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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen Verbrennungsmotor.
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Wärmeübertrager werden für verschiedene technische Anwendungen zum Kühlen oder zum Erwärmen eines Fluides eingesetzt. In Kraftfahrzeugen werden als Wärmeübertrager beispielsweise Kühlmittelkühler zur Kühlung des Verbrennungsmotors eingesetzt. Dazu wird Kühlmittel durch den Wärmeübertrager und zu dem Verbrennungsmotor geleitet, um die Abwärme des Verbrennungsmotors am Kühlmittelkühler an die Umgebungsluft des Kraftfahrzeuges abzugeben. Außerdem werden auch Ladeluftkühler eingesetzt. In Kraftfahrzeugklimaanlagen werden als Wärmeübertrager Kältemittelverdampfer und Kältemittelkondensatoren eingesetzt. Der Kältemittelverdampfer dient zur Kühlung der dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luft und der Kältemittelkondensator gibt die am Kältemittelverdampfer aufgenommene Wärme an die Umgebung des Kraftfahrzeuges ab.
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Wärmeübertrager weisen im Allgemeinen eine große Anzahl an Rohren, insbesondere Flachrohre, auf, die fluidleitend jeweils an den Enden mit einem Sammelrohr verbunden sind. Zwischen den Rohren sind dabei im Allgemeinen Wellrippen zur Vergrößerung der Oberfläche des Wärmeübertragers angeordnet. An seitlichen Enden des Wärmeübertragers sind Seitenteile angeordnet. Die Seitenteile weisen dabei eine im Wesentlichen zweidimensionale Ausdehnung mit einer streifenförmigen Geometrie auf. Seitenteile schließen somit die seitlichen Enden des Wärmeübertragers ab.
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Beim Durchleiten eines zu kühlenden Fluides durch den Wärmeübertrager wird innerhalb des Wärmeübertragers das Erwärmen des Wärmeübertragers oder das Abkühlen des Wärmeübertragers nicht gleichmäßig ausgeführt. Das Fluid, welches durch den Wärmeübertrager strömt, wird unmittelbar durch die Sammelrohre und die Rohre, insbesondere Flachrohre, geleitet. Damit ändert sich zuerst die Temperatur der Sammelrohre und der Rohre und die anderen Komponenten des Wärmeübertrages, z. B. die Wellrippen und insbesondere das Seitenteil, ändern die Temperatur später und normalerweise in einem geringeren Umfang. Der Wärmeübertrager wird im Allgemeinen aus Aluminium gefertigt, so dass es zu unterschiedlichen Längenausdehnungen der Komponenten des Wärmeübertrages wegen der unterschiedlichen Temperaturänderungen kommt. Dies führt an den Verbindungen zwischen den Komponenten des Wärmeübertragers zu starken mechanischen Belastungen, welche zu Schäden an dem Wärmeübertrager führen können.
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Zur Verringerung der unterschiedlichen Längenausdehnungen beim Erwärmen oder Abkühlen des Wärmeübertrages sind die Seitenteile lokal an einer oder mehreren Stellen mit Schlitzen oder Dehnsicken versehen. Die Schlitze oder Dehnsicken haben die Aufgabe einen Längenausgleich zwischen dem Seitenteil und den übrigen Komponenten des Wärmetauschers herbeizuführen. In nachteiliger Weise erfolgt jedoch der Längenausgleich innerhalb des Seitenteiles nur an den hierfür vorgesehenen Schlitzen oder Dehnsicken, so dass es außerhalb dieser Schlitze oder Dehnsicken in Teilabschnitten des Seitenteiles zu größeren mechanischen Belastungen, insbesondere Spannungsspitzen, zwischen dem Seitenteil und den übrigen Komponenten des Wärmetauschers, z. B. Wellrippen, kommen kann.
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Die
WO 2005/073661 A1 zeigt ein Seitenblech für einen Kühler, insbesondere Rohrkühler, wobei der Kühlkörper Rohre und sich zwischen den Rohren erstreckende Wärmetauscherflächen aufweist. Der Kühler ist von wenigstens einem seitlich am Kühler angeordneten Seitenblech bzw. Seitenteil oder von wenigstens einem Paar beiderseits des Kühlers angeordneten Seitenblechen abgeschlossen. Die Seitenbleche weisen dabei wenigstens einen Schwächungsbereich auf, indem das Material des Seitenbleches derart geschwächt ist, dass ein Wärmedehnungsausgleich entsprechend dem Kühlkörper ermöglich ist. In nachteiliger Weise erfolgt damit der Wärmedehnungsausgleich nur lokal an den Schwächungsbereichen des Seitenbleches. Damit können in nachteiliger Weise außerhalb der Schwächungsbereiche, die einen Großteil des Seitenbleches ausmachen, hohe Spannungen zwischen dem Seitenblech und dem übrigen Kühler auftreten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Wärmeübertrager und einen Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen, bei dem sich das Seitenteil im Wesentlichen gleichmäßig verformt, so dass zwischen dem Seitenteil und dem übrigen Teil des Wärmeübertragers keine Spannungsspitzen auftreten.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmeübertrager zum Durchleiten eines zu kühlenden oder zu erwärmendes Fluides, umfassend vorzugsweise wenigstens ein Sammelrohr, wenigstens ein Rohr, insbesondere Flachrohr, mit einer Rohrlängsachse, das vorzugsweise mit dem wenigstens einen Sammelrohr verbunden ist, wenigstens ein Seitenteil mit einer Seitenteillängsachse, das an einem seitlichen Ende des Wärmeübertragers angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Seitenteillängsachse des wenigstens eine Seitenteiles im Wesentlichen, z. B. mit einer Abweichung von weniger als 20°, 10°, 5° oder 2°, parallel zu der Rohrlängsachse des wenigstens einen Rohres ausgerichtet ist, wobei der Betrag einer Dehnung aufgrund einer in Richtung der Seitenteillängsachse wirkenden Normalkraft an dem wenigstens einen Seitenteil größer oder gleich ist als der Betrag einer Dehnung aufgrund einer in Richtung der Rohrlängsachse wirkenden Normalkraft an dem wenigstens einen Rohr, wobei beide Normalkräfte gleich groß sind und/oder das wenigstens eine Seitenteil wenigstens teilweise aus einer Gitter-, Netz-, Wellen- und/oder Wabenstruktur aufgebaut ist. Das wenigstens eine Seitenteil und das wenigstens eine Rohr sind dabei bei der Aufbringung der Normalkraft nicht verbunden bzw. zu dem Wärmeübertrager montiert.
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Insbesondere ist der Betrag der Dehnung des wenigstens einen Seitenteiles um das wenigstens 1,5-, 2-, 4-, 7-, 10-, 15-, 20-, 30-fache größer als die Dehnung des wenigstens einen Rohres. Das Seitenteil weist somit eine wesentlich größere Dehnung als das Rohr auf, so dass bei temperaturbedingten Längenänderungen des wenigsten einen Rohres sich das wenigstens eine Seitenteil aufgrund einer mechanischen Kraftaufbringung auf das wenigstens eine Seitenteil leicht verformt. Dehnt sich somit beispielsweise das wenigstens eine Rohr aufgrund einer Erwärmung aus und erwärmt sich in der Anfangsphase der Erwärmung des Wärmeübertragers das wenigstens eine Seitenteil nicht so stark, dehnt sich das wenigstens eine Seitenteil weniger stark aus als das wenigstens eine Rohr. Dadurch werden von dem wenigstens einen Rohr auf das wenigstens eine Seitenteil Normalkräfte als Zugkräfte auf das wenigstens eine Seitenteil aufgebracht, so dass sich auf diese Zugkräfte das wenigstens eine Seitenteil ausdehnt. Aufgrund der größeren Dehnung des wenigstens einen Seitenteiles wegen der konstruktiven Ausbildung des wenigstens einen Seitenteiles kommt es somit zu nur sehr geringen Kräften oder Spannungen zwischen dem wenigstens einen Seitenteil und dem wenigstens einen Rohr. Dabei können die Kräfte auch mittelbar, z. B. mittels Rippen, von dem wenigstens einen Rohr auf das wenigstens eine Seitenteil übertragen werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung bezieht die Dehnung des wenigstens einen Seitenteiles und die Dehnung des wenigstens einen Rohres sich im Wesentlichen auf die gleiche Länge, insbesondere Gesamtlänge, des wenigstens einen Seitenteiles und des wenigstens einen Rohres. Ein Bezug auf die Gesamtlänge ist möglich, falls das wenigstens eine Seitenteil und das wenigstens eine Rohr die gleiche Gesamtlänge aufweisen.
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In einer ergänzenden Ausführungsform weist das wenigstens eine Seitenteil in Richtung der Seitenteillängsachse zu wenigstens 10%, 30%, 50%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98% oder 100% die Gitter-, Netz- und/oder Wabenstruktur auf.
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Vorzugsweise ist bei einer in Richtung der Seitenteillängsachse wirkenden Normalkraft an dem wenigstens einen Seitenteil die Dehnung des wenigstens einen Seitenteiles in Seitenteillängsachse innerhalb des wenigstens einen Seitenteiles im Wesentlichen, beispielsweise mit einer Abweichung von weniger als 20%, 10%, 5%, 2% oder 1%, konstant. Die Dehnung oder die Längenänderungen innerhalb des wenigstens einen Seitenteiles ist somit im Wesentlichen konstant, d. h. die Dehnung oder Längenänderungen wird nicht lokal an speziellen Stellen, z. B. Schlitzen oder Dehnsicken ausgeführt, sondern die Dehnung des wenigstens einen Seitenteiles verteilt sich im Wesentlichen konstant auf die gesamte Ausdehnung des wenigstens einen Seitenteiles in Richtung einer Seitenteillängsachse.
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In einer Variante weist das wenigstens eine Seitenteil keinen lokalen Schlitz und/oder kein Dehnsicke auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das wenigstens Seitenteil in einem Querschnitt U-förmig oder L-förmig oder das wenigstens eine Seitenteil ist ein Flachprofil.
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Zweckmäßig betragen die Abweichungen der Dehnung an Teilabschnitten des wenigstens einen Seitenteiles in Richtung der Seitenteillängsachse weniger als 50%, 30%, 20%, 10%, 5% oder 2%.
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In einer weiteren Ausführungsform besteht das wenigstens eine Seitenteil und das wenigstens eine Rohr wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus dem gleichen Material.
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Insbesondere besteht das wenigstens eine Seitenteil wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Aluminium.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der Wärmeübertrager je zwischen zwei Rohren angeordnete Rippen, insbesondere Wellrippen, zur Vergrößerung der Oberfläche des Wärmeübertrages.
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In einer ergänzenden Variante ist das wenigstens eine Seitenteil an den Rippen befestigt.
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In einer weiteren Variante sind zwei Seitenteile an zwei gegenüberliegenden Enden des Wärmeübertragers angeordnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind Komponenten des Wärmeübertragers, insbesondere das wenigstens eine Rohr und/oder das wenigstens eine Sammelrohr und/oder das wenigstens eine Seitenteil und/oder die Rippen, mit Lot plattiert.
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Insbesondere sind die Komponenten des Wärmeübertragers mittels Löten in einem Lötofen miteinander verbunden, vorzugweise stoffschlüssig mittels des plattierten Lotes.
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Erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor, wobei der Verbrennungsmotor wenigstens einen in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Wärmeübertrager, z. B. Kältemittelverdampfer und/oder Kältemittelkondensator, umfasst.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Kraftfahrzeugklimaanlage eine Luftklappe und/oder ein Gebläse und/oder eine Heizvorrichtung zum Erwärmen der Luft und/oder einen Luftfilter und/oder einen Verdichter und/oder einen Kältemittelkondensator als Wärmeübertrager und/oder einen Kältemittelverdampfer als Kondensator.
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen Vorderansicht eines Wärmeübertragers,
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2 eine Draufsicht eines Teils eines Seitenteiles in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine Draufsicht des Teils des Seitenteiles in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 eine Draufsicht eines Teils eines Flachrohres unter einer Normalkraft als Druckkraft und
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5 eine Draufsicht des Teils eines Flachrohres unter einer Normalkraft als Zugkraft.
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In 1 ist eine Vorderansicht eines Wärmeübertragers 1 dargestellt. Der Wärmeübertrager 1 kann für unterschiedlichste technische Zwecke zum Kühlen oder zum Erwärmen von Fluiden eingesetzt werden. Beispielsweise dient der Wärmeübertrager 1 als Kühlmittelkühler zum Abführen von Abwärme eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug. Außerdem kann der Wärmeübertrager 1 auch als Kältemittelverdampfer oder als Kältemittelkondensator in einer nicht dargestellten Kraftfahrzeugklimaanlage eingesetzt werden.
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Der Wärmeübertrager 1 umfasst zwei vertikal ausgerichtete Sammelrohre 2. Zwischen den Sammelrohren 2 sind als Flachrohre 4 ausgebildete Rohre 3 angeordnet. Das Sammelrohr 2 weist hierzu nicht dargestellte Schlitze auf, in die die Flachrohre 4 eingeführt sind. Zwischen den Flachrohren 4 sind als Wellrippen 6 ausgebildete Rippen 5 vorhanden die zur Vergrößerung der Oberfläche des Wärmeübertragers 1 dienen. Das linke Sammelrohr 2 weist eine nicht dargestellte Einlassöffnung und das rechte Sammelrohr 2 weist eine nicht dargestellte Auslassöffnung auf. Durch die Einlassöffnung wird das zu erwärmende oder zu kühlende Fluid in das Sammelrohr 2 eingeleitet, anschließend strömt das Fluid von dem linken Sammelrohr 2 in horizontaler Richtung durch die Flachrohre 3 zu dem rechten Sammelrohr 2. Das aus den Flachrohren 4 ausströmende Fluid sammelt sich somit im rechten Sammelrohr 2 und wird aus der nicht dargestellten Auslassöffnung am rechten Sammelrohr 2 wieder aus dem Wärmeübertrager 1 ausgeleitet. Der Wärmeübertrager 1 weist ein oberes und unteres seitliches Ende 15 und ein linkes und rechtes seitliches Ende 15 auf. Am oberen und unteren Ende 15 des Wärmeübertragers 1 ist jeweils ein Seitenteil 7 angeordnet. Komponenten 12 des Wärmeübertragers 1, nämlich das Sammelrohr 2, das Flachrohr 4, die Wellrippen 5 und das Seitenteil 7, sind mittels Lot stoffschlüssig miteinander verbunden und bestehen außerhalb der plattierten Oberfläche mit Lot aus Aluminium. Die Komponenten 12 des Wärmeübertragers 1 werden mittels Löten in einem Lötofen miteinander verbunden.
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Die streifenförmigen Seitenteile 7 weisen im Wesentlichen eine zweidimensionale Geometrie auf. In 2 und 3 sind jeweils ein Teil der Seitenteile 7 in zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen abgebildet. Das in 2 dargestellte Seitenteil 7 weist eine Gitterstruktur 10 auf. Die Gitterstruktur 10 erstreckt sich dabei in Richtung einer Seitenteillängsachse 8 über die gesamte Länge des Seitenteiles 7. Das Seitenteil 7 im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist eine Wabenstruktur 11 auf. Die Waben 13 der Wabenstruktur 11 weisen am Ende einen Rand 14 auf. Dabei sind die Waben 13 der Wabenstruktur 11 lediglich im Bereich des Randes 14 aus einem Material, nämlich Aluminium, hergestellt. Innerhalb der Wabe 13 tritt dabei kein Material auf, so dass sich das Seitenteil 7 mit der Wabenstruktur 11 in Richtung der Seitenteillängsachse 8 leicht verformen kann, bei auftretenden Kräften in Richtung der Seitenteillängsachse 8. Dies gilt auch für die Gitterstruktur 10.
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In 4 und 5 ist eine Draufsicht auf das Flachrohr 4 abgebildet. Auf das Flachrohr in 4 wirkt eine Normalkraft FR als Druckkraft. Vor dem Aufbringen der Normalkraft FR weist das Flachrohr 4 eine Länge l auf. Nach dem Aufbringen der Normalkraft FR als Druckkraft kommt es zu einer Verringerung der Länge des Flachrohres 4, d. h. einer Stauchung, und diese Längenänderung wird mit Δl bezeichnet. Die geringere Längsausdehnung des Flachrohres 4 ist dabei in 4 strichliert dargestellt.
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Auf das in 5 dargestellte Flachrohr 4 wirkt eine Normalkraft FR als Zugkraft, so dass es zu einer Vergrößerung der Länge des Flachrohres 4 kommt, d. h. einer Dehnung. Die Dehnung ε ist dabei definiert als das Verhältnis zwischen der Längenänderung Δl zu der Länge l. Die Dehnung ε ist somit Δl:l. Die Normalkraft FR wirkt dabei in Richtung einer Rohrlängsachse 9 des Flachrohres 4.
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In analoger Weise zu dem Flachrohr 4 kann auch auf das Seitenteil 7 eine Normalkraft FS als Zugkraft oder als Druckkraft aufgebracht werden. Aus der aufgebrachten Zugkraft FS des Seitenteiles 7 und der damit verbundenen Längenänderung Δl sowie der Länge l kann auch für das Seitenteil 7 die Dehnung ε ermittelt werden. Eine negative Dehnung wird dabei als eine Stauchung oder Verkürzung der Länge des Seitenteiles 7 aufgefasst.
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Bringt man auf das Seitenteil 7 und das Flachrohr 4 als gesonderte Bauteile vor der Montage bzw. der Verbindung der Komponenten 12 des Wärmeübertragers 1 zu dem Wärmeübertrager eine Normkraft FS am Seitenteil 7 oder eine Normalkraft FR am Rohr 3 auf, sind die damit verbundenen Dehnungen ε am Seitenteil 7 wesentlich größer als beim Flachrohr 4. Dabei sind die aufgebrachten Normalkräfte FS bzw. FR gleich groß und die betrachtete Länge l, insbesondere eine Gesamtlänge l, des Flachrohres 4 und des Seitenteiles 7 sind dabei gleich groß.
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Darüber hinaus sind am Seitenteil 7 die Gittestruktur 10 oder die Wabenstruktur 11 im Wesentlichen über die gesamte Ausdehnung des Seitenteiles 7 in Richtung der Seitenteillängsachse 8 vorhanden, so dass die Dehnungen ε innerhalb des Seitenteiles 7 gleichmäßig verteilt sind. Bei einem Durchleiten eines zu kühlenden oder zu erwärmenden Fluides durch den Wärmeübertrager 1 erwärmt sich zunächst das Flachrohr 4 und anschließend aufgrund der Wärmeleitung von dem Flachrohr 4 zu der Wellrippe 6 die Wellrippe 6 und anschließend das Seitenteil 7. Somit kommt es aufgrund der unterschiedlichen Erwärmung des Wärmeübertragers 1 zu unterschiedlichen Längenausdehnungen der Komponenten 12 des Wärmeübertragers 1. Erwärmt sich der Wärmeübertrager 1 aufgrund eines Fluides, das eine höhere Temperatur aufweist als der Wärmeübertrager 1, dehnt sich das Flachrohr 4 anfangs stärker aus als das Seitenteil 7. Aufgrund dieser stärkeren Ausdehnung des Flachrohres 4 werden auf das Seitenteil 7 Kräfte FS als Normalkräfte in Richtung der Seitenteillängsachse 8 aufgebracht. Dies ist möglich, weil eine stoffschlüssige Verbindung mittelbar zwischen dem Flachrohr 4 und dem Seitenteil 7 mittels der Wellrippen 6 besteht. Bereits bei sehr geringen Kräften FS als Normalkräfte in Richtung der Seitenteillängsachse 8 kommt es zu großen Dehnungen ε an dem Seitenteil 7 aufgrund der Geometrie und der Struktur des Seitenteiles 7, so dass dadurch in vorteilhafter Weise zwischen dem Seitenteil 7 und dem Flachrohr 4 bzw. den Wellrippen 6 nur sehr geringe Kräfte oder Spannungen auftreten, aufgrund der unterschiedlichen temperaturbedingten Längenausdehnungen.
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Ferner ist die Dehnung ε des Seitenteiles 7 gleichmäßig über die gesamte Ausdehnung des Seitenteiles 7 in Richtung der Seitenteillängsachse 8 verteilt, so dass es auch innerhalb des Seitenteiles 7 bzw. zwischen dem Seitenteil 7 und dem Flachrohr 4 nicht zu lokalen Spannungs- und Kräftespitzen bezüglich der Seitenteillängsachse 8 bzw. der Rohrlängsachse 9 kommt.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 wesentliche Vorteile verbunden. Das Seitenteil 7 weist bei einer auf das Seitenteil 7 wirkenden Normalkraft FS relativ große Dehnungen ε auf und diese Dehnungen ε sind gleichmäßig in Richtung der Seitenteillängsachse 8 verteilt. Dadurch treten innerhalb des Wärmeübertragers 1 zwischen dem Seitenteil 7 und dem Flachrohr 4 nur sehr geringe Spannungen und Kräfte auf, so dass Beschädigungen an dem Wärmeübertrager 1 aufgrund von Spannungs- oder Kraftspitzen im Wesentlichen vermieden werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Sammelrohr
- 3
- Rohr
- 4
- Flachrohr
- 5
- Rippe
- 6
- Wellrippe
- 7
- Seitenteil
- 8
- Seitenteillängsachse
- 9
- Rohrlängsachse
- 10
- Gitterstruktur
- 11
- Wabenstruktur
- 12
- Komponenten des Wärmeübertragers
- 13
- Wabe
- 14
- Rand
- 15
- seitliches Ende des Wärmeübertragers
- l
- Länge
- Δl
- Längenänderung
- FS
- Normalkraft an Seitenteil
- FR
- Normalkraft an Rohr
- ε
- Dehnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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