Versteifungssicken,
beträgt vorzugsweise zwischen 2 und 20 mm. Die Höhe eines
die Steifigkeit ebenfalls erhöhenden, seitlich aufgestellten,
einen Rand bildenden Bereichs des Seitenteils beträgt bevorzugt
zwischen 0 mm und der Höhe der Versteifungssicken.
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Durch
eine Ausgestaltung der Seitenteile mit mindestens einer in Längsrichtung
verlaufenden Versteifungssicke ist eine seitliche Abdichtung des
Heizkörpers im Klimagerät ohne zusätzliche
Elemente möglich. Dadurch kann beispielsweise eine seitliche Beklebung
mit einem abdichtenden Material, wie bspw. einem Schaumstoff, entfallen.
Die Abdichtung erfolgt besonders bevorzugt durch eine Art Nut-Feder-Verbindung,
wobei entweder die Nut oder die Feder durch das Seitenteil und die
Feder bzw. Nut durch das Klimaanlagengehäuse gebildet ist,
in welcher der Wärmeübertrager angeordnet ist.
Hierbei dringt die Feder in die entsprechende Nut ein, wobei bevorzugt zwischen
Federende und Nutgrund ein gewisses Spiel vorgesehen ist. Dahingegen
liegen die Seitenwände der Nut an den Seitenwänden
der Feder an. Besonders bevorzugt sind am Seitenteil zwei Versteifungssicken
ausgebildet, welche in Längsrichtung des Seitenteils verlaufen,
in welche eine am Luftführungsgehäuse ö. ä.
ausgebildete, als Feder dienende Rippe hineinragt. Hierbei entspricht
der Abstand der Versteifungssicken, also die Breite der durch die
Versteifungssicken gebildeten Nut, der Rippenbreite. Die Tiefe der
durch die Versteifungssicken gebildeten Nut muss nicht notwendigerweise
der Höhe der Rippe entsprechen, so dass ausreichend Spiel
für den Einbau und zum Ausgleich von Abmessungsveränderungen
in Folge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Gehäuse und Wärmeübertrager vorhanden
ist.
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Ferner
können an den Seitenteilen in Querrichtung verlaufende
Versteifungssicken vorgesehen sein, welche die Steifigkeit des Seitenteils
weiter erhöhen. Diese quer verlaufenden Versteifungssicken – wie
auch die in Längsrichtung verlaufenden Versteifungssicken – lassen
sich auf einfache Weise mittels Umformens im Rahmen der Herstellung
der Seitenteile erzeugen. Quer verlaufende Versteifungssicken sind
vorzugsweise über die gesamte Breite des Seitenteils, insbesondere
bevorzugt in regelmäßigen Abständen,
vorgesehen. Die quer verlaufenden Versteifungssicken sind bevorzugt
flacher ausgebildet als die in Längsrichtung verlaufenden
Versteifungssicken.
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In
Folge der Ausgestaltung der Seitenteile mit den Versteifungssicken
sowie mit federarmartigen Bereichen, welche mit den Rohrböden
verlötet werden, sind eine gute Verlötung und
insbesondere eine Steigerung der Festigkeit möglich.
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Ein
Spalt zwischen der Außenkante des Rohrbodens und der äußersten
Wellrippe wird vorzugsweise durch besagten federarmartigen Bereich aus geglichen,
so dass eine gute Verlötung mit Rohrboden und der Wellrippe
gewährleistet werden kann.
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Insbesondere
sind im Unterschied zur Fertigung herkömmlicher Wärmeübertrager
auf Grund des Vorsehens der Seitenteile keine Lötleisten
erforderlich, da das Wärmeübertragernetz direkt
mit einer oder mehreren Spannklammern und/oder einem Spanndraht
auf das Seitenteil gespannt werden kann.
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Der
Rohrboden, in welchen die Rohre ragen, besteht bevorzugt aus einem
Metall oder einer Legierung, insbesondere bevorzugt sind die Rohre
mit dem Rohrboden verlötet.
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Vorzugsweise
sind durch Schlitze im Rohrbodenrand gebildete laschenartige Randbereiche vorgesehen,
welche zur Aufnahme des Seitenteils dienen. Alternativ ist gegebenenfalls
auch eine Steckverbindung des Seitenteils in den Rohrboden möglich,
wobei die Teile ebenfalls nach dem Zusammenstecken verlötet
werden. Beide Varianten bewirken eine gute Verlötung zwischen
Seitenteil und Rohrboden. Ist jedoch keine hohe Druckstabilität
gefordert, so ist das Anlegen des Seitenteils an die äußerste
Wellrippe (ohne Anbindung an den Rohrboden) ausreichend.
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Die
Anbindung des Seitenteils am Rohrboden erfolgt bevorzugt über
federarmartige Bereiche, wobei ein Spalt zwischen der Außenkante
des Rohrbodens und der äußeren Wellrippe ausgeglichen wird.
Somit liegt das Seitenteil an der äußeren Wellrippe,
nämlich mit seinem zentralen Bereich, und am Rohrboden,
nämlich mit seinem federarmartigen Bereich, an und eine
gute Verlötung mit beiden Bauteilen kann gewährleistet
werden.
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Der
Rohrboden weist bevorzugt mindestens drei Ebenen auf, wobei ein
Absatz zwischen zwei der Ebenen als Nut ausgebildet ist, welche
der Aufnah me einer Trennwand dient. Die Anordnung der Trennwand
in einer Nut ergibt eine gute Verlötung von Trennwand mit
dem Boden.
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Insbesondere
bevorzugt endet der wellenförmige Bereich am Rand des Rohrbodens
mit einem keilförmigen Bereich, so dass die Trennwand über nahezu
die gesamte Länge durch die in dem wellenförmigen
Bereich verlaufenden Nutwände gut geführt ist.
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Der
Abstand der untersten Ebene zur Ebene, welche die Außenseite
des Nutgrunds bildet, entspricht bevorzugt mindestens der Materialstärke
des Rohrbodens.
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Durch
zwei, um eine Querteilung versetzte Nuten ist im Falle einer in
Querrichtung angeordneten Trennwand keine Orientierung des Rohrbodens im
Blockfertiger bei ungerader Rohranzahl und Umlenkung in der Breite
erforderlich. Es ist hierbei für die Funktion des Wärmeübertragers
in der Regel unwesentlich, ob die Trennwand in der ersten oder zweiten Nut
angeordnet ist, so dass das Vorsehen zweier Nuten die Montage stark
vereinfacht.
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Der
Wasserkasten besteht vorzugsweise aus einem tiefgezogenen Metallblech,
bspw. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wie der restliche
Teil des Wärmeübertragers. Kunststoff kann ebenfalls
verwendet werden, bevorzugt als Spritzgussteil ausgebildet. Es sind
auch andere geeignete Materialien möglich. Die Flachrohre
bestehen ebenfalls vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
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Der
Abstand zwischen zwei benachbarten Flachrohren (Querteilung) liegt
vorzugsweise zwischen 3 und 20 mm, insbesondere bevorzugt zwischen
4 und 12 mm.
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Die
beim Wärmeübertrager verwendeten Flachrohre sind
bevorzugt gefalzt. Natürlich können auch extrudierte
oder auf sonstige Weise hergestellte Flachrohre verwendet werden.
Im Mittenbereich befindet sich vorzugsweise mindestens ein Steg
zur Bildungen eines Zwei- oder Mehr-Kammer-Flachrohres. Die Stegbreite
beträgt hierbei vorzugsweise mindestens die doppelte, insbesondere
bevorzugt die vierfache Materialstärke im Vergleich zum
die Außenwand bildenden Material. In Folge der erhöhten Stegbreite
ergibt sich eine vergrößerte Auflagefläche des
Stegendes an der Gegenfläche. Die Lötverbindung
wird dadurch sicherer und dichter, d. h. die Leckage in Folge einer
unzureichenden Verlötung und eines dadurch möglichen Überströmens
von Kühlmittel von einer in die andere Kammer kann verringert oder
sogar ausgeschlossen werden.
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Die
gefalzten Flachrohre sind nach dem Falzen gelötet. Durch
das Verlöten ergibt sich eine erhöhte Druckwechselstabilität
des Flachrohres. Eine Lotplattierung des Blechs ist nur auf der
Außenseite erforderlich, so dass die Innenseite mit einer
Schutzplattierung gegen Korrosion versehen sein kann.
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Der
Steg, d. h. im Falle von gefalzten Flachrohren der Falzbereich,
ist vorzugsweise in Rohrmitte angeordnet, so dass sich zwei Kammern
mit einander entsprechendem Strömungsquerschnitt ergeben. Dies
ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Beispielsweise kann der
Falz auch außermittig angeordnet sein, so dass zwei unterschiedlich
große Strömungskanäle entstehen. Eine
entsprechende Ausgestaltung ist auch bei anders hergestellten Flachrohren möglich.
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Die
Bandenden sind im Falle von gefalzten Flachrohren vorzugsweise um
180° umgeschlagen und anschließend nochmals um
90° nach innen aufgestellt, so dass sie einen Steg bilden,
der vorzugsweise mit seinem Ende an einer ebenen Fläche
anliegt und mit derselben verlötet ist. Der senkrechte Stoß der
beiden 90°-Umschläge verhindert ein Aufspringen
des Flachrohres im unverlöteten Zustand. Der Kontakt zwischen
den beiden Enden kann sowohl flächig als auch linienförmig
sein.
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Die
längsseitigen Enden des Blechs sind im Falle von gefalzten
Flachrohren vorzugsweise um 180° umgeschlagen und nochmals
um 90° nach innen geschlagen, so dass sich eine relativ
große Lötfläche ergibt und der durch
die Enden gebildete Steg, welcher die beiden Kammern unterteilt.
Durch das Umschlagen um 180° können Schwankungen
der Streifenbreite des Blechs leicht ausgeglichen werden, ohne dass
die Qualität der Flachrohre hierunter leidet. Ferner ergibt
sich durch den 180°-Umschlag im Falzbereich ein erhöhtes
Lotangebot, so dass ein sicheres Verlöten des Rohres unter
Bildung zweier getrennter Kammern möglich ist. Ferner ergibt
sich eine einfache Außenkontur, welche das Verbinden von
Rohrboden und Flachrohren vereinfacht.
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Für
die Verlötung des gefalzten Flachrohres ist ein einseitig
lotplattiertes Bandmaterial ausreichend. Auf der dem Kühlmittel
zugewandten inneren Seite kann ferner eine Schutzplattierung gegen
Korrosion angebracht sein.
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Das
Flachrohr besitzt bevorzugt eine einfache Außenkontur,
wodurch der Durchzug im Boden, in welchen das Flachrohr gesteckt
wird, einfach gestaltet werden kann.
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Die
Rohrbreite eines Flachrohres kann sich im Bereich zwischen 10 und
100 mm bewegen. Vorzugsweise in einem Bereich zwischen 12 und 60
mm.
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Die
Rohrtiefe eines Flachrohres beträgt vorzugsweise zwischen
0,5 und 10 mm. Besonders bevorzugt beträgt sie zwischen
0,8 und 5 mm.
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Die
Materialdicke, d. h. die Wandstärke, des Flachrohres beträgt
vorzugsweise zwischen 0,08 und 2 mm. Besonders bevorzugt sind 0,1
bis 0,5 mm. Ins besondere lassen sich bei gefalzten Rohren Wandstärken
von unter 0,25 mm realisieren. Die in Folge einer verringerten Materialstärke
verringerte Steifigkeit des Wärmetauschers wird durch besagte
versteifende Seitenteile ausgeglichen, welche ebenfalls mit den
beiden Rohrböden fest verbunden, insbesondere verlötet,
sind.
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Das
Flachrohr kann auch mit Einprägungen (z. B. Winglets) versehen
sein. Diese Einprägungen erhöhen die Turbulenz
des im Flachrohr strömenden Mediums und verbessern den
Wärmeübergang. Die Tiefe der Einprägungen
beträgt vorzugsweise ca. 0,05 bis 5 mm, besonders bevorzugt
0,10 bis 1 mm, wobei die Tiefe abhängig von der Rohrbreite
ist. Die Materialausdünnung im Bereich der Einprägungen kann
zwischen 0 und 50% der Ausgangsmaterialstärke liegen.
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Die
Einprägungen können nur in einem Kanal oder in
allen ausgeführten Kanälen des Flachrohres vorgesehen
sein. Ebenfalls können Einprägungen nur in einem
Teilbereich des Flachrohrs vorgesehen sein, wie bspw. im oberen
und/oder unteren Endbereich. Ebenso kann die Abfolge, Anzahl und
Geometrie der Einprägungen variieren, auch zwischen den
einzelnen Flachrohren. Neben Einprägungen können
auch Einsätze in den Kammern vorgesehen sein.
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Die
einzelnen Kammern des Zwei- oder Mehr-Kammer-Flachrohres können
sowohl in gleicher Richtung als auch in entgegen gesetzter Richtung
von Kühlmittel durchströmt werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele,
teilweise mit Varianten, unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische eines Wärmeübertragers ohne Darstellung
der Wellrippen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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2a eine
perspektivische Ansicht des Wasserkastens im Bereich der Stutzen,
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2b eine
Detailansicht eines Stutzens,
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3 eine
Draufsicht auf die Wellrippen und dazwischen angeordneten Flachrohre
in Richtung der Mittellängsachse der Flachrohre,
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4a eine
perspektivische, ausschnittsweise Ansicht des Wärmeübertragers
ohne Wasserkasten und Wellrippen,
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4b eine 4a entsprechende
Explosionsdarstellung,
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5 einen
Schnitt quer durch einen Rohrboden samt Trennwand,
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6 eine
perspektivische Ansicht des Rohrbodens,
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7 eine
Detailansicht des Rohrbodens,
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8 einen
ausschnittsweisen Schnitt durch den Rohrboden in Längsrichtung
ohne Trennwand,
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9 eine
ausschnittsweise Darstellung der Trennwand,
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10 einen
ausschnittsweisen Schnitt durch den Rohrboden mit Trennwand in Längsrichtung,
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11 eine
perspektivische Ansicht eines Seitenteils vor dem Zusammenbau des
Wärmeübertragers,
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12 eine
Detailansicht des Seitenteils,
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13 einen
Schnitt durch das Seitenteil im in ein Klimaanlagengehäuse
eingebauten Zustand,
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14a einen Schnitt durch das Seitenteil samt äußerer
Wellrippe und äußerem Flachrohr,
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14b einen 14a entsprechenden, schematisierten
Schnitt durch das Seitenteil, Wellrippen und Rohrboden im äußeren
Bereich zur Verdeutlichung der Verbindungsbereiche,
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15 eine
Seitenansicht des Wärmeübertragers zur Verdeutlichung
des Zusammenbaus,
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16 einen
Schnitt durch ein Flachrohr des Wärmeübertragers
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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17 eine
Detailansicht des Flachrohrs von 16,
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18 eine
perspektivische Teilansicht des Flachrohrs,
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19 einen
Schnitt durch ein Flachrohr gemäß einer Variante,
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20 eine
perspektivische, ausschnittsweise Ansicht eines Wärmeübertragers
ohne Wasserkasten und Wellrippen gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
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21 eine
Detailansicht des Wärmeübertragers von 20,
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22 einen
ausschnittsweisen Schnitt in Längsrichtung des Wasserkastens
durch den Rohrboden samt Trennwand,
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23 einen
Schnitt quer zum Wasserkasten,
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24 eine
ausschnittsweise perspektivische Ansicht des mittleren Bereichs
des Rohrbodens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
und
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25 eine
andere ausschnittsweise perspektivische Ansicht des mittleren Bereichs
des Rohrbodens von 24.
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Gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel ist ein Wärmeübertrager 1 Teil
einer in einem Klimaanlagengehäuse G (nur ausschnittsweise
in 13 angedeutet) eines Kraftfahrzeugs angeordneten
Klimaanlage. Der Wärmeübertrager 1 dient
bei Bedarf als Heizkörper zur Erwärmung der von
einem Gebläse angesaugten und dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden
Luft. Die Klimaanlage ist hierbei auf an sich herkömmliche
Weise mit einem Gebläse, einem Verdampfer, besagtem als
Heizkörper dienenden Wärmeübertrager
sowie einem Kaltluftbypass zum Heizkörper ausgebildet,
weshalb im Folgenden hierauf nicht näher eingegangen wird.
Alternativ kann der Wärmeübertrager auch in einem
reinen Fahrzeug-Heizsystem ohne Verdampfer angeordnet sein.
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Der
Wärmeübertrager 1 weist zwei Wasserkästen 2 mit
Rohrböden 3, eine Mehrzahl die Wasserkästen 2 verbindende
Flachrohre 4, welche mit ihren Enden in die Rohrböden 3 geführt
sind, und dazwischen angeordnete Wellrippen 5 auf, wobei
die Flachrohre 4 in Verbindung mit den Wellrippen 5 ein Wärmeübertragernetz
bilden. Der Wärmeübertrager weist vorliegend eine Breite
W von ca. 200 mm, eine Höhe H von ca. 200 mm und eine Tiefe
(Flachrohre) B von ca. 30 mm auf. Die Querteilung P, d. h. der Abstand
zweier Flachrohrmitten, beträgt vorliegend ca. 8 mm.
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Bei
den beiden Wasserkästen 2 und den Rohrböden 3 handelt
es sich vorliegend um aus einem Metallblech mittels Stanz-Biegens
hergestellte Teile, die miteinander verlötet sind, wobei
das Verlöten vorliegend im gleichen Arbeitsgang wie das
Verlöten von Rohrboden 3, Flachrohren 4 und
Wellrippen 5 erfolgt.
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Gemäß einer
nicht in der Zeichnung dargestellten Variante sind die Wasserkästen
jeweils durch Kunststoffspritzgussteile gebildet und mit dem entsprechenden
Rohrboden rein mechanisch verbunden, während die Rohrböden
wiederum mittels einer Lötverbindung mit den Flachrohren
verbunden sind. Zur verbesserten Abdichtung zwischen Kunststoffspritzgussteil
und Rohrboden ist ein Dichtelement vorgesehen.
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An
dem oberen der beiden Wasserkästen 2 sind ein
Kühlmitteleintritts- und ein Kühlmittelaustrittsstutzen 6 vorgesehen.
Der Wärmeübertrager 1, welcher der Abgabe
der Abwärme des Kraftfahrzeugmotors an die Umgebung dient,
ist Teil eines herkömmlichen Kühlmittelkreislaufs
des Verbrennungsmotors, an welchen er über die beiden Stutzen 6 angeschlossen
ist.
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Da
nur an einem der Wasserkästen 2 die Stutzen 6 angeordnet
sind, ist eine Umlenkung des Kühlwassers im Wärmeübertrager 1 im
anderen, vorliegend dem unteren Wasserkasten 2 erforderlich. Gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Umlenkung in der
Tiefe, wofür eine sich in Längsrichtung des Wasserkastens 2,
an welchem die Stutzen 6 angeordnet sind, verlaufende Trennwand 7 vorgesehen
ist, welche den Kühlmitteleintrittsstutzen vom Kühlmittelaustrittsstutzen
trennt. Auf die Anordnung der Trennwand 7 im Wasserkasten 2 wird
an späterer Stelle näher eingegangen.
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Um
einen möglichst einfachen Aufbau des Wärmeübertragers 1 zu
ermöglichen, und insbesondere um die Anzahl der Teile möglichst
gering zu halten, ist nur eine Flachrohrreihe vorgesehen. Um dennoch
die Umlenkung des Kühlmittels in der Tiefe des Wärmeübertragers 1 zu
ermöglichen, sind die Flachrohre 4 als Mehrkammerflachrohre,
vorliegend mit zwei Kammern, ausgebildet, so dass das Kühlmittel in
einer ersten Kammer 8 vom oberen, mit den Stutzen 6 versehenen
Wasserkasten 2 aus dem kühlmitteleintrittsstutzenseitigen
Bereich nach unten in den anderen Wasserkasten 2 strömen
und von dort in die zweite Kammer 9 eintreten und durch
dieselbe nach oben in den kühlmittelaustrittsstutzenseitigen
Bereich des oberen Wasserkastens 2 strömen kann. Vorliegend
weisen die Kammern 8 und 9 die gleiche Querschnittsfläche
auf, jedoch kann sich die Querschnittsfläche der beiden
Kammern unterscheiden, bspw. um die Strömungsgeschwindigkeiten
auf einer Seite zu erhöhen.
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Bei
den Flachrohren 4 handelt es sich um aus einem Blech mit
einer Dicke von 0,25 mm gebogene Flachrohre. Die Rohrtiefe T beträgt
vorliegend 3 mm, die Rohrbreite B 30 mm, die Rohrbreite B1 der ersten
Kammer (Kammer 8) 15 mm und die Rohrbreite B2 der zweiten
Kammer (Kammer 9) ebenfalls 15 mm (siehe 16).
Die längsseitigen Enden des Blechs sind um 180° gefalzt
oder umgeschlagen und nochmals um 90° nach innen geschlagen,
so dass sich eine relativ große Lötfläche
ergibt und der durch die Enden gebildete Steg, welcher die beiden
Kammern 8 und 9 unterteilt, mit vorliegend der
vierfachen Blechdicke, nämlich einer Dicke von ca. 1 mm,
relativ dick ausgebildet ist.
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Die
Flachrohre 4 können auf ihrer Innenseite mit einer
Schutzplattierung gegen Korrosion und auf ihrer Außenseite
mit einer Lotplattierung zum einfachen Verlöten mit den
Rohrböden 3 und den zwischen den Flachrohren 4 angeordneten
Wellrippen 5 versehen, wobei die Plattierungen vor dem
Biegen des als Ausgangsmaterial vorliegenden Blechs aufgebracht
werden.
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Gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Flachrohre 4,
wie in 16 bis 18 dargestellt,
mit einer ebenen Innenfläche ausgebildet, jedoch können
alternativ die Wände des Flachrohres mit Einprägungen
versehen sein, so dass beispielsweise pyramidenstumpfförmige
Erhebungen nach innen ragen, wie in 19 angedeutet.
Beliebige andere Ausgestaltungen sind möglich. Ebenso können
alternativ oder in Verbindung mit Einprägungen Einsätze
zur Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit in
einzelnen Bereichen vorgesehen sein.
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Zur
Aufnahme der Flachrohre 4 weisen die Rohrböden 3 langlochartige
Durchzüge 10 auf, welche vorliegend in Richtung
Wasserkasten 2 vorstehen und durch den hochgezogenen Rand
eine vergrößerte Anlagefläche für
das Verlöten von Flachrohren 4 und Rohrboden 3 vorsehen.
Neben den quer zur Längsrichtung des Rohrbodens 3 ausgebildeten Durchzügen 10 ist über
nahezu die gesamte Länge der Rohrböden 3 im
mittleren Bereich eine wellenförmige Erhebung 11 in
Richtung Wasserkasten 2 ausgebildet, in deren Mitte eine
nutartige Vertiefung 12 zur Aufnahme der Trennwand 7 ausgebildet
ist. Die wellenförmige Erhebung 11 samt nutartiger
Vertiefung 12 erstreckt sich auch auf den Randseiten, d.
h. außerhalb der äußeren Durchzüge 10 (siehe
bspw. 8), wobei sie keilförmig ausläuft
und dadurch eine Führung bis nahe an das Ende der Trennwand 7 realisiert.
Der keilförmige Endbereich der wellenförmigen
Erhebung 11 ist in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 11' versehen.
Die Breite der nutartigen Vertiefung 12 entspricht hierbei
der Dicke der Trennwand 7, wobei die Trennwand 7 vorliegend
mit dem Rohrboden verlötet ist. Im Randbereich weist die Trennwand 7 jeweils
eine fußartige Ausgestaltung auf, wie aus 9 ersichtlich,
um den Zwischenbereich zwischen dem Ende der nutartigen Vertiefung 12 und
dem normalen Boden sowie dem Rand des Rohrbodens auszufüllen.
Dabei wird dieser Zwischenbereich möglichst klein gehalten,
um eine gute seitliche Führung beim Zusammenbau und Abstützung
im zusammengebauten Zustand sowie eine sichere Verlötung
der Trennwand 7 zu ermöglichen.
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Die
Trennwand 7 ist auf der Rohrbodenseite mit einer Mehrzahl
von Schlitzen 13 versehen, in welche die Enden der Flachrohre 4 im
zusammengebauten Zustand ragen, so dass die Flachrohre 4 im
Stegbereich an dem Grund der Schlitze 13 anliegen. Zur exakten
Fixierung der Trennwand 7 im Wasserkasten 2 sind
auf der gegenüberliegenden Seite, also außenseitig,
mehrere Vorsprünge 14 ausgebildet, welche in entsprechend
positionierte Vertiefungen oder Öffnungen im Wasserkasten 2 ragen
und dicht damit verlötet werden.
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Alternativ,
insbesondere im Falle eines Kunststoff-Wasserkastens, kann die Trennwand auch
einfach eingesteckt und durch den Wasserkasten fixiert sein.
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Der
Rohrboden 3 weist in Richtung Wärmeübertragermitte
hin drei Ebenen E1, E2 und E3 auf (siehe 5), wobei
E1 die am weitesten außen angeordnete Ebene, E2 die Ebene
der nutartigen Vertiefung 12 und E3 die Ebene der wellenförmigen
Erhebung 11 ist. Vorliegend enden die Durchzüge 10 für
die Flachrohre 4 etwa in der Höhe der Ebene E3 (siehe 5).
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An
den Seiten des Rohrbodens 3 ist ein Rand 15 in
einem Winkel von ca. 90° und ein äußerer Teil
hiervon nochmals um 45° zurück nach außen umgebogen,
wobei im Rand 15 insbesondere im Bereich der Ecken eine
Mehrzahl von Schlitzen 16 vorgesehen ist, die sich bis
in den inneren Randbereich erstrecken. An den Schmalseiten des Rohrbodens 3 sind,
wie bspw. aus 7 ersichtlich, zwei laschenartige
Randbereiche 17 ausgebildet.
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Um
den Rohrboden 3 weiter zu versteifen, sind ferner zwischen
den Durchzügen 10 jeweils parallel hierzu verlaufende
Sicken 18 vorgesehen, welche im mittleren Bereich durch
die wellenförmige Erhebung 11 mit ihrer Nut 12 unterbrochen
sind. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
entfallen diese Sicken 18 auf den beiden Seiten des mittleren
Durchzugs 10 (siehe 6), wobei
in diesem Bereich jeweils eine durchgehende Ebene 19 in
Querrichtung vorgesehen ist, welche als Anlagefläche für eine
weitere Trennwand dienen kann. Eine derartige Trennwand kann vorgesehen
sein, wenn ein Durchströmen des Wärmeübertragers 1 im
Kreuzgegenstrombetrieb oder in der Breite und nicht in der Tiefe vorgesehen
ist. Auch in diesem Bereich sind drei Ebenen E1, E2 und E3 vorgesehen,
welche den vorstehend erwähnten Ebenen für die
(Längs-)Trennwand 7 entsprechen.
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Zur
weiteren Erhöhung der Steifigkeit des Wärmeübertragers 1 sind
an den Außenseiten parallel zu den Flachrohren 4 verlaufende
Seitenteile 20 angebracht. Diese sind sowohl mit den beiden
Rohrböden 3 als auch mit den äußeren
Wellrippen 5 verlötet. Die Seitenteile 20 sind
vorliegend spiegelbildlich ausgebildet, so dass im Folgenden nur
eines der Seitenteile 20 beschrieben wird.
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Das
Seitenteil 20 wird vorliegend durch ein Stanz-/Tiefziehverfahren
hergestellt, es kann alternativ beispielsweise auch durch ein Rollierverfahren hergestellt
werden. Das Blech, aus welchem das Seitenteil 20 hergestellt
ist, weist vorliegend eine Dicke von 1,5 mm auf. Die Breite des
Seitenteils 20 beträgt vorliegend 35 mm, die Länge
entspricht etwa der Länge der Flachrohre 4.
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Zur
Versteifung des Seitenteils 20 sind über die gesamte
Breite 20 in regelmäßigen Abständen Versteifungssicken 21 eingebracht,
vorliegend zwei. Die Versteifungssicken 21 weisen dabei
eine Höhe H von vorliegend 10 mm auf. Ferner ist der äußere längsseitige
Rand des Seitenteils 20 um 90° umge schlagen, wobei
der umgeschlagene Bereich 22 eine Höhe H1 von
5 mm aufweist (siehe 13).
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Durch
eine entsprechende Ausgestaltung der Seitenteile 20 mit
zwei Versteifungssicken 21 ist zudem eine seitliche Abdichtung
des Wärmeübertragers 1 im Klimaanlagengehäuse
G ohne zusätzliche Dichtelemente möglich. Hierbei
erfolgt die Abdichtung durch eine Art Nut-Feder-Verbindung, wobei vorliegend
die Nut durch die beiden Versteifungssicken 21 und dem
dazwischen angeordneten Bereich und die Feder durch eine am Klimaanlagengehäuse G
ausgebildete Rippe G' gebildet ist, welche bei Positionierung des
Wärmeübertragers 1 im Klimaanlagengehäuse
G zwischen den beiden Versteifungssicken 21 zu liegen kommt.
Hierbei dringt die als Feder dienende Rippe G' in die entsprechende
Nut zwischen den beiden Versteifungssicken 21 ein, wobei bevorzugt
zwischen Federende und Nutgrund ein gewisses Spiel zum Toleranzausgleich
vorgesehen ist. Dahingegen liegen die Seitenwände der Nut
an den Seitenwänden der Feder dicht an.
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Die
durch die Schlitze 16 im Rohrbodenrand gebildeten Laschen
(laschenartiger Randbereich 17) dienen zur Aufnahme des
Seitenteils 20. Nach dem Zusammenbau erfolgt ein Verlöten
der Bauteile, so dass Seitenteil 20 und Rohrboden 3 sowie
die äußerste Wellrippe 5 fest miteinander
verlötet sind. Die Anbindung des Seitenteils 20 an
den Rohrboden 3 erfolgt über besagte Laschen,
welche eine Federwirkung aufweisen, so dass ein Spalt zwischen der
Außenkante des Rohrbodens 3 und die äußere
Wellrippe 5 ausgeglichen wird, und das Seitenteil 20 an
der äußeren Wellrippe 5 und dem Rohrboden 3 anliegt und
mit denselben gut verlötet ist. Der kassettierte Wärmeübertrager 1 wird
vorliegend mit Spannklammern direkt auf das Seitenteil gespannt,
wie in 15 durch Pfeile angedeutet.
Lötleisten sind bei der Heizkörperfertigung nicht
erforderlich.
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Auch
am Seitenteil 20 sind endseitig zwei federarmartige Bereiche 23 ausgebildet
(siehe 12), wobei im Übergangsbereich
ein Biegebereich 24 ausgebildet ist, welche einen Ausgleich
des Versatzes zwischen dem Rohrboden 3 und der äußeren
Wellrippe 5 ermöglicht, wie aus 14a und b ersichtlich. Hierbei sind Kontaktbereiche
vorgesehen, wobei in 14a das Bezugszeichen 25 den
Kontaktbereich zur Wellrippe 5 und das Bezugszeichen 26 den
Kontaktbereich zum Rohrboden 3 andeutet. Der Biegebereich 24 ermöglicht
eine Verschiebung der Ebene, in welcher die Kontaktbereiche 26 liegen, zu
der Ebene, in welcher die Kontaktbereiche 25 mit den Rohrböden 3 liegen.
Um ein gutes Verlöten mit dem Rohrboden 3 zu gewährleisten,
sind ferner die seitlichen Ränder des federarmartigen Bereichs 23 nach
oben gebogen, weg von der Lötfläche, also dem Kontaktbereich 26.
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Durch
das Vorsehen der federarmartigen Bereiche 23 ist das Seitenteil 20 mit
Rohrböden unterschiedlicher Breite verbindbar, so dass
ein Seitenteil auch für unterschiedliche Wärmeübertragerbautiefen verwendet
werden kann. Zusätzlich kann durch das Vorsehen derartiger
Bereiche 23 auch ein Toleranzausgleich bezüglich
der Wärmeübertragerhöhe erfolgen.
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Das
Seitenteil 20 weist zur Versteifung in Breitenrichtung
weitere, im Folgenden zur Unterscheidung von den beiden ersten,
in Längsrichtung verlaufenden Versteifungssicken 21 als
zweite Versteifungssicken 27 bezeichnete Versteifungssicken auf,
welche in regelmäßigen Abständen parallel
zueinander verlaufend senkrecht zu den beiden ersten Versteifungssicken 21 angeordnet
sind und sich sowohl seitlich als auch zwischen den beiden Versteifungssicken 21 erstrecken.
Hierbei unterscheiden sich die Tiefen der ersten und zweiten Versteifungssicken
deutlich, nämlich die ersten Versteifungssicken 21 sind
deutlich tiefer ausgebildet als die zweiten Versteifungssicken 27 (siehe
bspw. 1).
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 20 bis 25 ein
zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
beschrieben, das sich im Wesentlichen dadurch vom ersten Ausführungsbeispiel
unterscheidet, dass der Kühlmittelstrom nicht in der Tiefe
sonder in der Breite umgelenkt wird, d. h. dass die Trennwand 7 sich
nicht in Längsrichtung des oberen Wasserkastens 2 sondern in
Querrichtung desselben erstreckt. Gleiche oder gleichwirkende Elemente
sind beim zweiten Ausführungsbeispiel mit den gleichen
Bezugszeichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel versehen.
Die Ausgestaltung der Seitenteile 20 unterscheidet sich
nicht von der des ersten Ausführungsbeispiels.
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Zur
Aufnahme einer quer verlaufenden Trennwand 7 weist der
Rohrboden 3 wiederum besagte, in Längsrichtung
des Rohrbodens 3 verlaufende wellenförmige Erhebung 11 mit
einer zentral angeordneten nutartigen Vertiefung 12 auf,
so dass vorteilhafterweise der Rohrboden 3 auch für
eine in Längsrichtung verlaufende Trennwand verwendet werden
kann. Vorliegend ist eine ungerade Anzahl von Flachrohren 4 und
entsprechend von Durchzügen 10 über die
Länge des Rohrbodens 3 vorgesehen, so dass die
Mitte durch einen Durchzug 10 gebildet wird. Um Probleme
beim Zusammenbau in Bezug auf die Positionierung der in Querrichtung
ausgerichteten Trennwand 7, welche eigentlich in der Mitte angeordnet
sein sollte, zu verhindern, sind rechts und links des mittleren
Durchzugs 10 die wellenförmige Erhebungen 11 mit
den quer verlaufenden nutartigen Vertiefungen 12' ausgebildet
(siehe z. B. 24), welche für eine
Aufnahme der quer verlaufenden Trennwand 7 geeignet sind.
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Entsprechend
dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Rohrboden 3 drei
Ebenen E1, E2 und E3 auf (siehe 22), wobei
E1 die am weitesten außen angeordnete Ebene, E2 die Ebene
der nutartigen Vertiefung 12 bzw. 12' und E3 die
Ebene der wellenförmigen Erhebung 11 ist. Vorliegend
enden die Durchzüge 10 für die Flachrohre 4 etwa
in der Höhe der Ebene E3 (siehe 24).
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Im
Rahmen der Montage wird eine Trennwand 7 in einer der beiden
quer verlaufenden nutartigen Vertiefungen 12' eingesetzt,
wobei es im Wesentlichen für die Funktion des Wärmetauschers 1 unerheblich
ist, ob die Trennwand den anströmseitigen Wasserkastenbereich
oder den abströmseitigen Wasserkastenbereich vergrößert
oder verkleinert. Auch der Wasserkasten ist entsprechend ausgebildet,
so dass beide Positionen der Trennwand 7 in demselben möglich
sind.
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Gemäß 21 ist
die Anordnung der Lappen 17 derart gewählt, dass
die Quertrennwand 7, unabhängig davon, ob sie
links oder rechts des mittleren Durchzuges 10 eingesetzt
wird, verstemmt werden kann.
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Gemäß einem
weiteren, nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
ist für eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Wärmetauschers und
ein homogeneres Temperaturprofil der austretenden Luft ein Kreuzgegenstrombetrieb
vorgesehen, wobei im oberen Wasserkasten eine Trennwand vorgesehen
ist, welche eine Querteilung des Wasserkastens entsprechend dem
zweiten Ausführungsbeispiel über die gesamte Tiefe
in der Mitte des Wasserkastens sowie die einströmseitige
Hälfte in Längsrichtung vorsieht, und im unteren
Wasserkasten entsprechend dem Wasserkasten des ersten Ausführungsbeispiels
lediglich eine Trennwand in Längsrichtung des Wasserkastens
vorgesehen ist. Auch in diesem Fall kann der Rohrboden gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel verwendet werden, da er sowohl
eine Trennwand in Längs- als auch in Querrichtung ermöglicht,
wobei jedoch eine Abstimmung der Position auf Grund der im selben
Wasserkasten angeordneten, in Längsrichtung verlaufenden
Trennwand, welche an der in Querrichtung verlaufenden Trennwand
endet, vorzusehen ist.
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Gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel, das nicht in der Zeichnung
dargestellt ist, abgesehen von der Anordnung im Fahrzeug jedoch
dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, ist als Wärmeübertrager
ein im Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordneter Kühlmittelkühler
vorgesehen, welcher der Kühlung des Kühlmittels
aus dem Motorkühlkreislauf dient, insbesondere wenn im
Fahrzeuginnenraum kein Heizbedarf besteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0990868
A2 [0003]
- - DE 102005010305 A1 [0004]
- - DE 60019940 T2 [0005]
- - DE 10340041 A1 [0006]