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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf ein Herstellungsverfahren für Wärmeübertrager.
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Solche Wärmeübertrager sind beispielsweise aus der
DE 10 2006 061 440 A1 und aus der
DE 10 2007 031 824 A1 sowie aus dem
EP 1 923 654 B1 bekannt. In der EP-Schrift besitzt die Trennwand Vorsprünge, die in die Flachrohre eingreifen. Dabei sind die Wände der inneren Strömungskanäle hinderlich und müssen ausgeklinkt werden, was gegebenenfalls einen zusätzlichen Arbeitsgang erforderlich macht. Die Trennwände gestatten eine Strömungstrennung im Wärmeübertrager. Es kann z. B. ein Kühlmittelstrom höherer Temperatur und ein anderer Kühlmittelstrom niedrigerer Temperatur zur Verfügung gestellt werden. Gegebenenfalls können auch zwei unterschiedliche, voneinander getrennte Fluide durch den Wärmeübertrager strömen. In den erwähnten Referenzen werden sämtliche Bauteile oder Baugruppen des Wärmeübertragers, also einschließlich der Trennwände und der metallischen Sammelkästen, zusammengesetzt und im Anschluss daran in einer einzigen Lötoperation verbunden. Die damit hergestellten Wärmeübertrager sind noch zu schwer und zu teuer in der Herstellung.
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Weitere ähnliche Vorschläge sind der Anmelderin aus dem
EP 656 517 A1 und aus der
DE 19 819 247 A1 bekannt.
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Im Zuge der Herstellung von Wärmeübertragern werden oftmals zunächst Unterbaugruppen gebildet, die dann zu einer Baugruppe zusammengesetzt werden. Eine Unterbaugruppe kann das Kühlnetz sein, welches aus Flachrohren und Rippen besteht. Eine weitere Unterbaugruppe kann der Rohrboden sein, der mit seinen Öffnungen auf die Flachrohrenden geschoben wird. Die Baugruppe wird dann oftmals einem Lötprozess unterzogen, um die Einzelteile metallisch zu verbinden. Anschließend wird ein Sammelkasten aus Kunststoff am Rohrboden befestigt, um den Wärmetauscher zu komplettieren. Die erwähnten Trennwände sind meistens einstückig mit dem Sammelkasten ausgebildet. Dermaßen hergestellte Wärmeübertrager besitzen den Nachteil, dass durch Druckschwankungen im inneren Wärme tauschenden Medium verursachte minimale Dehnungen und Kontraktionen im Sammelkasten auftreten, die die oben erwähnte Strömungstrennung beeinträchtigen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren und einen Wärmeübertrager der oben beschriebenen Art weiter zu entwickeln, um einige der erwähnten Nachteile zu beseitigen.
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Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt mit einem Wärmeübertrager, der sämtliche Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist und mit einem Herstellungsverfahren, das sämtliche Merkmale der Patentansprüche 12 bzw. 13 besitzt.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Rohrboden und/oder an der Innenseite des Sammelkastens eine wenigstens zweischenklige Abstützung für die Trennwand angeordnet ist, die mit ihrem freien Rand spielfrei aber beweglich zwischen den beiden Schenkeln angeordnet ist. Auf das Vorsehen einer separaten Dichtung im Bereich des freien Randes kann verzichtet werden. Die Schenkelhöhe hat Einfluss auf die Qualität der Strömungstrennung.
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Es ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Trennwand in mit den Abständen der Flachrohre korrespondierenden Abständen Schlitze aufweist und dass im Bereich der wenigstens einen Trennwand die Breitwände der Flachrohre mit einer Sicke oder dergleichen ausgebildet sind, sodass sie etwa aneinander anliegen und in den Schlitzen sitzen. Diese bevorzugte Ausbildung ist dann vorgesehen, wenn die Trennwand mit dem Rohrboden eine Unterbaugruppe bildet, die später mit der Unterbaugruppe des Kühlnetzes zu einer Baugruppe vereinigt wird, die anschließend gelötet wird. Auf diese bevorzugte Ausbildung ist auch das Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 12 gerichtet.
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Bei einer nicht bevorzugten Alternative ist vorgesehen, dass die Trennwand, wie an sich bekannt, einteilig mit dem Sammelkasten ausgebildet ist. In diesem Fall wird die zweischenklige Abstützung auf dem Rohrboden befestigt und später mit gelötet. Der freie Rand der Trennwand wird zwischen die Schenkel gesteckt. Auf diese Ausbildung ist das Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 13 gerichtet.
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Die wesentlichste Kostenersparnis stellt sich gemäß der Erfindung dadurch ein, dass Sammelkästen aus Kunststoff zum Einsatz kommen können, die nach dem Löten der Baugruppe einschließlich der Trennwand an derselben abgestützt und am Rohrboden befestigt werden und dort auch abgedichtet sind, ohne die erwähnte separate Dichtung vorsehen zu müssen. Dadurch wird zusätzlich auch das Gewicht des Wärmeübertragers reduziert. Außerdem haben die Erfinder festgestellt, dass das Ausklinken der Wände der inneren Strömungskanäle wegen des Zusammendrückens der Breitwände der Flachrohre nicht notwendig ist, sodass ein Arbeitsgang eingespart werden kann. Das wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Schlitze in der Trennwand einen Abschnitt mit einer definierten konischen Gestaltung aufweisen, die geeignet ist, im Zuge des Zusammenbaus des Wärmeübertragers die Breitwände der Flachrohre, wie erwähnt, zusammenzudrücken. Um das zu erreichen ist vorgesehen, dass die minimale Schlitzbreite in einem anschließenden Abschnitt mit etwa parallelen Schlitzrändern wesentlich kleiner ist als der Abstand der gegenüberliegenden Breitwände der Flachrohre. Die maximale Schlitzbreite am Beginn des konischen Abschnitts der Schlitze ist etwas größer als der Abstand der zwei Breitwände der Flachrohre, um dieselben aufzunehmen und nach und nach – beim Einschieben der Flachrohre in die Schlitze – zusammenzudrücken.
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Bei dem Vorgang des Zusammenbaus werden auch die Wände der inneren Strömungskanäle zusammengedrückt. Auf diese Weise werden in den mit den inneren Strömungskanälen ausgestatteten Flachrohren wenigstens zwei voneinander getrennte Strömungszüge geschaffen bzw. bereitgestellt. Ein Strömungszug befindet sich auf der einen Seite der Trennwand und ein anderer Strömungszug ist auf deren anderer Seite angeordnet. Falls sich die Trennwand nur in einem der Sammelkästen befindet, kann auch eine an sich bekannte U-förmige Durchströmung des inneren Fluids des Wärmeübertragers bereitgestellt werden. Die Strömungsrichtungsumkehr findet in dem anderen Sammelkasten statt, in dem keine Trennwand vorhanden ist. Das äußere Fluid ist in der Regel Kühlluft, die durch die Rippen strömt.
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Eine bereits weitergebildete und zur bevorzugten Ausbildung alternative Lösung sieht vor, das Zusammendrücken der Breitwände zeitlich vor der Montage der Trennwand auszuführen. In diesem Fall müssen die Schlitze in der Trennwand keine so ausgeprägte konische Gestaltung aufweisen wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel. Jedenfalls kann die maximale Schlitzbreite am Beginn einer konischen Rohraufnahme der Schlitze kleiner sein als in der bevorzugten Ausführung.
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Weitere Merkmale befinden sich in den abhängigen Patentansprüchen, die als an dieser Stelle einzeln aufgeführt anzusehen sind.
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Darüber hinaus ergeben sich sämtliche Merkmale und deren Vorteile aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die anhand der beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird.
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Die 1 zeigt eine Explosionsdarstellung des Wärmeübertragers einer bevorzugten Ausführung.
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Die 2 zeigt einen Rohrboden und eine Trennwand.
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Die 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt.
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Die 4 zeigt eine am Rohrboden montierte Trennwand.
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Die 5–8 zeigen bauliche Fortschritte bei der Bildung einer Baugruppe des Wärmeübertragers.
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Die 9 und 10 zeigen ein Flachrohrende.
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Die 11 zeigt einen Querschnitt durch einen Sammelkasten.
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Die 12 zeigt eine Skizze zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels.
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Die 13–15 zeigen eine Alternative.
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Die 1 und 13 zeigen wichtige Einzelteile des Wärmeübertragers. Erkennbar ist die Unterbaugruppe 1, die oft auch als Kühlnetz oder als Wärmetauscherblock bezeichnet wird, die aus den Flachrohren 2 und aus Rippen 3 besteht, die in den Abständen zwischen den Flachrohren 2 angeordnet sind, wie es an sich bekannt ist. Die Unterbaugruppe 1 wird mittels zweier Seitenteile 12 komplettiert.
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Als weitere Unterbaugruppe 1 werden – gemäß einer bevorzugten Ausbildung – Rohrböden 4 mit einer montierten Trennwand 6 bereitgestellt. Es kann sich selbstverständlich auch um mehrere Trennwände 6 handeln. Die Trennwand 6 wird beispielsweise mit Hilfe von Zapfen 65 in zwischen einige der Öffnungen 40 im Rohrboden 4 angeordnete Löcher 41 gesteckt und dort durch Umformung der Zapfen 65 befestigt. (2–4) Im Anschluss daran wird aus den zwei Unterbaugruppen 1 eine Baugruppe geschaffen, indem die Enden der Flachrohre 2 der Unterbaugruppe 1 in die Öffnungen 40 des Rohrbodens 4 gesteckt werden. Die Trennwand 6 ist in besonders herauszustellender Weise mit Schlitzen 60 versehen, die in Abständen in der Trennwand 6 angeordnet sind. Diese Abstände entsprechen den Abständen der Flachrohre 2 bzw. auch den Abständen der Öffnungen 40 im Rohrboden 4. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel, zu sehen in den 2 und 3, handelt es sich um Schlitze 60, die einen konischen Abschnitt 61 und einen anschließenden Abschnitt 62 mit etwa parallelen Schlitzrändern 63 aufweisen. Dadurch wurde die Trennwand 6 neben ihrer funktionellen Eigenschaft, die in der Trennung von strömenden Fluiden besteht, mit einer Werkzeugfunktion ausgestattet, die während des Zusammenbaus der Unterbaugruppen 1 des Wärmeübertragers zum Tragen kommt. Eine in diese Richtung gehende Weiterbildung besitzt keilförmig flach geprägte Schlitzränder 63, um die Werkzeugfunktion zu verbessern. Mit solchen flachen Schlitzrändern 63 wird das im Zuge der Bildung der Baugruppe erfolgende Zusammendrücken der Breitwände 2a bzw. die Bildung der Sicke 23 in den Breitwänden 2a erleichtert, weil die erforderliche Kraft dafür reduziert werden kann. Darüber hinaus führen die recht scharfkantigen und härteren Schlitzränder 63 dazu, dass Längentoleranzen der Flachrohre 2 kompensiert werden können, da sich solche Schlitzränder 63 in die Breitwände 2a eingraben können. Die 5–8 zeigen die angesprochene Bildung der Baugruppe. In der 5 befinden sich die Flachrohrenden noch nicht in den Öffnungen 40 des Rohrbodens 4. Die 6–8 zeigen dann das Einschieben der Flachrohrenden bis in die Endposition, die in 8 gezeigt ist. Wie aus den Abbildungen auch erkannt werden kann, findet im Zuge der Bildung der Baugruppe eine Bewegung in Richtung der Flachrohre 2 statt. Die Endposition gemäß 8 kann somit gleichzeitig als diejenige Baugruppe verstanden werden, die zum Löten vorbereitet und anschließend gelötet wird, wobei nur eine Seite der Baugruppe dargestellt ist. Die andere Seite kann identisch ausgebildet sein. Die Flachrohrenden werden also so weit in die Öffnungen 40 geschoben, bis sie etwa am Ende der Schlitze 60 anliegen, wodurch in den Schlitzen 60 bzw. mit Hilfe der Schlitze 60 die Ausbildung der Sicken 23 vorgenommen wird. Im Idealfall sind beide Breitwände 2a mit der Sicke 23 ausgebildet. An und für sich reicht eine Sicke 23 in einer der Breitwände 2a, jedoch sollten die Breitwände 2a im Bereich der Sicke 23 wenigstens etwa aneinander anliegen, damit die gewünschte Erzeugung der zwei Strömungszüge 10, 11 in den Flachrohren 2 erreicht wird. Im Übrigen wird unter dem hier und in den Patentansprüchen verwendeten Begriff „Sicke” jede punktuelle Umformung der Breitwände 2a verstanden, die den beschriebenen Zweck erfüllen kann. Um die Strömungszüge 10, 11 erzeugen und getrennt halten bzw. führen zu können, besitzen die Flachrohre innere Strömungskanäle 20. (siehe unten)
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Die wie beschrieben bereitgestellte Baugruppe (8) wird dann in an sich bekannter Weise zum Löten vorbereitet, beispielsweise in einen CAB-Lötofen gebracht und auch in an sich bekannter Weise gelötet. In diesem Lötprozess werden sowohl die Flachrohre 2 in sich gelötet, die Unterbaugruppe 1 – also die Flachrohre 2 und die Rippen 3 – werden verlötet und auch die Flachrohrenden in den Öffnungen 40 der Rohrböden 4. Außerdem wird die Trennwand 6 am Rohrboden 4 angelötet und es werden auch Lötverbindungen im Bereich der Schlitze 60 in der Trennwand 6 mit den in ihnen aufgenommenen Breitwänden 2a der Flachrohrenden 2 hergestellt. Alle Bauteile dieses Ausführungsbeispiels sind aus zweckmäßig mit Lot beschichteten Blechen aus Aluminium hergestellt worden.
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Im Anschluss daran wird die gelötete Baugruppe zum Wärmeübertrager komplettiert. Dazu werden Sammelkästen 5 aus Kunststoff an die Rohrböden 4 gesetzt. Die Sammelkästen 5 besitzen an ihrer Innenseite angeordnete zweischenklige Abstützungen 50, vorzugsweise in Form von zwei parallel laufenden Führungswänden 50 (11), geeignet dazu, den freien Rand 64 der Trennwand 6 aufzunehmen und die Trennwand 6 abzustützen. Also wird, mit anderen Worten, im Zuge des Ansetzens der Sammelkästen 5 an die Rohrböden 4 der freie Rand 64 der Trennwand 6 zwischen die Führungswände 50 geschoben, der dann etwa an der Innenseite des Sammelkastens 5 anliegt. Die Führungswände 50 erstrecken sich entlang dem gesamten Sammelkasten 5, da sie den gesamten freien Rand 64 der Trennwand 6 aufnehmen sollen. Im Rand der Rohrböden 4 befindet sich nach an sich bekannter Art eine Dichtung 45 und in an sich bekannter Weise wird dann der Rand der Sammelkästen 5 mit dem Rand der Rohrböden 4 mechanisch fest und dicht verbunden. (1 und 11) Da der Rand der Trennwand 6 relativ eng (aber trotzdem beweglich) zwischen den Führungswänden 50 positioniert ist, besteht dort ein relativ hoher strömungstechnischer Widerstand, der eine ausreichende Trennung zwischen den Fluiden auf beiden Seiten der Trennwand 6 erzeugt. Die Schenkelhöhe h und die Einsetztiefe des freien Randes haben Einfluss auf die Qualität der Stromtrennung. Gleichzeitig werden so genannte Pumpbewegungen des Sammelkastens 5 gestattet, ohne die Trennwirkung wesentlich zu beeinträchtigen. Vorzugsweise handelt es sich auf beiden Seiten der Trennwand um gleiche Fluide, sodass ein geringfügiger Übertritt der Fluide von einer Seite auf die andere Seite die Funktion des Wärmeübertragers nicht spürbar beeinträchtigt. Es kann sich bei den Fluiden beispielsweise um eine Kühlflüssigkeit handeln, die in verschiedenen Kreisläufen strömt, wobei die Kühlflüssigkeit auf der einen Seite eine andere Temperatur aufweist als diejenige auf der anderen Seite.
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Die Erfinder haben im Laufe ihrer Untersuchungen festgestellt, dass das vorschlagsgemäße Design, bezüglich der notwendigen Abdichtung bzw. der Trennung der zwei Strömungszüge 10, 11 voneinander, wesentlich günstiger ist, als ein bekanntes Design, bei dem die Trennwand 6 einstückig mit dem Sammelkasten 5 aus Kunststoff ausgebildet ist. Bei solchen bekannten Lösungen entsteht ein erhebliches Problem dadurch, dass die Abdichtung zwischen der Trennwand 6 und dem Rohrboden 4 – selbst dann, wenn sich dazwischen eine Dichtung befindet – so schwierig ist, dass keine ausreichende Trennung der Fluide gewährleistet werden kann. Die Dichtung büßt nach einiger Zeit ihre Elastizität ein. Der Sammelkasten 5 führt während des Betriebs des Wärmeübertragers die durch Druck- und Temperaturschwankungen bewirkten, oben erwähnten Pumpbewegungen aus, denen mit der Erfindung entsprochen werden kann, die jedoch bei Lösungen aus dem Stand der Technik, die besagte Trennwirkung der Trennwand immer mehr verschlechtern.
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Die inneren Strömungskanäle 20 in den Flachrohren 2 werden bevorzugt mittels eines gewellten Inneneinsatzes 21 in den Flachrohren 2 zur Verfügung gestellt. (9, 10) Zumindest in denjenigen inneren Strömungskanälen 20, die im Bereich der Trennwand 6 liegen, handelt es sich um diskrete Strömungskanäle 20, die einen Fluidaustausch zwischen benachbarten Strömungskanälen 20 verhindern und damit die Ausbildung der mindestens zwei Strömungszüge 10, 11 mit bewirken. In den übrigen Bereichen der Flachrohre 2, also außerhalb des Bereiches der Trennwand 6, jedoch innerhalb der in den Flachrohren 2 ausgebildeten mindestens zwei Strömungszüge 10 bzw. 11, können zur Verbesserung des Wärmeaustausches durchaus Turbulatoren und auch Löcher oder dergleichen in den Wellenflanken 22 des Inneneinsatzes 21 vorhanden sein, die dann auch den Fluidaustausch zwischen diesen benachbarten Strömungskanälen 20 gestatten, was in den Zeichnungen jedoch nicht dargestellt wurde. Die Wand 2a, 2b der Flachrohre 2 wird aus zwei Blechstreifen hergestellt. Ein dritter Blechstreifen bildet den Inneneinsatz 21. Obwohl die Blechstreifen extrem dünn sind, werden verstärkte Schmalwände 2b bereitgestellt, weil die Ränder der zwei die Wand bildenden Blechstreifen im Bereich der Schmalwände 2b überlappend angeordnet sind. Die Dicke des Inneneinsatzes 21 ist noch kleiner als die Dicke der Wand. Insgesamt leisten solche Flachrohre 2 einen Beitrag bei der Bereitstellung leichter Wärmeübertrager. Der Einsatz anderer aus Blechstreifen gefertigter Flachrohre mit inneren Strömungskanälen und auch der Einsatz von extrudierten Mehrkammerrohren bleiben allerdings mögliche Alternativen.
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Wie aus den Abbildungen (z. B. 11) entnommen werden kann, besitzen die Sammelkästen 5 separate Ein- und Auslässe 51, 52 für die Fluide, die durch die beiden Strömungszüge 10, 11 gehen und die nicht dargestellte Kreisläufe durchströmen. Die Fluide werden im Wärmeübertrager mittels Kühlluft (1) gekühlt. Dabei wird auf das Fluid, das durch den in Richtung der ankommenden Kühlluft vorne liegenden Strömungszug 10 läuft eine größere Kühlwirkung ausgeübt werden als auf das andere Fluid in dem hinteren Strömungszug 11, weil sich die den Wärmeübertrager bzw. dessen Rippen 3 durchströmende Kühlluft nach und nach erwärmen wird.
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Es besteht die alternative Möglichkeit, die Sicken
23 im Bereich der Flachrohrenden bereits während der Herstellung der Flachrohre
2 von endlosen Blechbändern auf einer Walzenstraße, wie sie zum Beispiel in der
DE 10 2006 033 568 B4 gezeigt und beschrieben wird, auszubilden. Dazu kann die Walzenstraße zusätzlich mit einem Rollenpaar
70 ausgerüstet sein (
12). Das Rollenpaar
70 besitzt Stempel
71, die der Ausbildung der Sicken
23 dienen und die exakt an denjenigen Positionen des endlosen Flachrohres
2 ausgebildet werden, an denen im Anschluss daran das Abtrennen einzelner Flachrohre
2 vorgenommen wird. Für diese alternative Ausführung können die Schlitze
60 in der Trennwand
6 eine etwas andere Ausgestaltung aufweisen, denn deren Werkzeugfunktion wird hier zumindest nicht in dem Umfang benötigt wie im zuerst beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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In den 13 bis 15 wird eine andere Alternative gezeigt, bei der die Trennwand 6 einstückig mit dem Sammelkasten 5 aus Kunststoff ausgebildet ist, was an und für sich bekannt ist. Die Abstützung 50 ist bei dieser Alternative als u-Profil ausgebildet und auf dem Rohrboden 4 befestigt worden. Im Unterschied zur bevorzugten Ausbildung liegen die Flachrohrenden etwa auf dem Niveau des Rohrbodens 4, sodass dort eine etwa ebene Fläche vorhanden ist, auf der die Abstützung 50 befestigt wird. Die Abstützung 50 besitzt Vorsprünge 55, die in Löcher 41 des Rohrbodens 4 gesteckt werden, um sie zunächst provisorisch zu befestigen. Die Abstützung 50 am Rohrboden 4 wird im Zuge des Lötprozesses der gesamten Baugruppe angelötet. (Lötnaht 56) Der freie Rand der Trennwand 6 sitzt auch hier eng zwischen den Schenkeln der Abstützung 50, so dass eine Bewegung zulässig ist, ohne dass dadurch die Trennfunktion wesentlich beeinträchtigt wird. Sowohl in der bevorzugten Ausführung als auch in dieser Alternative sind keine weiteren Dichtungen am freien Rand der Trennwand 6 erforderlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006061440 A1 [0002]
- DE 102007031824 A1 [0002]
- EP 1923654 B1 [0002]
- EP 656517 A1 [0003]
- DE 19819247 A1 [0003]
- DE 102006033568 B4 [0031]
