DE102009033217A1

DE102009033217A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102009033217A1
Application number: DE102009033217A
Authority: DE
Inventors: Mehmet Dipl.-Ing. Tosun (Fh)
Original assignee: Behr Industrieanlagen GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr Industry GmbH and Co KG
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2011-01-27
Also published as: WO2011006771A3; WO2011006771A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung parallel zueinander gestapelten Flachrohren (3) und zumindest einen Sammler (1, 2) zur Verteilung eines Fluids auf die Flachrohre (3), wobei die Flachrohre (3) mit zumindest einem Ende in den Sammler (1, 2) münden, wobei der Sammler (1, 2) zumindest ein erstes Segment (1a-1d, 2a-2d) und ein in der Stapelrichtung daran angrenzendes zweites Segment (1a-1d, 2a-2d) umfasst, wobei die Segmente (1a-1d, 2a-2d) stoffschlüssig aneinander festgelegt sind, wobei die Segmente (1a-2d) in einem Bodenbereich (5) jeweils mehrere Durchzüge (4) aufweisen, wobei die Flachrohre (3) in die Durchzüge (4) eingesteckt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
EP 0 961 095 B1 beschreibt einen Wärmetauscher, der aufgrund seiner modularen Bauweise leicht an einen veränderten Bauraum angepasst werden kann, insbesondere durch Veränderung der Anzahl von Flachrohren. Zwischen jeweils zwei Flachrohren ist dabei ein Segment eines Sammlers angeordnet, das eine Durchbrechung in Stapelrichtung der Flachrohre aufweist, welche sich mit Durchbrechungen in Endabschnitten der Flachrohre überdeckt. Ein Sammler des Wärmetauschers wird somit durch Summierung der Durchbrechungen von Sammlersegmenten und Flachrohrenden zu einem länglichen, endseitigen Sammlerraum gebildet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher anzugeben, der einfach und kostengünstig an veränderte Bauraumanforderungen anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Wärmetauscher erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Durch das Aufteilen des Sammlers in zumindest zwei Segmente, die jeweils mehrere Durchzüge zum Einstecken von Flachrohren aufweisen, wird zum einen die Anzahl von Einzelteilen klein gehalten und zum andern dennoch ein modularer Aufbau aus Segmenten ermöglicht, der die Herstellung von Wärmetauschern unterschiedlicher Baugrößen vereinfacht. Insbesondere kann durch Bevorratung der Segmente die kostengünstige Fertigung von Kleinserien von Wärmetauschern unterschiedlicher Bauhöhe in Stapelrichtung der Flachrohre verbessert werden. Dabei können die gleichen Segmente für verschiedene Kleinserien eingesetzt werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist zumindest eines der Segmente als Umformprofil ausgebildet, in bevorzugter Detailgestaltung mittels Strangpressen. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Segment auch als Gussteil ausgebildet sein. Vor allem Aluminium und seine Legierungen können einfach und kostengünstig durch Strangpressen oder Gießen zu Sammlersegmenten geformt werden. Bei solchen Ausführungsformen können die Durchzüge beispielsweise durch Fräsung in einen Bodenbereich der umgeformten oder urgeformten Segmente eingebracht werden.
Bei einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform ist zumindest eines der Segmente als Blechformteil ausgebildet, in bevorzugter Detailgestaltung entweder als einteiliges oder als mehrteiliges Blechformteil. So kann ein Aluminiumblech, insbesondere ein zumindest einseitig luftplattiertes Aluminiumblech, durch Stanzen mit den Durchzügen versehen werden und dann entweder mit einem zweiten Blechformteil zum Sammlerraum kassettiert werden oder durch Umbiegen eines überständigen Endes zu einem einstückigen Sammlersegment.
Je nach Anforderungen können die Segmente eines Sammlers in jeweils gleicher Bauart, etwa als Strangpressteil, Gussteil oder Blechformteil, ausgebildet sein oder auch in gemischter Bauart.
Allgemein vorteilhaft ist es vorgesehen, dass die Segmente als Kanäle aus Metall ausgebildet sind, die im Querschnitt bis auf die Durchzüge umlaufend geschlossen sind. Hierdurch kann auf weitere Bauteile wie etwa Sammlerkästen aus Kunststoff oder Ähnliches verzichtet werden, und der überwiegend vollständige Wärmetauscher kann als kassettiertes Bauteil zum Beispiel in einem Lötofen stoffschlüssig verbunden werden. Dies schließt nicht aus, dass zumindest einzelne der stoffschlüssigen Verbindungen durch eine Verschweißung erfolgen. Ein bevorzugtes Metall für den Bau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen. Alternativ kann aber auch Stahl, zum Beispiel korrosionsresistenter Edelstahl, Verwendung finden.
Zur einfachen Verbindung der Segmente ist in bevorzugter Detailgestaltung der Erfindung zwischen den aneinander angrenzenden Segmenten eine Lötscheibe vorgesehen. Die Lötscheibe folgt bevorzugt im Wesentlichen den stirnseitigen Rändern der Segmente verbindet und diese aneinander stoffschlüssig. Die Lötscheibe kann zum Beispiel als beidseitig lotplattiertes Blechteil ausgebildet sein, das in einem Lötofen nur an seinen Lotplattierungen und nicht in seinem Kernbereich schmilzt. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass die Lotscheibe vollständig aus Lotmaterial besteht. Bei einer solchen Ausführung schmilzt die Lotscheibe im Zuge der Verlötung vollständig auf. Bei einer hierzu alternativen oder ergänzenden Ausführungsform kann auch anstelle einer Lotscheibe eine Lotbeschichtung zumindest im Randbereich der Segmente vorliegen. Diese kann in einer Lotplattierung bestehen oder auch aus einem Lotauftrag mittels bekannter Verfahren wie Flammspritzen oder Kaltgasspritzen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auf einem endseitigen Segment des Sammlers eine Abschlussplatte stoffschlüssig angebunden. Je nach Anforderungen kann die Abschlussplatte sich zum Beispiel nur über das Segment erstrecken und das Segment endseitig verschließen oder auch über die gesamte Seite des Wärmetauschers, um einen mechanischen Schutz des Stapels von Flachrohren auszubilden. In besonders bevorzugter Detailgestaltung bildet die gleiche Abschlussplatte dabei fluiddichte endseitige Abschlüsse zweier gegenüber liegender Sammlersegmente und zugleich eine seitliche Überdeckung der Flachrohre.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann zwischen den Segmenten eine Zwischenplatte stoffschlüssig angebunden sein, wobei durch die Zwischenplatte eine Querschnittsreduzierung oder eine Abtrennung zwischen den Segmenten ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Bauform eines Wärmetauschers ist besonders geeignet, mittels einer solchen Zwischenplatte den Sammlerraum in der Stapelrichtung der Flachrohre zu unterteilen. Eine Unterteilung kann einen vollständig abgetrennten zweiten Wärmetauscherkreis ausbilden oder auch eine mäandrierende Führung des Fluids, wie es zum Beispiel bei Verdampfern von Kältekreisen üblich ist. Liegt lediglich eine Querschnittsreduzierung durch die Zwischenplatte vor, so kann hierdurch zum Beispiel ein Kühlmittelkühler mit einem integrierten Niedertemperatur-Kühlbereich ausgebildet werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist an zumindest einem der Segmente ein Fluidanschluss vorgesehen, der in bevorzugter Detailgestaltung stoffschlüssig angebunden ist. Ein solches Segment kann in Stapelrichtung der Flachrohre relativ kurz ausgebildet sein und in großer Stückzahl bevorratet werden, da es als Standardbauteil für verschiedene Kleinserien eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers dienen kann. In besonders bevorzugter Detailgestaltung ist an zumindest einem weiteren der Segmente kein Fluidanschluss vorgesehen. Ein solches Segment kann etwa zu wesentlichem Anteil die Höhe des Wärmetauschers in Stapelrichtung ausbilden. Solche Segmente können zum Beispiel in unterschiedlicher Bauhöhe in großen Stückzahlen bevorratet werden, um durch geeignete Kombination einer möglichst geringen Anzahl von Segmenten die jeweils gewünschte Bauhöhe eines Wärmtauschers zu kombinieren.
Allgemein vorteilhaft ist es vorgesehen, dass zumindest zwischen den Flachrohren eines der Segmente, in bevorzugter Detailgestaltung zwischen sämtlichen Flachrohren des Wärmetauschers, Rippen angeordnet sind. Das Vorsehen von Rippen zwischen den Flachrohren an den Enden benachbarter Segmente ist möglich und hängt im Einzelfall von den Anforderungen ab. So könnte zum Beispiel auf diese Rippen verzichtet werden, wenn die Segmente gleichzeitig eine Unterteilung des Wärmetauschers in funktionell verschiedene Abschnitte darstellen.
Allgemein vorteilhaft umfasst der Sammler des erfindungsgemäßen Wärmetauchers zumindest ein drittes Segment mit Durchzügen für die Flachrohre. Auf diese Weise lässt sich die gewünschte Bauhöhe des Wärmetauschers besonders gut aus vorkonfektionierten Segmenten kombinieren.
Im Kraftfahrzeugbau ist ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher besonders geeignet, als Kühlmittelkühler, Ladeluftkühler, Heizkörper, Verdampfer eines Kältekreises oder als Gaskühler/Kondensator eines Kältekreises Verwendung zu finden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt eine räumlich explodierte Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
Der in 1 dargestellte Wärmetauscher umfasst einen sich zwischen zwei Sammlern 1, 2 in einer Querrichtung erstreckenden und in einer Stapelrichtung bzw. Hochrichtung des Wärmetauschers gestapelten Stapel von parallelen Flachrohren 3. Der gesamte Wärmetauscher ist als kassettierbarer und stoffschlüssig mittels Verlötung in einem Lötofen hergestellter Wärmetauscher auf Aluminiumbasis ausgebildet.
Die Flachrohre 3 können je nach Anforderungen als gelötete oder geschweißte Blechformteile ausgebildet sein oder auch als extrudierte oder stranggepresste Profile. Besonders vorteilhaft haben die Flachrohre 3 auf ihrer Außenseite eine Lotplattierung und zwischen den Flachrohren 3 sind jeweils nicht dargestellte Rippen angeordnet, zum Beispiel Stegrippen oder Wellrippen.
Endseitig sind die Flachrohre 3 jeweils in einen Durchzug 4 in einem Bodenbereich 5 der Sammler 1, 2 eingesteckt und fluiddicht mit den Durchzügen 4 verlötet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Sammler 1, 2 jeweils aus mehreren in Stapelrichtung der Flachrohre 3 aneinander angesetzten Segmenten 1a, 1b, 1c, 1d, 2a, 2b, 2c, 2d ausgebildet. Die Segmente 1a–2d sind jeweils als Kanäle aus Metall, vorliegend Aluminium, ausgebildet, die im Querschnitt den Sammlerraum einstückig umlaufend umschließen In diese Kanäle sind die Durchzüge 4 in den Bodenbereich 5 eingefräst. Der Bodenbereich 5 ist vorliegend, aber nicht notwendig, als ebener Abschnitt der Umfangswandung der Segmente 1a–2d ausgeformt ist,
Zwischen den stirnseitigen Rändern 6 aneinander angrenzender Segmente 1a-2d sind jeweils Lötscheiben 7 eingelegt, die im Lötofen für eine stoffschlüssige Anbindung der aneinander angrenzenden Segmente sorgen. Die Lötscheiben 7 sind als durchbrochene lotplattierte Bleche ausgebildet, die einen nicht aus Lot bestehenden Kernbereich mit beidseitiger Lotplattierung aufweisen. Eine typische Gesamtdicke einer Lötscheibe liegt im Bereich von 0,5 mm, wobei der Anteil des nicht schmelzenden Kernbereichs etwa der halben Dicke der Lötscheibe 7 entspricht.
Die sich in der Stapelrichtung erstreckenden, zu Kanälen bzw. Rohren kombinierten Sammlersegmente 1a–2d sind endseitig jeweils durch eine Abschlussplatte 8 fluiddicht verschlossen. Die Abschlussplatte 8 ist ebenfalls mittels Lötscheiben 7 an den endständigen Segmenten 1a, 1d, 2a, 2d angebunden, wobei in alternativer Ausgestaltung auch eine unmittelbare Anbindung durch eine Lotplattierung der Abschlussplatte 8 erfolgen kann. Die Abschlussplatten 8 erstrecken sich über die gesamte Breite des Wärmetauschers und bilden somit ein oberes und unteres Abschlussblech des Stapels der Flachrohre 2, durch welches zugleich ein mechanischer Schutz der Flachrohre 3 gegen Beschädigung gegeben ist.
Bei einer alternativen Detailgestaltung können die stirnseitigen Ränder 6 der Segmente 1a–2d auch unmittelbar eine Lotplattierung aufweisen. Eine solche Lotplattierung kann mit beliebigen bekannten Verfahren aufgebracht werden, zum Beispiel mittels Flammspritzen oder Kaltgasspritzen. Bei dieser Ausführungsform kann zumindest zwischen einigen der Segmente auf eine Lotscheibe verzichtet werden.
In jedem der Segmente 1a–2d der parallelen endseitigen Sammler 1, 2 sind jeweils mehrere der Flachrohre 3 in die Durchzüge 4 eingesteckt. Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Wärmetauscher mehrere Reihen von Flachrohren hintereinander aufweist.
Ebenso sind Ausführungsformen denkbar, bei denen nur ein einzelner Sammler vorgesehen ist oder bei denen nur einer der Sammler segmentiert ausgebildet ist.
Im vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das endständige Segment 1d des ersten Sammlers 1 sowie das endständige Segment 2a des zweiten Sammlers 2 jeweils einen Fluidanschluss 9 in Form eines an eine Durchbrechung des Segments 1d, 2a stoffschlüssig angelöteten Rohrabschnitts. Die Anbringung des Rohrabschnitts 9 erfolgt mittels einer kreisförmigen Lötscheibe (nicht dargestellt).
Jeder der Sammler 1, 2 des vorliegenden Ausführungsbeispiels hat insgesamt vier Segmente. Umfasst sind dabei jeweils endständige Segmente 1a, 1d, 2a, 2d, deren minimale Höhe durch das Vorsehen der Anschlussglieder 9 bestimmt ist, im vorliegenden Beispiel durch eine Höhe von fünf Flachrohren angedeutet. Da diese Segmente von geringerer Höhe sind als der gesamte Wärmetauscher, können sie in großer Anzahl bevorratet werden, da sie an nahezu jedem erfindungsgemäß segmentierten Wärmetauscher verwendbar sind.
Zwischen diesen Anschlusssegmenten 1a, 1d, 2a, 2d befindet sich ein Abschnitt mit längeren Segmenten 1b, 2b ohne Anschlüsse, der eine Höhe von hier beispielhaft 20 Flachrohren umfasst. Daran angrenzend befindet sich in dem Wärmetauscher noch ein nicht mit Anschlüssen versehener Abschnitt mit relativ kurzen Segmenten 1c, 2c, die eine Höhe von drei Flachrohren aufweisen. Dies soll allgemein veranschaulichen, dass ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher vorteilhaft aus Standardsegmenten unterschiedlicher Höhe zusammengesetzt ist, wobei lange Segmente 1b, kurze Segmente 1c sowie für Anschlüsse 9 bestimmte Segmente 1a, 1d Verwendung finden und je nach konkreten Anforderungen zum Beispiel für eine Kleinserie von Wärmetauchern für ein Kraftfahrzeug zu einem an den Bauraum und die Anforderungen angepassten Wärmetauscher kombiniert werden.
Hierdurch ist insgesamt ein Baukastensystem zur Herstellung von individuell angepassten Wärmetauschern aus Standardkomponenten ausgebildet.
Es versteht sich, dass die einzelnen Merkmale der erwähnten Ausführungsbeispiele je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombinierbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0961095 B1 [0002]

Claims

Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung parallel zueinander gestapelten Flachrohren (3), und zumindest einen Sammler (1, 2) zur Verteilung eines Fluids auf die Flachrohre (3), wobei die Flachrohre (3) mit zumindest einem Ende in den Sammler (1, 2) münden, wobei der Sammler (1, 2) zumindest ein erstes Segment (1a–1d, 2a–2d) und ein in der Stapelrichtung daran angrenzendes zweites Segment (1a–1d, 2a–2d) umfasst, wobei die Segmente (1a–1d, 2a–2d) stoffschlüssig aneinander festgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (1a–2d) in einem Bodenbereich (5) jeweils mehrere Durchzüge (4) aufweisen, wobei die Flachrohre (3) in die Durchzüge (4) eingesteckt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Segmente (1a–2d) als Umformprofil ausgebildet ist, insbesondere mittels Strangpressen, oder als Gussteil.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Segmente (1a–2d) als Blechformteil ausgebildet ist, insbesondere als einteiliges oder mehrteiliges Blechformteil.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (1a–2d) als Kanäle aus Metall ausgebildet sind, die im Querschnitt bis auf die Durchzüge (4) umlaufend geschlossen sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den aneinander angrenzenden Segmenten (1a–2d) eine Lötscheibe (7) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem endseitigen Segment (1a, 1d, 2a, 2d) des Sammlers eine Abschlussplatte (8) stoffschlüssig angebunden ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Segmenten (1a–2d) eine Zwischenplatte stoffschlüssig angebunden ist, wobei durch die Zwischenplatte eine Querschnittsreduzierung oder eine Abtrennung zwischen den Segmenten ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem der Segmente (1d, 2a) ein insbesondere stoffschlüssig angebundener Fluidanschluss (9) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem weiteren der Segmente (1a–2d) kein Fluidanschluss vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwischen den Flachrohren (3) eines der Segmente (1a–2d), insbesondere zwischen sämtlichen Flachrohren (3) des Wärmetauschers, Rippen angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zumindest ein drittes Segment (1a–2d) mit Durchzügen für die Flachrohre umfasst.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Kühlmittelkühler, Ladeluftkühler, Heizkörper, Verdampfer eines Kältekreises oder Gaskühler/Kondensator eines Kältekreises ausgebildet ist.