DE102008020230A1

DE102008020230A1 - Wärmetauscher sowie Wärmetauscherrohr

Info

Publication number: DE102008020230A1
Application number: DE102008020230A
Authority: DE
Inventors: Franco Ghiani
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2008-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Tauscherrohr (1), wobei das Tauscherrohr (1) von einem ersten Medium durchströmbar ist, wobei das Tauscherrohr (1) von einem zweiten Medium im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung umströmbar ist, und eine Wandung (2, 3) des Tauscherrohrs (1) senkrecht zu der Längsrichtung einen zumindest abschnittsweise zickzackförmigen Verlauf aufweist, sowie ein Tauscherrohr (1) für einen derartigen Wärmetauscher.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Bau von Kühlmittelkühlern für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen sind Wärmetauscher bekannt, bei denen eine Mehrzahl von Flachrohren parallel zueinander angeordnet ist, die endseitig jeweils in einen Kasten zur Zuführung und Abführung von Kühlmittel des Verbrennungsmotors münden. Zur Kühlung des Kühlmittels werden die Flachrohre und Kühlrippen von einem Luftstrom umströmt. Hierzu sind solche Wärmetauscher meist an einem vorderen Ende des Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei der Luftstrom durch Fahrtwind und/oder durch ein Lüftergebläse erzeugt wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, anzugeben, der bei gegebenem Bauraum eine verbesserte Wärmetauscherleistung bei geringem Materialbedarf ermöglicht.
Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Wärmetauscher erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch den zickzackförmigen Verlauf der Tauscherrohre im rechten Winkel zu der Längsrichtung wird die Oberfläche der Wandungen der Tauscherrohre bei gegebener Bautiefe des Wärmetauschers vergrößert. Zudem wird durch den zickzackförmigen Verlauf eine Umlenkung des an der Wandung entlangströmenden zweiten Mediums, beispielsweise Luft, erreicht, was zu Wirbeln und Turbulenzen und hierdurch zu einer verbesserten Wärmeübertragung von den Wandungen der Tauscherrohre auf das zweite Medium führt. In zweckmäßiger Ausführungsform ist dabei der zickzackförmige Verlauf im Wesentlichen in einer Hauptströmungsrichtung des zweiten Mediums ausgerichtet, wodurch eine weitere Optimierung der Wärmeübertragung auf das zweite Medium erreicht wird. Durch den zickzackförmigen Verlauf der Tauscherrohre ergibt sich eine gestreckte Länge der Tauscherrohre, die größer als die tatsächliche Bautiefe des Wärmetauschers ist. Durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Tauscherrohre ergibt sich bei gleicher Leistung in Bezug auf die Wärmeübertragung eine kleinere Bautiefe oder -breite, wobei sich zudem der innere Druckabfall verringern lässt. Alternativ lässt sich bei entsprechendem Bauraum, d. h. bei entsprechender Bautiefe und -breite die Leistung in Bezug auf die Wärmeübertragung erhöhen. In Verbindung hiermit lassen sich dadurch, dass weniger Material für Flach- oder Wellrippen benötigt wird, welche die Wärmeübertragungsfläche zwischen den Tauscherrohren vergrößern, Gewicht und Herstellungskosten einsparen, d. h. auch in Bezug auf die Umwelt ergeben sich Vorteile durch den verringerten Materialbedarf und das verringerte Gewicht des Wärmetauschers. Derartige zickzackförmige Tauscherrohre können sowohl bei gelöteten als auch bei mechanisch gefertigten und/oder geklebten Wärmetauschern oder Kühlnetzen verwendet werden. In Folge der verringerbaren Bau tiefe kann der Abstand zum Lüfter optimiert werden, so dass eine verbesserte Luftanströmung des Wärmetauschers realisiert werden kann.
Unter zickzackförmig wird vorliegend verstanden, dass der Verlauf im Falle von gekrümmten Bereichen mindestens zwei Wendepunkte und im Falle von geknickten Verläufen mindestens drei Knickpunkte aufweist. Geknickte Verläufe sind jedoch herstellungsbedingt und zur Vermeidung von Spannungsspitzen bevorzugt mit abgerundeten Übergängen ausgebildet.
Insbesondere bevorzugt weist ein Tauscherrohr mit zickzackförmigem Verlauf, welches eine Bautiefe T hat, eine Wärmetauschfläche auf, welche größer oder zumindest gleich der Wärmetauschfläche eines gestreckten Tauscherrohres mit doppelter Bautiefe ist.
Alternativ zum zickzackförmigen Verlauf der Tauscherrohre oder insbesondere in Verbindung hiermit kann auch der entsprechende Strömungsquerschnitt für das erste Medium, beispielsweise ein Kühl- oder Kältemittel, zickzackförmig ausgebildet sein, wobei der Strömungsquerschnitt auch Unterbrechungen, beispielsweise durch Stege, aufweisen kann. Prinzipiell ist auch eine gereihte Anordnung einer Mehrzahl von einzelnen Rohren möglich, so dass sich insgesamt ein im Wesentlichen zickzackförmiger Strömungsquerschnitt ergibt.
Besonders bevorzugt ist in Folge des zickzackförmigen Verlaufs der Tauscherrohre deren (theoretische) gestreckte Länge größer als die Blocktiefe des Wärmetauschers, in welchem die Tauscherrohre angeordnet sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform endet das Tauscherrohr in einem Endbereich in einen Kasten zur Zuführung und Abführung des ersten Mediums, wodurch eine einfache Verteilung des ersten Mediums auf das Tauscherrohr oder mehrere in den Kasten mündende Tauscherrohre erreicht ist.
In zweckmäßiger Ausgestaltung ist das Tauscherrohr jeweils als ein um die Längsrichtung gebogenes Blechformteil (bspw. aus Blech oder Bandmaterial gewalzt, gerollt, gestanzt und umgeformt oder gefalzt), insbesondere aus Aluminium, ausgebildet. Solche Tauscherrohre sind einfach und kostengünstig herstellbar. Das Blech kann dabei mit seinen Kanten aneinanderstoßen oder überlappen und durch stoffschlüssige Verbindung wie Verlötung oder Verklebung oder auch durch Falzung dichtend geschlossen sein. Es kann insbesondere auch durch zwei oder mehr zusammengesetzte Schalen gebildet sein. Alternativ kann das Tauscherrohr auch als Strangpressprofil, insbesondere aus Aluminium, oder als extrudiertes Metallrohrprofil ausgebildet sein. Ebenso kann das Tauscherrohr als Gussteil, insbesondere als Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet sein. Grundsätzlich sind sämtliche genannte und weitere Herstellungsverfahren für erfindungsgemäß geformte Tauscherrohre denkbar. Das Tauscherrohr kann auch eine Mehrzahl von Rohr- oder Kanalsegmenten aufweisen, die miteinander verbunden und/oder einstückig ausgebildet sind, wobei das Tauscherrohr einen zickzackförmigen Verlauf hat.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Tauscherrohr als Wandung eines Durchzugs in einem Blechformteil ausgebildet sein, was häufig auch als „rohrlos" bezeichnet wird. Besonders zweckmäßig ist dabei der Wärmetauscher als Stapel von mehreren Blechformteilen mit in Längsrichtung aneinander angrenzenden Durchzügen ausgebildet. Die aneinander angrenzenden Durchzüge können dabei insbesondere stoffschlüssig und fluid-/gasdicht miteinander verbunden sein. Zum Beispiel mittels Verlötung oder Verklebung. Hierdurch ist eine einfach herstellbare Bauform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ermöglicht, bei der insbesondere die neben den Durchzügen verbleibenden Bereiche des Blechformteils als Rippenelemente zur Verbessung einer Wärmeübertragung auf das zweite Me dium zur Verfügung stehen. Zudem sind Blechformteile mit Durchzügen einfach und kostengünstig in einer Massenproduktion herstellbar.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann die Außenfläche des Tauscherrohres auch mit Turbulatoren, beispielsweise in Gestalt von Oberflächenstrukturen oder Rippen, versehen sein, welche einstückig mit dem Tauscherrohr ausgebildet oder an demselben angebracht sein können.
In vorteilhafter Detailausführung weist das Tauscherrohr zumindest einen Steg auf, wobei gegenüberliegende Wandungen des Tauscherrohres durch den Steg verbunden sind. Hierdurch ist zum einen eine vergrößerte Druckfestigkeit des Tauscherrohrs durch die mechanische Stabilisierung durch den Steg gegeben zum anderen wird die mit dem ersten Medium in Kontakt stehende Oberfläche des Tauscherrohrs vergrößert. Sicken oder ähnliche Gestalten können ebenfalls zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche und zu einer besseren Verwirbelung der Medien dienen.
Im Inneren der Tauscherrohre können insbesondere auch Turbulatoren vorgesehen sein, welche den Wärmeübergang verbessern. Die Turbulatoren können einstückig mit den Tauscherrohren ausgebildet sein, bspw. durch Rippen oder durch entsprechende Oberflächenstrukturen. Alternativ können Turbulatoren auch in die Tauscherrohre eingesetzt und insbesondere bevorzugt mit denselben verlötet sein.
Allgemein vorteilhaft weist ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher eine Mehrzahl von den im Wesentlichen parallelen Tauscherrohren auf, wobei benachbarte Tauscherrohre zum Durchtritt des zweiten Mediums beabstandet sind. Hierbei können die Tauscherrohre parallel oder in Reihe durchströmt werden. Ferner können in Tiefenrichtung mehrere Blöcke vorgesehen sein, wobei nicht notwendigerweise alle Blöcke aus zickzackförmigen Tau scherrohren bestehen müssen. Die Blöcke können auf beliebige Weise durchströmt werden, bspw. im Kreuzgegenstrombetrieb.
Bevorzugt sind zur Vergrößerung der Kontaktfläche mit dem zweiten Medium Rippenelemente an dem Tauscherrohr vorgesehen. Solche Rippenelemente können zum Beispiel im Zwischenraum zwischen benachbarten Tauscherrohren angeordnet sein. Es kann sich besonders vorteilhaft aber auch um flächige Blechteile handeln, die sich im Wesentlichen in einer zu der Längsrichtung senkrechten Ebene erstrecken. Die Tauscherrohre können dabei zweckmäßig Durchbrechungen in den Rippenelementen durchgreifen, wobei im Bereich des Durchgriffs ein thermischer Kontakt zwischen dem Tauscherrohr und dem Rippenelement vorgesehen ist.
Im Falle eines Durchgriffs oder eines Durchzugs weisen die Öffnungen der Rippenelemente vorzugsweise eine dem Tauscherrohrprofil entsprechende Gestalt auf, so dass insbesondere bevorzugt eine möglichst große, umlaufende Kontakffläche sichergestellt werden kann.
Erfindungsgemäße Tauscherrohre können insbesondere bei Wärmetauschern mit die Wärmeübertragungsfläche vergrößerten Rippen oder Wellrippen vorgesehen sein. Besonders bevorzugt sind im Falle von Rippen oder Wellrippen Durchzüge in denselben vorgesehen, die derart ausgebildet sind, dass sie durch die in dieselben eingeführten Tauscherrohre unter Vorspannung, also federnd, anliegen, d. h. die Wände der Durchzüge werden nach außen gedrückt, so dass die Rippenelemente durch dieses nach außen Drücken sich an den Tauscherrohren festklemmen. Hierdurch ergibt sich neben einer vergrößerten Wärmeübertragungsfläche auch eine verbesserte Festigkeit des Wärmetauschers. Erfolgt ein zusätzliches Verlöten, so wird die Wärmeübertragungsfläche weiter vergrößert. Natürlich können die Tauscherrohre auch in einem Wärmetauscher ohne Rippen oder Wellrippen angeordnet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmetauscher ein luftumströmter Kühlmittelkühler eines Kraftfahrzeugs. Dieser ist allgemein bevorzugt in einem vorderen Endbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet. Solche Kühlmittelkühler verlangen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen aufgrund von Vorgaben des Karosseriedesigns sowie aufgrund der zunehmenden Anzahl von Aggregaten im Motorraum, nach immer größerer Kühlleistung bei immer kleiner werdendem verfügbarem Bauraum. Daher ist ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher als Kühlmittelkühler für Kraftfahrzeuge besonders geeignet.
Insbesondere bevorzugt sind im Inneren der Tauscherrohre zur Verbesserung der Leistung Rippen (eingesetzt oder einstückig mit dem Material der Tauscherrohre ausgebildet) vorgesehen. Die Herstellung kann beispielsweise mittels entsprechenden Walzens und Biegens von aus Blechen geformten Tauscherrohren erfolgen.
In Längsrichtung oder gegebenenfalls auch in Querrichtung der Tauscherrohre können auch Sicken vorgesehen sein. Ebenfalls können die Tauscherrohre in Längs- und/oder Querrichtung aus mehreren einzelnen Bereichen zusammengesetzt sein, wobei in Querrichtung der Strömungsquerschnitt gegebenenfalls auch unterbrochen sein kann.
Zur Verbesserung der Festigkeit und Wärmeübertragung unter Berücksichtigung eines noch ausreichend guten Durchsatzes für das zweite Medium ist es vorgesehen, dass die Wandung über ihren zickzackförmigen Verlauf im Wesentlichen gerade Abschnitte aufweist, worunter im Folgenden auch Radienübergänge und Radienübergänge mit benachbarten geraden Abschnitten verstanden werden, wobei aufeinanderfolgende gerade Abschnitte einen Winkel von wenigstens etwa 45 Grad und höchstens etwa 100 Grad einschließen. Aus dem gleichen Grund beträgt die Anzahl der geraden Ab schnitte vorteilhaft wenigstens 3 und insbesondere bevorzugt wenigstens 6. Natürlich sind beliebige andere Ausgestaltungen möglich.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Tauscherrohre benachbart angeordnet, wobei eine Bautiefe der Tauscherrohre in einer Hauptströmungsrichtung des zweiten Mediums zumindest etwa das dreifache, insbesondere zumindest etwa das vierfache eines mittleren Abstands benachbarter Tauscherrohre des Wärmetauschers beträgt. Besonders bevorzugt sind benachbart der Tauscherrohre oder als Teil der Tauscherrohre ausgebildet auch Kühlrippen vorgesehen.
Das erfindungsgemäße Konzept des zickzackförmigen Verlaufs der Tauscherrohr-Wandungen lässt sich auf unterschiedliche Bauformen von Wärmetauschern übertragen. Besonders bevorzugt ist der Wärmetauscher dabei entweder ein Rohrbündel-Wärmetauscher, wie etwa im Fall eines Kühlmittelkühlers eines Kraftfahrzeugs oder auch ein Stapelscheiben-Wärmetauscher.
Der Wärmetauscher kann sowohl direkt als auch indirekt gekühlt werden.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs und der Festigkeit können Wärmetauscher-Rippen, Turbulatoren, Winglets, Kiemen, Trennwände, Sicken, Mikrostrukturen o. a. vorgesehen sein.
Der Wärmetauscher kann auf an sich beliebige Weise durchströmt werden. So sind Monoblock-Wärmetauscher, Wärmetauscher mit parallel oder gekreuzt durchströmten Blöcken oder aber auch zwei oder mehr hintereinander geschaltete Wärmetauscher mit direkter und/oder indirekter Kühlung möglich.
Im Falle eines Wärmetauschers mit Wellrippen, können auch die Seitenteile entsprechend der Zickzackform der Tauscherrohre ausgebildet sein, wodurch sich die Lötfläche vergrößert und die Festigkeit erhöht.
Die Verwendung einer zick-zack-förmigen Kanalform kann beispielsweise bei Stapelscheiben-Wärmetauschern oder Platten-Wärmetauschern erfolgen. Die Kanalwandung kann direkt durch einen umgebogenen Bereich einer Scheibe o. a. gebildet sein, so dass der Wärmetauscher auch „rohrlos" ausgebildet sein kann.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische teilweise Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
2 zeigt eine Abwandlung des Wärmetauschers aus 1.
3 zeigt eine räumliche Darstellung eines Ausschnitts aus einem Tauscherrohr gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1.
4 zeigt eine Abwandlung des Tauscherrohrs aus 3.
5 zeigt eine räumliche Darstellung eines Rippenelements des Wärmetauschers aus 1.
6 zeigt eine räumliche Darstellung eines Tauscherrohrs eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
7 zeigt eine Abwandlung des Tauscherrohrs aus 6.
8 zeigt einen aus mehreren gestapelten Tauscherrohren aus 7 aufgebauten Wärmetauscher,
9a–i zeigen verschiedene Tauscherrohrquerschnitte, und
10a, 10b zeigen Ausschnitte zweier Scheibenwärmetauscher.
Bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers handelt es sich um den Hauptkühler oder Kühlmittelkühler eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Dargestellt ist in der Breite des Wärmetauschers (waagerechte in der Zeichnungsebene) nur ein Ausschnitt, der drei benachbarte Tauscherrohre 1 zeigt.
Die Ansicht gemäß 1 entspricht einem Querschnitt in einer Ebene, die senkrecht zu einer Längsrichtung der Tauscherrohre 1 verläuft. Die Tauscherrohre 1 verlaufen somit senkrecht zu der Zeichnungsebene der 1.
Die Tauscherrohre 1 sind Flachrohre, die in einer Tiefenrichtung A (siehe Pfeil A in 1) des Wärmetauschers eine deutlich größere Ausdehnung haben als in Richtung ihrer Breite (Querrichtung in der Zeichnungsebene 1). Die Tiefenrichtung A ist zugleich die Strömungsrichtung der Kühlluft.
Die Flachrohre 1 haben zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Wandungen 2, 3 sowie kurze stirnseitige Abschlusswandungen 4. In den Tauscherrohren 1 ist als erstes Medium des Wärmetauschers ein flüssiges Kühlmittel des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs geführt. Die Tauscherrohre 1 münden endseitig in nicht dargestellte Wasserkästen, die an sich aus dem Bau von Kühlmittelkühlern bekannt sind. Über die Wasserkästen wird das Kühlmittel eingangseitig auf die Mehrzahl von Tauscherrohren 1 verteilt und ausgangsseitig wieder gesammelt.
Eine erfindungsgemäße Eigenschaft der Tauscherrohre 1 besteht in der Formgebung ihrer Wandungen 2, 3. Die Wandungen 2, 3 verlaufen parallel zueinander zickzack-förmig. Dabei weisen die Wandungen 2, 3 in dem vorliegenden, ersten Ausführungsbeispiel jeweils gerade Abschnitte 2a, 3a auf, deren Richtung sich in Biegungsbereichen 2b, 3b, ändert. Aufeinander folgende gerade Abschnitte 2a, 3a der Wandungen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel um etwa 90 Grad zueinander gewinkelt. Grundsätzlich ist untere einem zickzackförmigen Verlauf im Sinne der Erfindung auch ein Wandungsverlauf nach Art von vollständig verrundeten Wellen zu verstehen, bei denen keine geraden Abschnitte im strengen Sinne identifizierbar sind. Wie sich bereits aus den Größenverhältnissen der Biegungsbereiche 2b, 3b und der geraden Abschnitte 2a, 3a im vorliegenden Ausführungsbeispiel ergibt, wird der Zweck einer Vergrößerung der Wandfläche in Hauptströmungsrichtung A des zweiten Mediums, vorliegend Luft, auch bei wellenförmigen Wandungen 2, 3 erreicht.
Die Bautiefe T der Tauscherrohre 1 entspricht im vorliegenden Ausführungsbeispiel in etwa dem vierfachen des Abstands d benachbarter Tauscherrohre 1. Die Dicke eines Tauscherrohres 1 beziehungsweise der äußere Abstand der parallelen Wandungen 2, 3 beträgt vorliegend etwa ein Viertel der Beabstandung d benachbarter Tauscherrohre. Durch diese Maßverhältnisse ist eine gute Optimierung des Bauraums des Wärmetauschers bei gegebener Tauscherleistung erzielt, insbesondere unter Berücksichtigung des den Druckabfalls der zwischen den Flachrohren 1 strömenden Luft.
Eine typische Bautiefe T eines Kühlmittelkühlers für Kraftwagen beträgt im Falle von herkömmlichen Flachrohren mit gerade verlaufenden Wandungen z. B. etwa 52 mm. Mit der Formgebung der Flachrohre gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei gleicher Tauscherleistung die Bautiefe T des Kühlmittelkühlers auf etwa 40 mm reduziert werden. Dies kann insbesondere ohne eine Verschlechterung des Innendruckabfalls erfolgen, wobei vorliegend der Innendruckabfall dem eines herkömmlichen Kühlmittelkühlers mit 52 mm Bautiefe entspricht.
Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung von dem ersten Medium auf das zweite Medium sind eine Anzahl von Rippenelemente 5 vorgesehen, die sich senkrecht zu der Längsrichtung der Taucherrohre erstrecken und in Längsrichtung der Tauscherrohre 1 übereinander angeordnet sind. Die Rippenelemente 5 werden jeweils von den Tauscherrohren 1 durchgriffen werden. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem solchen Rippenelement. Das Rippenelement 5 ist aus einem dünnen Blech- oder Bandmaterial geformt, wobei in dem Blech ein dem Außenumfang eines Tauscherrohres 1 entsprechender Durchzug 6 vorgesehen ist. Der Durchzug 6 hat mehrere Wandsegmente 6a, zwischen denen Einschnitte 6b vorgesehen sind, so dass die Segmente 6a als federnde Haltezungen an der Wandung 2, 3 des Tauscherrohrs 1 anliegen. Somit können die Rippenelemente 5 im Zuge der Montage des Wärmetauschers einfach eines nach dem anderen über die positionierten oder vormontierten Tauscherrohre geschoben werden. Eine Verlötung der Rippenelemente 5 mit den Tauscherrohren 1 ist möglich, zum Beispiel mittels Lotplattierung und Verlötung des mechanisch vormontierten Wärmetauschers in einem Lötofen.
Zudem können in den Blechen Wärmetauscher-Rippen, Turbulatoren und/oder Kiemen 7 ausgestellt sein (siehe 1), um die Wärmeabgabe an das zweite Medium weiter zu verbessern. Die Rippenelemente können anstelle von mit Kiemen auch mit Winglets bestückt werden. Diese sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn zwei Kühlmedien-Kanäle dicht beieinander angeordnet sein müssen.
2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus 1. Die Tauscherrohre 1 weisen zusätzliche Stege 8 auf, die sich zwischen den Wandungen 2, 3 erstrecken. Die Stege können wie in 2 dargestellt nur von einer der Wandungen ausgehen und mit der anderen der Wandungen nicht fest verbunden sein, was z. B. bei Herstellung des Rohrs aus einem gebogenen Blechteil auf einfache Weise ermöglicht ist. Hierdurch ist die Berühr fläche mit dem in dem Tauscherrohr geführten ersten Medium vergrößert. Die Stege 8 können aber auch mit beiden gegenüberliegenden Wandungen 2, 3 fest verbunden sein, so dass sie zusätzlich die mechanische Stabilität und Druckfestigkeit des Tauscherrohrs erhöhen. Eine solche Ausformung ist besonders einfach herstellbar, wenn die Tauscherrohre als Strangpressprofile ausgebildet sind.
Grundsätzlich können die Tauscherrohre 1 auch eingeschobene Turbulenzeinlagen, z. B. in Form von Well- oder Stegrippenblechen, aufweisen.
3 zeigt eine räumliche Darstellung eines Tauscherrohrs 1 gemäß der Ausführung aus 1.
4 zeigt eine räumliche Darstellung der gemäß 2 abgewandelten Tauscherrohre mit Stegen 8. Die Stege 8 sind dabei als senkrecht zur Längsrichtung des Tauscherrohrs 1 gerichtete scharfe Einfaltungen des Tauscherrohrblechs ausgebildet. Die Einfaltungen können z. B. mittels Lotplattierung der Blechoberfläche mit der jeweils gegenüberliegenden Wand 2, 3 verlötet sein, so dass sie auch eine Druckstabilisierung des Tauscherrohrs 1 bewirken.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist in 6 bis 8 dargestellt. Das Tauscherrohr 1 ist dabei als Durchzug in einem Blechteil 9 ausgebildet (siehe 6). Der Durchzug hat einen zickzackförmigen Verlauf seiner Wandungen 2, 3 sowie stirnseitige kurze Wandungen 4, so dass die Querschnittsform des Tauscherrohres 1 derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 ähnlich ist. Aufgrund der Herstellung des Tauscherrohrs 1 als Durchzug ist die Länge des Tauscherrohrs 1 begrenzt.
Wenn dennoch ein Wärmetauscher von großer Bauhöhe gewünscht ist, so können mehrere der in 6 dargestellten einzelnen Tauscherrohre 1 zu einem langen Tauscherrohr 1 übereinander gestapelt werden (siehe 8). Die Wandungen 2, 3, 4 der Durchzüge können dabei eine leichte Neigung nach innen aufweisen, so dass sie auf einfache Weise ineinander stapelbar sind. Der umlaufende Rand eines der Durchzüge liegt dabei an der Innenwandung des nachfolgenden Durchzugs an. An dieser Stelle können die einzelnen Durchzüge dichtend miteinander verbunden werden, z. B. durch Verklebung oder durch Verlötung mittels lotplattierter Bleche in einem Lötofen. Eine entsprechende Ausgestaltung ist auch für Stapelscheiben-Wärmetauscher geeignet.
7 zeigt eine Abwandlung des Tauscherrohrs 1 aus 6. Dabei sind zwischen den zickzackförmigen parallelen Wandungen 2, 3 schmale Stege 8 vorgesehen. Diese dienen insbesondere als Turbulatoren für den Strom des ersten Mediums durch die Tauscherrohre 1. Zudem bewirken sie eine mechanische Verstärkung der Tauscherrohre 1 zur Verbesserung der Druckfestigkeit.
In den 9a bis 9i sind verschiedene, beispielhaft dargestellte Tauscherrohre 1 teilweise nur ausschnittsweise dargestellt, um verschiedene Biegemöglichkeiten der Bleche im Rahmen der Herstellung von Tauscherrohren 1 als verlötete Blechbiegeteile zu veranschaulichen. So sind wellenförmig gebogene Bleche mit Stegen 8 (9a–9f, 9h, 9i) oder ohne Stege (9g) möglich. Die Stege 8 können durch ein oder mehrere Enden und/oder durch gebogene oder zusammengefaltete Bereiche des Blechs gebildet sein. Hierbei können die Enden zur Vergrößerung der Kontaktfläche an der gegenüberliegenden Wandung des Tauscherrohres 1 nochmals umgebogen sein. Prinzipiell können auf der Innenfläche der Wandung auch Elemente zur Positionierung des Steges 8 vorgesehen sein. Ebenso können getrennt ausgebildete Stege verwendet werden, die mit den Wandungen verlötet werden. Die äußeren Enden des Blechs können miteinander überlappend verbunden sein, wie in 9d dargestellt. Alternativ können sie einen Steg 8 bilden, wie in 9e und 9f dargestellt. Bei den Blechen handelt es sich um ein- oder doppelseitig lotplattierte Bleche, die nach erfolgtem Biegen entweder direkt oder nach erfolgtem Zusammensetzen des Wärmetauschers im Rahmen des Verlötens des Wärmetauschers verlötet werden.
Insbesondere bei den in den 9g–9i dargestellten Tauscherrohren 1 ist ersichtlich, dass der Anströmbereich und der Abströmbereich durch gerade Bereiche gebildet sind, die besonders bevorzugt, wie vorliegend dargestellt, miteinander fluchten. Dies verbessert die An- und Abströmung des die Tauscherrohre 1 umströmenden Mediums und somit auch den Strömungsverlauf zwischen den Tauscherrohren 1.
Die dargestellten und vorstehend beschriebenen Beispiele sind nicht beschränkend. Ebenso sind neben der beschriebenen Herstellungsart beliebige andere Herstellungsarten für die Tauscherrohre 1 möglich, wie beispielsweise Extrudieren, Fließpressen, Hochdruckumformen, ggf. auch Spritzgießen. Die Tauscherrohre können auch aus Halbschalen gebildet sein, die anschließend bei Bedarf mit Turbulatoren o. a. gefüllt und fest miteinander verbunden werden, wobei vorzugsweise ein Rand vorgesehen ist, der nach außen oder innen steht und die Kontaktfläche an den Enden vergrößert. Die Tauscherrohre müssen zudem nicht notwendigerweise aus einem Metall bestehen, sondern es sind auch Tauscherrohre aus Metall-Kombinationen, Verbundmaterialien, Kunststoff-Tauscherrohre oder Rohre aus entsprechend formstabilen Kunststoff- oder Verbundmaterial-Folien oder anderen, löt-, schweiß- oder klebbaren Materialien mit ausreichender Festigkeit möglich. Die Tauscherrohre können vorzugsweise gelötet, geschweißt, mechanisch (ggf. unter Einlage von Dichtelementen) verpresst oder verklebt sein, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.
Bleche für Tauscherrohre, Rippen, Winglets, Scheiben usw. oder extrudierte Tauscherrohre können ganz oder nur in Teilbereichen – in Verbindung mit einer Lotplattierung oder ohne eine solche – mit einer Schutzplattierung und/oder einer Schutzlackierung und/oder einer Oberflächenpassivierungsschicht o. a. zum Schutz vor Korrosion versehen sein.
Die 10a und 10b zeigen zwei Beispiele von Scheibenwärmetauschern. Hierbei strömt ein erstes Medium in der Ebene der Scheiben, d. h. der Bildebene, und ein zweites Medium in den durch die Scheiben gebildeten, zickzackförmigen Tauscherrohrkanälen, d. h. senkrecht zur Bildebene. Im Falle der Darstellung von 10a können zudem noch Umlenkwände in einer Richtung parallel zu der Breitenerstreckung der zickzackförmigen Kanäle vorgesehen sein, um ein Umströmen der Kanäle mit Umlenkungen vorzusehen. Im Falle von Scheibenwärmetauschern können die Tauscherrohre durch eine entsprechende Gestalt der Scheiben gebildet sein. Alternativ ist ein Einsetzen von getrennt ausgebildeten Tauscherrohren in die entsprechenden Öffnungen der Scheiben möglich. Durch die zickzackförmige Ausgestaltung der Tauscherrohrkanäle lässt sich beispielsweise im Falle des Wärmetauschers von 10a die Bautiefe und im Falle des Wärmetauschers von 10b die Baubreite verringern.

1: Tauscherrohr
2, 3: Wandung
2a, 3a: gerader Abschnitt
2b, 3b: Biegungsbereich
4: Abschlusswandung, kurze Wandung
5: Rippenelement
6: Durchzug
6a: Wandsegment
6b: Einschnitt
7: Kieme
8: Steg
d: Abstand
T: Bautiefe

Claims

Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Tauscherrohr (1), wobei das Tauscherrohr (1) von einem ersten Medium durchströmbar ist, wobei das Tauscherrohr (1) von einem zweiten Medium im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung umströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung (2, 3) des Tauscherrohrs (1) senkrecht zu der Längsrichtung einen zumindest abschnittsweise zickzackförmigen Verlauf aufweist, und/oder dass der Strömungsquerschnitt für das erste Medium zickzackförmig ausgebildet ist, wobei der Strömungsquerschnitt auch Unterbrechungen aufweisen kann.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zickzackförmige Verlauf im Wesentlichen in einer Hauptströmungsrichtung des zweiten Mediums ausgerichtet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (1) mit einem Endbereich in einen Kasten zur Zuführung und/oder Abführung des ersten Mediums mündet.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (1) jeweils als ein um die Längsrichtung gebogenes Blechformteil, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherohr (1) als Strangpressprofil, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherohr (1) als Gussteil, insbesondere Kunststoff-Spritzgussteil, ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherohr (1) als Wandung (2, 3) eines Durchzugs in einem Blechformteil (9) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher einen Stapel von mehreren Blechformteilen (9) mit in Längsrichtung aneinander angrenzenden Durchzügen umfasst.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinander angrenzenden Durchzüge stoffschlüssig und Mediumdicht miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (1) zumindest einen Steg (8) aufweist, wobei gegenüberliegende Wandungen (2, 3) des Tauscherrohres (1) durch den Steg (8) verbunden sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen Tauscherrohren (1) aufweist, wobei benachbarte Tauscherohre zum Durchtritt des zweiten Mediums beabstandet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zumindest einen Tauscherrohr (1) ein Rippenelement (5) zur Umströmung mit dem zweiten Medium vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Turbulator und/oder ein Rippenelement (5) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rippenelement (5) eine Aufnahme aufweist, welche den Außenabmessungen des oder der Tauscherrohre (1) entspricht.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein luftumströmter Kühlmittelkühler eines Kraftfahrzeugs ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkühler in einem vorderen Endbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (2, 3) der Tauscherrohre (1) über ihren zickzackförmigen Verlauf im Wesentlichen gerade Abschnitte (2a, 3a) aufweist, wobei aufeinander folgende gerade Abschnitte (2a, 3a) einen Winkel von wenigstens etwa 45° und höchstens etwa 100° einschließen.
Wärmetauscher nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der geraden Abschnitte (2a, 3a) wenigstens drei, insbesondere wenigstens sechs beträgt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass An- und/oder Abströmseite des Wärmetauschers durch einen geraden Abschnitt gebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bautiefe (T) der Tauscherrohre (1) in einer Hauptströmungsrichtung (A) des zweiten Mediums zumindest etwa das dreifache, insbesondere zumindest etwa das vierfache eines mittleren Abstands benachbarter Tauscherrohre (1) des Wärmetauschers beträgt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher die Bauform eines Rohrbündel-Wärmetauschers aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher die Bauform eines Stapelscheiben-Wärmetauschers aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher Tauscherrohre (1) aufweist, die an ihren Enden aufgeweitet sind und zumindest einen Teilbereich eines Kastens bilden.
Wärmetauscherrohr mit einer Wandung (2, 3) und einer in Bezug auf die Dicke großen Breite, insbesondere zur Verwendung in einem Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch ge kennzeichnet, dass die Wandung (2, 3) der Tauscherrohre (1) einen zickzackförmigen Verlauf aufweist.
Wärmetauscherrohr nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherrohr (1) über seinen zickzackförmigen Verlauf im Wesentlichen gerade Abschnitte (2a, 3a) aufweist, wobei aufeinander folgende gerade Abschnitte (2a, 3a) einen Winkel von wenigstens etwa 45° und höchstens etwa 100° einschließen.