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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Kraftfahrzeugklimaanlage.
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Wärmeübertrager
dienen zur Übertragung von Wärme von einem Fluid
auf ein anders Fluid. Beispielsweise wird von einem Wärmeübertrager
Wärme aus einer Kühlflüssigkeit an die
Umgebungsluft übertragen. Dies wird insbesondere in Kraftfahrzeugen
genutzt, bei denen der Wärmeübertrager dazu dient,
die von dem Verbrennungsmotor frei werdende Abwärme an
die Umgebungsluft abzugeben. Der Wärmeübertrager
besteht im Allgemeinen aus zwei Sammelkästen, zwischen
denen eine Vielzahl an Rohren angeordnet ist. In den Sammelkästen
sind Öffnungen eingebracht, in die die Rohre münden.
Die Rohre sind fluiddicht mit den Öffnungen der Sammelkästen
verbunden.
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Aus
der
WO 2004/088234
A2 ist ein Wärmeübertrager bekannt, der
aus einem zweiteiligen, aus einem Boden und einem Deckel bestehenden,
zwei Längskanäle mit kreisförmigem Querschnitt
aufweisenden Sammelkasten und Flachrohren besteht. Die Flachrohre,
Rohrenden und der Boden weisen Öffnungen zur Aufnahme der
Rohrenden auf. Der Boden, Deckel und die Flachrohre sind miteinander
verlötet. Der Boden und der Deckel sind jeweils aus einer
Blechplatine hergestellt bzw. geprägt. Im mittleren Längstrennwandbereich
und der im Bereich der Flachrohre angeordneten Querkanäle
sind zwischen den Flachrohren Kontaktflächen vorgesehen,
die eine plane Oberfläche aufweisen und miteinander verlötet
sind. Aus den Querschnittsdarstellungen des Sammelkastens geht hervor,
dass der Boden Flachrohre aufnimmt, die sich mit ihren Ende bis
in den Strömungskanal des Längskanals erstrecken
und diesen fast zur Hälfte ausfüllen.
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Die
US 5 172 761 zeigt einen
Wärmeübertrager. Der Sammelkasten besteht ebenfalls
aus einem Boden und einem Deckel mit Längskanälen
mit länglichem Querschnitt und aus Flachrohren. Die Enden der
Flachrohre erstrecken sich bis in den Strömungskanal des
Längskanals und nehmen diesen fast zur Hälfte
ein. Im mittleren Längstrennwandbereich weisen der Boden
und der Deckel des Sammelkastens gegeneinander anliegende Kontaktflächen
auf. Der Deckel ist mäanderförmig, d. h. teilweise
gekrümmt, ausgebildet. An den jeweils gekrümmten
Stellen des Deckels, die gegen die gegenüberliegende flache Kontaktfläche
des Bodens anliegen, sind der Boden und der Deckel stoffschlüssig
miteinander verbunden. Es können leicht Lötprobleme
an den Kontaktflächen bei Fertigungs-Ungenauigkeiten wegen
der planen und gekrümmten Kontaktflächen auftreten, die
im Allgemeinen zu Undichtigkeiten führen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen
Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen,
bei dem auch bei Fertigungs-Ungenauigkeiten keine Undichtigkeiten
auftreten. Der Zusammenbau des Sammelbehälters soll einfach
mit einem geringen Fertigungsaufwand ausgeführt werden
können. Ferner soll der Wärmeübertrager
in der Herstellung preiswert sein.
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Diese
Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmeübertrager
mit wenigstens einem zweiteiligen, aus einem Boden und einem Deckel
bestehenden, wenigsten einen Längskanal aufweisenden Sammelkasten mit
Rohren, die mit ihrem Rohrende in im Boden vorgesehene Öffnungen
eingesteckt und fest mit dem Boden verbunden sind, wobei der Boden
und der Deckel gegenüberliegende Stirnflächen
aufweisen, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind,
wobei die beiden gegenüberliegenden Stirnflächen
wenigstens teilweise gekrümmt sind. Hierdurch wird die
Anlagesicherheit zwischen den gegenüberliegenden Kontaktflächen
von Boden und Deckel wesentlich verbessert und es können
auf einfache Weise Fertigungs-Ungenauigkeiten bei der Herstellung
von Boden und Deckel ausgeglichen werden, da die gekrümmten
Flächen wenigstens teilweise stets so nah zueinander positioniert
werden können, dass das Stoffschlussverbindungsmittel,
insbesondere das Lötmittel, auf einfache Weise zwischen
die Kontaktflächen eingebracht und dann mit den gegenüberliegenden
Kontaktflächen verbunden werden kann oder bei einer Herstellung
der Stoffschlussverbindung in einem Wärmeofen die gekrümmten
Flächen wenigstens teilweise in einem unmittelbaren Kontakt
stehen, so dass diese, da mit einem Stoffschlussverbindungsmittel
plattiert, miteinander stoffschlüssig verbunden werden
können. Die beiden gegenüberliegenden gekrümmten
Stirnflächen ermöglichen somit auch bei Fertigungs-Ungenauigkeiten
dass entweder ein Zwischenraum vorhanden ist oder ein unmittelbarer
Kontakt jeweils an den Stirnflächen vorhanden ist. Da auch
mit Hilfe der gekrümmten Kontaktfläche die Einschubtiefe
der Rohre begrenzt wird, ergibt sich auf einfache Weise eine Vergrößerung
des freien Strömungsquerschnitts.
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In
einer weiteren Ausgestaltung sind die gegenüberliegenden
Stirnflächen komplementär gekrümmt ausgebildet,
sodass sie wenigstens teilweise ineinander greifen können.
Wenigstens eine der Komponenten des Wärmeübertragers
ist mit einem Lot plattiert. Die Stirnflächen müssen
im unmittelba ren Kontakt stehen, d. h. auch das Lot, damit im Wärmeofen
eine Lötverbindung entsteht. Hierdurch wird sichergestellt,
dass auch bei Fertigungs-Ungenauigkeiten, eine einwandfreie und
somit fluiddichte Verbindung zwischen Boden und Deckel geschaffen wird.
Je nach Herstellungsverfahren ist es auch möglich, dass
das Lötmittel nach Zusammenfügen von Boden und
Deckel zwischen die Stirnflächen eingebracht wird. Hierzu
ist es zweckmäßig, dass die gegenüberliegenden
Stirnflächen nach Zusammenfügen von Boden und
Deckel einen entsprechenden Abstand zueinander aufweisen, damit
das Lötmittel zwischen die sich gegenüberliegenden
Stirnflächen eingebracht und dann einer Wärmebehandlung
unterzogen werden kann.
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Insbesondere
ermöglichen die gegenüberliegenden gekrümmten
Stirnflächen eine Formschlussverbindung bzw. bilden Formschlusselemente,
die den Zusammenbau von Boden und Deckel erleichtern, da die Formschlusselemente
Boden und Deckel beim Zusammenfügen gegeneinander ausrichten bzw.
justieren.
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In
einer zusätzlichen Ausführungsform bilden die
gegenüberliegenden gekrümmten Stirnflächen
mittel- oder unmittelbar miteinander verbundene Formschlusselemente.
Es ist möglich, dass zumindest Teile der Formschlusselemente
direkt gegeneinander anliegen und andere Teile mit Abstand zueinander
angeordnet sind, sodass zur Aufnahme des Stoffschlussverbindungsmittels
genügend Aufnahmeraum gebildet wird. Außerdem
ist ein Formschluss zwischen den Stirnflächen möglich.
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In
einer Variante bilden die beiden gegenüberliegenden Stirnflächen
einen Zwischenraum zur Aufnahme eines Stoffschlussverbindungsmittels,
sodass es auf einfache Weise möglich ist, das Stoffschlussverbindungsmittel
bei einem Zwischenraum an den wichtigsten Stellen der Kontaktflächen
anzubringen, oder um bei einem unmittelbaren Kontakt der Stirnflächen
bei der gemeinsamen Wärmebehandlung in einem Wärmeofen
von Deckel und Boden, die mit einem Stoffschlussverbindungsmittel,
z. B. Lot, plattiert sind, auf einfache, rationelle und kostengünstige
Weise eine fluiddichte Verbindung zu schaffen.
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In
einer zusätzlichen Ausführungsform sind die Formschlusselemente
Stege mit Stirnflächen, wobei die Enden der Rohre vor oder
wenigstens im Bereich der Stirnflächen enden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung liegen die Enden der Rohre wenigstens
teilweise mittel- oder unmittelbar zumindest gegen eine Stirnfläche
der Stege an. Hierdurch wird die Einschubtiefe der Rohre in die Öffnungen
begrenzt und sichergestellt, dass der Strömungsquerschnitt
der Kanäle nicht verringert wird.
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Vorzugsweise
weist wenigstens der Boden und/oder der Deckel des Sammelkastens
wenigstens einen Steg auf, der den wenigstens einen Längskanal
seitlich begrenzt und sich wenigstens bis in den Bereich der gegenüberliegenden
Stirnfläche des Deckels bzw. Bodens erstreckt. Somit können
die Stege einmal als Anschlagfläche und zum anderen auch
zur Begrenzung der Kanäle eingesetzt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform weisen der Boden und der
Deckel jeweils ein Randteil und der Boden im Bereich des Randteils
wenigsten jeweils ein Seitenelement auf, das das Randteil des Deckels übergreift
und gegen dieses mittel- oder unmittelbar anliegt. Der Boden kann
daher einfacher gestaltet und somit kostengünstiger hergestellt
werden. Da der Boden im Bereich des Randteils wenigsten jeweils
ein Seitenelement aufweist, kann der Boden leicht und schnell montiert
werden, da er nur auf den Deckel geschoben zu werden braucht.
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Insbesondere
zur Erhöhung des Strömungsquerschnitts begrenzen
wenigstens die Stege die Einschubtiefe der Rohre in den Öffnungen.
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Vorzugsweise
weist der Boden zur wenigstens teilweisen Aufnahme der Stege Ausbuchtungen auf,
die beim Zusammenbau von Boden und Deckel dazu beitragen, dass sich
diese gegenseitig ausrichten und damit justiert werden.
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In
einer zusätzlichen Ausführungsform weist der Boden
zwischen zwei außen liegenden Kanälen ein in Richtung
des Deckels zeigendes Anlageteil mit einer planen, wenigstens eine
Vertiefung aufweisenden Stirnfläche auf, in die ein mit
Bezug auf eine Längsmittelebene des Bodens mittig vorgesehener Steg
ragt, wobei im Eckbereich des Anlageteils die beiden außen
liegenden, die außen liegenden Kanäle begrenzenden
Stege je eine Aussparung aufweisen, die gegenüber dem Eckbereich
des Anlageteils vorgesehen sind.
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In
einer ergänzenden Ausgestaltung ist die stoffschlüssige
Verbindung eine Löt- und/oder Klebeverbindung und der Wärmeübertrager,
insbesondere der Boden und/oder der Deckel, besteht aus Aluminium
oder aus einer Aluminiumlegierung.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft, dass
wenigstens einer der Stege, die vorzugsweise am Deckel und/oder
am Boden angeordnet sind, als Befestigungsmöglichkeit für
den Boden und/oder den Deckel dienen, wobei der Boden derart ausgebildet
ist, dass die Rohre außerhalb des Strömungsbereichs
der Kanäle enden.
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Eine
erfindungsgemäße Kraftfahrzeugklimaanlage umfasst
den beschriebenen Wärmeübertrager.
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Im
Nachfolgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Teilansicht eines Wärmeübertragers
mit einem Sammelkasten mit Deckel und einem nur teilweise dargestellten
Flachrohr, das in eine Öffnung eines Bodens eingesetzt
ist,
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2 einen
Längsschnitt des Sammelkastens mit einer Verschlusseinrichtung
gemäß 1,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel des Sammelkastens im Längsschnitt,
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4 eine
Teildraufsicht des Bodens des Sammelkastens gemäß 1 oder 3,
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5 eine
perspektivische Teilansicht des Deckels des Sammelkastens und der
die Längskanäle seitlich begrenzenden Stege.
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1 zeigt
eine Teilansicht eines Wärmeübertragers 1,
der für einen Kondensator bzw. Gaskühler eingesetzt
werden kann und der bevorzugt in einer mit dem Kältemittel
CO2 betriebenen Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs
Verwendung finden kann. Der Wärmeübertrager 1 weist – wie
an sich bekannt – ein Wärmeübertragernetz
auf, von dem hier nur ein Flachrohr 3 teilweise dargestellt
ist, das mit seinem Rohrende 3a von einem Boden 4 eines
Sammelkastens 2 aufgenommen ist. Zwischen den Flachrohren 3 befinden
sich nicht dargestellte Weltrippen zur Vergrößerung
der luftseitigen Wärmeaustauschfläche.
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Der
Sammelkasten 2 weist neben dem Boden 4 einen U-förmig
ausgebildeten Deckel 5 auf, der jeweils ein Randteil 17, 18 aufweist.
Der Boden 4 weist im Bereich eines Randteils 17, 18 wenigsten
jeweils ein Seitenelement 15, 16 auf, das das
Randteil 17, 18 des Deckels 5 übergreift
und gegen dieses mittel- oder unmittelbar anliegt.
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Durch
die horizontal angeordneten Flachrohre 3 strömt
zu kondensierendes und zu kühlendes, in der Zeichnung nicht
dargestelltes Kältemittel. Die Flachrohre 3 münden
an ihren jeweiligen Enden 3a in den vertikal angeordneten
Sammelkasten 2, d. h., es sind zwei Sammelkästen 2 jeweils
an den Enden 3a der Flachrohre 3 vorhanden. In 1 ist
nur ein Sammelkasten 2 dargestellt. Der Sammelkasten 2 weist
hierzu Öffnungen 10 (1) auf,
durch die die Enden 3a der Flachrohre 3 in den
Sammelkasten 2 ragen.
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Zwischen
den Flachrohren 3 sind nicht dargestellte mäanderförmige
Kühlrippen angeordnet, die mittels Wärmeleitung
mit den Flachrohren 3 in thermischer Verbindung stehen.
Dadurch wird die Fläche vergrößert, die
zum Kühlen des Kältemittels zur Verfügung
steht. Die Flachrohre 3, der Boden 4 und der Deckel 5 der
beiden Sammelkästen 2 bestehen im Allgemeinen
aus Metall, insbesondere Aluminium.
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Der
Boden 4 und der Deckel 5 weisen gegenüberliegende
Stirnflächen 11, 12 auf, die stoffschlüssig
miteinander verbunden, insbesondere miteinander verlötet,
sind. Die beiden gegenüberliegenden Stirnflächen 11, 12 sind
in vorteilhafter Weise wenigstens teilweise gekrümmt bzw.
weisen einen kurvenförmigen Verlauf auf. Dadurch können
Fertigungs-Ungenauigkeiten beim Zusammenbau des Bodens 4 und
des Deckels 5, insbesondere der gegenüberliegenden
Stirnflächen 11, 12 ausgeglichen werden.
Die gegenüberliegenden Stirnflächen 11, 12 sind
hierzu komplementär gekrümmt ausgebildet, sodass
sie zumindest teilweise ineinander greifen und dabei teilweise auch
gegeneinander anliegen können. Die Stirnflächen 11, 12 sind
dabei so beschaffen, dass nach der Montage zwischen den Stirnflächen 11, 12 unmittelbar
Kontakt besteht.
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Die
gegenüberliegenden gekrümmten Stirnflächen 11, 12 bilden
eine Formschlussverbindung bzw. ermöglichen Formschlusselemente.
Wenigstens die mittelbar miteinander verbundenen Formschlusselemente
bilden mit ihren gegenüberliegenden Flächen einen
Zwischenraum 6 zur Aufnahme eines Stoffschlussverbindungsmittels 7 Wenigstens eine
der Komponenten des Wärmeübertragers 1 ist mit
einem Lot plattiert. Die Stirnflächen 11, 12 müssen
im unmittelbaren Kontakt stehen, d. h. auch das Lot, damit im Wärmeofen
eine Lötverbindung entsteht. Hierdurch wird sichergestellt,
dass auch bei Fertigungs-Ungenauigkeiten, eine einwandfreie und somit
fluiddichte Verbindung zwischen Boden 4 und Deckel 5 geschaffen
wird. Je nach Herstellungsverfahren ist es auch möglich,
dass das Lötmittel nach Zusammenfügen von Boden 4 und
Deckel 5 zwischen die Stirnflächen 11, 12 eingebracht
wird (nicht dargestellt). Hierzu ist es zweckmäßig,
dass die gegenüberliegenden Stirnflächen 11, 12 nach
Zusammenfügen von Boden 4 und Deckel 5 den
entsprechenden Zwischenraum 6 zueinander aufweisen, damit
das Lötmittel zwischen die sich gegenüberliegenden
Stirnflächen 11, 12 eingebracht und dann
einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann.
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Der
Boden 4 und/oder der Deckel 5 des Sammelkastens 2 weisen
wenigstens einen im Ausführungsbeispiel mehrere Stege 13, 14 auf,
die wenigstens einen Längskanal 8, 9 seitlich
begrenzen und sich wenigstens bis in den Bereich der gegenüberliegenden
Stirnfläche 11, 12 des Deckels 5 bzw. Bodens 4 erstrecken
(2, 3, 5). Zwischen
den Längskanälen 8, 9 ist ein
in der Zeichnung nicht dargestellter Querkanal angeordnet, der einen Durchlass
zu den Längskanälen 8, 9 bildet.
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Die
zuvor beschriebenen Formschlusselemente können die Stege 13 mit
den Stirnflächen 11, 12 sein, wobei die
Enden 3a der Flachrohre 3 vor oder wenigstens
im Bereich der Stirnflächen 11, 12 der
Stege 13 enden. Dadurch wird beim Einbau der Flachrohre 3 in
die im Boden 4 vorgesehenen Öffnungen 10 die
Einschubtiefe derart begrenzt, dass die Flachrohre 3 nicht
im Längskanal 8, 9 enden.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3 sind
die Stege 13 mit den Stirnflächen 12 versehen,
die keil- bzw. dachförmig ausgebildet sind. Der Boden 4 weist
wenigstens zur teilweisen Aufnahme der Stege 13 bzw. des
keilförmigen Teils der Stege 13 Vertiefungen bzw.
Ausbuchtungen 21 auf. Die Stege 13 und die Ausbuchtungen 21 bilden
beim Zusammenbau des Bodens 4 und des Deckels 5 eine Formschlussverbindung,
sodass sie eine gegenseitige seitliche Verschiebung des Bodens 4 und
des Deckels 5 begrenzen.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 2 weisen
die einzelnen Stege 13 eine gleichmäßig
große Wandstärke auf und begrenzen die Längskanäle 8 mit
ebenfalls gleich großem Strömungsquerschnitt.
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Nach
einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist
der Boden 4 zwischen zwei außen liegenden Kanälen 8 ein
in Richtung des Deckels 5 zeigendes Anlageteil 19 mit
einer planen, wenigstens eine Vertiefung 21 aufweisenden
Stirnfläche 20 auf. In die Vertiefung 21 ragt
ein mit Bezug auf eine Längsmittelebene bzw. Mittelachse 22 (3)
des Bodens 4 mittig vorgesehener Steg 13. Die
Längsmittelebene 22 ist eine Fläche,
die auf der Mittelachse 22 verläuft. Im Eckbereich
der Stege 14 befindet sich je eine gekrümmte Aussparung 21,
die gegenüber den komplementär ausgebildeten Anlageteil 19 angeordnet
ist und die Stirnflächen 11, 12 ausbilden.
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Die
beiden außen liegenden Stege 14 weisen jeweils
einen etwas größeren Querschnitt auf, als der
mittlere Steg 13. Die die Stege 13, 14 begrenzenden
Längskanäle 8 haben nach diesem Ausführungsbeispiel
einen gleich großen Strömungsquerschnitt.
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Wenigstens
einer der Stege 13, 14, die vorzugsweise am Deckel 5 und/oder
am Boden 4 angeordnet sein können, dient als Befestigungsmöglichkeit
für den Boden 4 und/oder den Deckel 5.
Hierzu ist es vorteilhaft, dass der Boden 4 stets so ausgebildet
ist, dass die Flachrohre 3 außerhalb des Strömungsbereichs
der Kanäle enden.
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Insgesamt
betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 erhebliche
Vorteile verbunden. Die beiden gegenüberliegenden und gekrümmten
Stirnflächen 11, 12 ermöglichen
es, dass auch bei Fertigungs-Ungenauigkeiten die beiden Stirnflächen 11, 12 wenigstens
teilweise unmittelbar in Kontakt stehen, sodass im Wärmeofen
ein Verlöten der Lot platierten Stirnflächen 11, 12 möglich ist.
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- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Sammelkasten
- 3
- Rohr,
Flachrohr
- 3a
- Rohrende
- 4
- Boden
- 5
- Deckel
- 6
- Zwischenraum
- 7
- Stoffschlussverbindungsmittel
- 8
- Längskanal,
Strömungskanal
- 9
- Längskanal,
Strömungskanal
- 10
- Öffnung
- 11
- Stirnfläche
- 12
- Stirnfläche
- 13
- Steg
- 14
- Steg
- 15
- Seitenelement
- 16
- Seitenelement
- 17
- Randteil
- 18
- Randteil
- 19
- Anlageteil
- 20
- Stirnfläche
- 21
- Vertiefung,
Ausbuchtung, Aussparung
- 22
- Mittelachse,
Längsmittelebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/088234
A2 [0003]
- - US 5172761 [0004]