DE102008033594A1

DE102008033594A1 - Boden für einen Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102008033594A1
Application number: DE102008033594A
Authority: DE
Inventors: Claus Augenstein; Carolin Agner; Volker Kurz; Ulli Schneller; Assis Mauro
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2009-02-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Boden für einen Wärmetauscher, umfassend eine Mehrzahl von Durchbrechungen (6) mit einem die Durchbrechung umlaufenden Rand (7), wobei der Rand (7) der Durchbrechung (6) um eine Höhe über einer Bezugsebene (8) des Bodens aufragt, wobei jeweils ein Tauscherrohr (3) in eine der Durchbrechungen (6) einschiebbar und entlang des aufragenden Randes (7) dichtend mit dem Boden (2) verbindbar ist, wobei die Höhe, um die der Rand (7) über die Bezugsebene (8) aufragt, über den Verlauf des Randes (7) variiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Boden für einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Bau von Kühlmittelkühlern für Kraftfahrzeuge ist es bekannt, mit Tauscherrohren dichtend verlötete Böden herzustellen, bei denen ein Rand der von den Tauscherrohren durchgriffenen Durchbrechungen aufragt, wodurch eine Verbesserung der mechanischen Stabilität der Boden-Tauscherrohr-Verbindung erreicht ist.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Boden für einen Wärmetauscher anzugeben, bei dem eine besonders sichere Festlegung von Tauscherrohren an dem Boden auch bei hohen auf die Verbindungsstelle einwirkenden Kräften mit einfachen Mitteln gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Boden erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Änderung der Höhe des Randes lässt sich eine bessere Verteilung der durch z. B. eine Wärmeausdehnung bedingt über das Tauscherrohr in die Verbindungsstelle eingeleiteten Kraft erzielen. Hierdurch können die erforderlichen Materialstärken klein gehalten werden oder bei unveränderten Materialstärken die Zuverlässigkeit der Boden-Tauscherrohr-Verbindung weiter erhöht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Durchbrechung jeweils eine längliche Form mit zwei jeweils gegenüberliegenden langen und zwei kurzen Seiten, wobei der Rand der Durchbrechungen in einem Endbereich der langen Seiten um eine größere Höhe aufragt als in einem mittleren Bereich der langen Seiten. Hierdurch kann insbesondere im Bereich der kurzen Seiten eine Vergrößerung der Anlagefläche zwischen Rand und Tauscherrohr erreicht werden, so dass eine verbesserte Stabilität der Verbindung gerade im kritischen Bereich der kurzen Seiten gegeben ist. Besonders bevorzugt ist dabei die Höhe des Randes in dem mittleren Bereich der langen Seiten im Wesentlichen konstant und steigt in dem Endbereich zum Ende der langen Seite hin an. Bei einer weiter optimierten Ausführungsform beträgt das Verhältnis einer Länge des mittleren Bereichs konstanter Höhe zu einer Länge des Endbereichs ansteigender Höhe dabei zwischen etwa 1,0 und 2,0, besonders bevorzugt zwischen etwa 1,1 und etwa 1,5. Dieser Wertebereich des Längenverhältnisses ermöglicht eine deutliche Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Verbindung bei zugleich geringen Anforderungen an die notwendigen Materialumformungen im Zuge der Herstellung des Bodens.
Im Interesse einer guten Verlötung und mechanischen Stabilität ist es zudem besonders bevorzugt vorgesehen, dass zumindest eine der kurzen Seiten eine Krümmung aufweist, wobei eine maximale Änderung der Höhe des Randes zwischen etwa dem Doppelten und etwa dem Vierfachen eines Krümmungsradius der Krümmung der kurzen Seite beträgt.
Im allgemein bevorzugter Ausführungsform sind die Tauscherrohre im Interesse einer guten Effizienz des Wärmetauschers bei gegebener Baugröße als Flachrohre mit einer großen und einer kleinen Breite senkrecht zur Rohrlängsrichtung ausgebildet, wobei insbesondere das Verhältnis der großen zur kleinen Breite mehr als etwa vier beträgt. Aus der Praxis z. B. des Baus von Kühlmittelkühlern von Kraftfahrzeugen sind regelmäßig auch deutlich größere Breitenverhältnisse von Flachrohren bekannt, zum Beispiel mehr als acht oder sogar bis mehr als zwanzig. Mit zunehmendem Breitenverhältnis werden die mechanischen Vorteile einer erfindungsgemäßen Ausformung des Bodens besonders groß.
Weiterhin vorteilhaft kann der Boden als wenigstens zweireihiger Boden ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass in Strömungsrichtung eines Fluids, z. B. Fahrtwind im Fall eines Kühlmittelkühlers, zwei oder mehr Tauscherrohre hintereinander angeordnet sind. Ein erfindungsgemäßer Boden kann aber auch ein einreihiger Boden sein.
In weiterhin bevorzugter Ausführungsform ist die dichtende Verbindung der Tauscherrohre mit dem Rand der Durchbrechungen als Verlötung ausgebildet. Zum Beispiel im Fall von Aluminium-Wärmetauschern kann eine solche flächige Verlötung durch Lötplattierung der Tauscherrohre und/oder des Bodens erfolgen, wobei die zu verbindenden Bauteile mechanisch vormontiert werden und in einem Lötofen miteinander verlötet werden. Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch auf andere Verbindungsarten wie etwa Verkleben bezogen. Boden und Tauscherrohre können aus Metall, insbesondere Aluminium oder auch aus einem anderen Material wie zum Beispiel Kunststoff bestehen.
Im Interesse einer kostengünstigen Herstellung ist der Boden als einstückiges Blechformteil ausgebildet. Dabei wird der Boden aus einem geschnittenen Blechstreifen durch einen oder mehrere Umformschritte, wie z. B. Tiefziehen, Prägen, Stanzen oder ähnliches kostengünstig und automatisiert hergestellt. Der Boden kann auch einstückig mit einem Kasten ausgebildet sein, zum Beispiel nach Art eines umgeformten Rohrteils.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verläuft in einem Bereich zwischen benachbarten Durchbrechungen eine Unterkante des Bodens über einen Bereich variierender Höhe der Durchbrechungen im Wesentlichen auf Höhe der Bezugsebene. Hierdurch wird insbesondere im Bereich eines erhöhten Aufragens des Randes über die Bezugsebene eine besonders steile und hohe Flanke der Durchbrechung bewirkt, wodurch der so gestaltete Bereich besonders steif gegen anliegende Biegemomente um die Längsachse des Bodens ist.
Die Erfindung betrifft zudem einen Wärmetauscher, der einen Boden nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst. In besonders vorteilhafter Ausführungsform ist der Wärmetauscher ein Kühlmittelkühler eines Kraftfahrzeugs. Bei Kraftfahrzeugen bestehen besonders hohe Anforderungen an die Wärmetauscherleistung bei gegebener Bauraumgröße sowie an das geringe Gewicht des Wärmetauschers. Zugleich muss eine sehr hohe Betriebssicherheit gewährleistet sein, die unter ungünstigsten Witterungsbedingungen und Einflüssen von korrosiven Substanzen eine hohe Lebensdauer von deutlich mehr als zehn Jahren ohne Auftreten von Leckagen gewährleistet. Diese Eigenschaften können insgesamt durch die verbesserte Verbindung von Tauscherrohr und Boden gesteigert werden, unter anderem durch die Möglichkeit reduzierter Wandstärken oder größerer Seitenverhältnisse der Tauscherrohre.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Bodens für einen Wärmetauscher beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische räumliche Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in Form eines Kühlmittelkühlers eines Kraftfahrzeugs.
2 zeigt eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Bodens des Wärmetauschers aus 1.
3 zeigt eine Schnittansicht durch den Boden aus 2 entlang der Linie A-A.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Endbereichs eines Tauscherrohrs des Wärmetauschers aus 1.
5 zeigt eine räumliche Darstellung eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Bodens eines Wärmetauschers.
6 zeigt den Boden aus 5 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie B-B.
7 zeigt eine räumliche Darstellung eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Bodens eines Wärmetauschers.
8 zeigt den Boden aus 7 in einer Schnittdarstellung entlang der Linie C-C.
Der in 1 gezeigte Wärmetauscher ist ein Kühlmittelkühler eines Kraftfahrzeugs. Er umfasst an seiner Oberseite und seiner Unterseite jeweils einen Kasten 1, der zur Gewichtsersparnis aus Kunststoff, z. B. einem Polyamid, besteht. Die Kästen 1 sind jeweils über nicht dargestellte Dichtmittel mit einem Boden 2 dichtend verbunden. In den aus Aluminiumblech bestehenden Boden ist eine Mehrzahl von Tauscherrohren 3 dichtend eingesetzt. Die Tauscherrohre 3 verbinden die beiden von den oberseitigen und unterseitigen Kästen gebildeten fluidführenden Hohlräume miteinander und werden vorliegend vom Fahrwind zur Kühlung des in den Tauscherrohren 3 geführ ten Fluids, vorliegend Motor-Kühlmittel, umströmt. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind auf bekannte Weise zwischen benachbarten Tauscherrohren 3 Wellrippen 4 vorgesehen. An den schmalen Endseiten des Wärmetauschers sind abdeckende Seitenteile 5 angeordnet.
Ein für die Zuverlässigkeit eines solchen Wärmetauschers kritischer Bereich besteht in der Verbindung der Tauscherrohre 3 mit den Böden 2. Bei einem erfindungsgemäßen Boden gemäß 2 sind hierzu Durchbrechungen 6 vorgesehen, deren freier Querschnitt im Wesentlichen dem Umriss der Tauscherrohre 3 entspricht und die einen aufragenden Rand 7 aufweisen. Der Rand 7 hat eine Breite b, über die er an der Wandung des in die Durchbrechung 6 eingeschobenen Tauscherrohrs anliegt und flächig mit dem Tauscherrohr 3 verlötet ist. In der Darstellung des Tauscherrohrs nach 4 ist diese Lötfläche schraffiert auf der Wandung des Tauscherrohrs dargestellt.
Der Rand 7 ragt über eine zu den Tauscherrohren senkrechte Bezugsebene 8 des Bodens 2 hervor. Erfindungsgemäß ist dabei die Höhe des Aufragens des Randes 7 über die Bezugsebene 8 nicht konstant, sondern unterschiedlich.
Die Bezugsebene 8 fällt vorliegend mit einer Grundfläche des Bodens 2 zusammen, wobei der Rand 7 der Durchbrechung 6 wie eine längliche, umlaufende Aufstülpung in der Grundfläche ausgeformt ist.
Der Boden ist ein längliches, im Wesentlichen rechteckiges Blechformteil mit einer umlaufenden Bördelung 2a. Die Bördelung 2a dient auf bekannte Weise der dichtenden Verbindung des Bodens 2 mit dem Kasten 1.
Das Tauscherrohr 3 ist als Flachrohr mit einer im Querschnitt langen Seite 3a und einer kurzen Seite 3b ausgebildet, wobei die kurze Seite 3b im Wesentlichen als Halbkreis mit einem Krümmungsradius R (siehe Ausschnitt svergrößerung in 4) ausgeformt ist. Bei dem Flachrohr 3 handelt es sich um ein längsnahtgeschweißtes Aluminium-Flachrohr mit einem großen Seitenverhältnis zwischen langer Seite (große Breite des Flachrohrs) und kurzer Seite (kleine Breite des Flachrohrs) von acht und mehr.
Wie die Querschnittsansicht 3 zeigt, ist die Höhe, um die der Rand 7 der Durchbrechung 6 über die Bezugsebene 8 aufragt, über die lange Seite des Flachrohres 3 über einen Bereich der Länge l im mittleren Bereich der längeren Seite der Durchbrechung 6 konstant. An diesen mittleren Bereich 9 schließt sich jeweils ein endseitiger Bereich 10 an, in dem der Rand 7 eine gegenüber der Bezugsebene 8 monoton ansteigende Höhe nach Art einer Rampe aufweist. Die Punkte der größten Höhe liegen dabei jeweils in der Mitte der kurzen Seiten 3b des eingesteckten Flachrohrs 3, wobei die Höhe insbesondere über der gekrümmten Verlauf der kurzen Seiten 3b ansteigend ist, um hier die Länge der Lötnaht zu vergrößern. Wie auch aus 3 deutlich wird, steigt die Höhe des Randes 7 zum eingesteckten Ende des Taucherrohrs hin an. Die Wände der Durchbrechungen der gezeigten Ausführungsbeispiele (siehe etwa 5) springen somit zum Kasten 1 hin nach innen vor.
Eine maximale Höhendifferenz h zwischen dem tiefsten Punkt des Randes in dem mittleren Bereich 9 und dem höchsten Punkt des Randes 7 liegt dabei zwischen etwa dem Doppelten des Krümmungsradius R der kurzen Seite 3b und dem Vierfachen des Krümmungsradius R.
Das Verhältnis zwischen der gesamten Länge der Durchbrechung 6 in ihrer Längsrichtung L und der Länge des mittleren Bereichs konstanter Höhe I des Randes 7 beträgt zwischen etwa 1,1 und etwa 1,5.
Insgesamt ist durch diese Formgebung veränderlicher Höhe des Randes 7 und insbesondere durch den Anstieg des Randes 7 im Bereich der kurzen Seiten 3b der Durchbrechung 6 bzw. des Tauscherrohrs 3 eine verbesserte Kraftaufnahme gewährleistet, da in diesem Bereich die Länge der Lötlinie bzw. die Größe der Lötfläche vergrößert ist. Eine in Längsrichtung des Tauscherrohres 3 eingeleitete Kraft kann zum Beispiel durch Wärmeausdehnung im Betrieb des Wärmetauschers bedingt sein, worin eine der Hauptursachen für gebrochene Lötstellen im Bereich der Verbindung von Boden und Tauscherrohr liegt. Eine weitere die Lötstellen gefährdene Krafteinleitung resultiert bei einem erhöhten Innendruck im Bereich des Kastens, wodurch sich der Boden im Bereich seiner Bördelung (siehe etwa 3) biegt und ein Moment auf die Verlötung im Bereich der kurzen Seiten 3b ausübt.
5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bodens 2. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Boden 2 dabei nur als einreihiger Boden ausgestaltet, während im ersten Ausführungsbeispiel nach 1 bis 4 jeweils zwei Flachrohre in ihrer Längsrichtung in Strömungsrichtung der Luft hintereinander angeordnet sind. Von diesem Unterschied abgesehen, ist die Ausformung der Durchbrechung 6 und ihrer Berandung veränderlicher Höhe 7 derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels gleich.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines einreihigen Bodens gemäß 7 und 8 verläuft eine Unterkante 11 des Bodens über die gesamte Länge der Durchbrechung und auch darüber hinaus in der Bezugsebene 8. Diese Unterkante 11 ist nur im Bereich zwischen zwei benachbarten Durchbrechungen 6 durchgängig vorhanden und verläuft in Querrichtung über die erhöhten endseitigen Bereiche 10 hinweg bis zum Beginn der sickenartigen Bördelung 2a. In diesem Bereich wird ein im Querschnitt entsprechend hoher und steiler Wandabschnitt 12 (siehe 8) gebildet.
Eine solche Ausformung ist auch im ersten Ausführungsbeispiel eines zweireihigen Bodens realisiert, wobei die Unterkante nur in den bördelungsseiti gen Endbereichen auf Höhe der Bezugsebene verläuft. In dem Bereich zwischen den beiden Durchbrechungen einer Reihe ist die Unterkante mit den endseitigen Bereichen 10 nach oben gezogen.
Durch diese entgegen der erhöhten Ausformung der Endbereiche 10 unverändert tiefe Unterkante 11 wird in den erhöhten Bereichen eine besonders große Biegesteifigkeit gegen Momente um die Längsachse des Bodens erzielt. Solche Momente können etwa bei Einsetzen des Bodens in einen Kasten durch seitlichen Andruck der Bördelung 2a auftreten.
Zur weiteren Reduzierung eines solchen Biegemoments hat die Seitenwand bzw. Bördelung 2a des Boden gemäß 7 und 8 zudem eine Reihe von länglichen Durchbrechungen 2b, die insgesamt eine Schwächungslinie ausbilden, so dass der endseitige Abschnitt der Bördelung weniger Widerstand bei der Montage des Kastens 1 bietet.
Es versteht sich, dass die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können.

Claims

Boden für einen Wärmetauscher, umfassend eine Mehrzahl von Durchbrechungen (6) mit einem die Durchbrechung umlaufenden Rand (7), wobei der Rand (7) der Durchbrechung (6) um eine Höhe über einer Bezugsebene (8) des Bodens aufragt, wobei jeweils ein Tauscherrohr (3) in eine der Durchbrechungen (6) einschiebbar und entlang des aufragenden Randes (7) dichtend mit dem Boden (2) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe, um die der Rand (7) über die Bezugsebene (8) aufragt, über den Verlauf des Randes (7) variiert.
Boden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechungen (6) jeweils eine längliche Form mit zwei langen und zwei kurzen Seiten aufweisen, wobei der Rand (7) der Durchbrechungen (6) in einem Endbereich (10) der langen Seiten um eine größere Höhe aufragt als in einem mittleren Bereich (9) der langen Seiten.
Boden nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Randes (7) in dem mittleren Bereich (9) der langen Seiten im Wesentlichen konstant ist und in dem Endbereich (10) zum Ende der langen Seite hin ansteigt.
Boden nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis einer Länge (l) des mittleren Bereichs (9) konstanter Höhe zu einer Länge (L) des Endbereichs (10) ansteigender Höhe zwischen etwa 1,0 und etwa 2,0 beträgt, insbesondere zwischen etwa 1,1 und etwa 1,5.
Boden nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der kurzen Seiten (3b) eine Krümmung aufweist, wobei eine maximale Änderung (h) der Höhe des Randes (7) zwischen etwa dem Doppelten und etwa dem Vierfachen eines Krümmungsradius (R) der Krümmung der kurzen Seite (3b) beträgt.
Boden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (3) als Flachrohre mit einer großen und einer kleinen Breite senkrecht zu der Rohrachse ausgebildet sind, wobei insbesondere das Verhältnis der großen zur kleinen Breite mehr als etwa vier beträgt.
Boden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (2) als wenigstens zweireihiger Boden ausgebildet ist.
Boden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dichtende Verbindung der Tauscherrohre (3) mit dem Rand (7) der Durchbrechungen (6) als Verlötung ausgebildet ist.
Boden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (2) als einstückiges Blechformteil ausgebildet ist.
Boden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich zwischen benachbarten Durchbrechungen (6) eine Unterkante (11) des Bodens über einen Bereich va riierender Höhe der Oberkante der Durchbrechungen (6) im Wesentlichen auf Höhe der Bezugsebene (8) verläuft.
Wärmetauscher, umfassend einen Boden (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Kühlmittelkühler eines Kraftfahrzeugs ist.