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Die Erfindung betrifft einen Sammelkasten für einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Aufgabe eines Wärmeübertragers ist der Wärmeaustausch zwischen zwei Medien. Das zu erwärmende bzw. abzukühlende Medium kann einen flüssigen oder gasförmigen Aggregatszustand haben bzw. während dem Durchströmen des Wärmeübertrages eine Aggregatszustandsänderung erfahren. Ein Wärmeübertrager besteht zumeist aus einer Rohr/Wellrippen-Matrix sowie Sammelkästen, welche die Rohre aufnehmen. Für die Rohr/Wellrippen-Matrix kann ein extrudiertes oder geschweißtes oder gefaltetes Rund- bzw. Flachrohr eingesetzt werden. Die Sammelkästen werden häufig aus zwei Einzelteilen (Halbschalen oder Kastenteile) gebildet und haben Stutzen für die Aufnahme der Anschlussrohre. Die untere Halbschale hat Durchzüge, welche die durchströmten Rohre aufnehmen.
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Bei sortenreinen Wärmeübertragern werden die Halbschalen bei der Montage ineinandergesteckt und mechanisch gegen Verrutschen durch Umlegen von Laschen, eine Vercrimpung oder über eine die beiden Halbschalen umgreifende Hülse fixiert. Im Lötprozess werden die beiden Halbschalen sowie der Anschlussstutzen miteinander verlötet. Die untere Halbschale verlötet zusätzlich mit den eingesteckten Rohren.
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Als nachteilig hat sich jedoch erweisen, dass bei den ineinandergesteckten Halbschalen nach der Montage keine visuelle Kontrolle bzgl. einer korrekten Einstecktiefe gewährleistet werden kann. Es kann daher nicht ausgeschlossen werden, dass die obere Halbschale nicht ausreichend tief in der unteren Halbschale steckt. Die Ermittlung und Überprüfung des Rohrüberstandes in den Sammelkästen wird zudem durch eine Versickung in der unteren Halbschale erschwert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sammlerkonzept für einen einfach oder mehrfach durchströmten Wärmeübertrager vorzuschlagen, bei dem durch Verwendung von Gleichteilen eine vereinfachte Montage, Herstellung und eine daraus resultierende Reduzierung der Investkosten erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sammelkasten mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Sammelkasten aus zwei in ihrer Grundform insoweit gleichen halbschalenförmigen Kastenteilen zusammengesetzt ist, dass sie mit den gleichen Fertigungsmitteln herstellbar sind. Neben einer deutlichen Reduzierung der Werkzeugkosten, besteht durch die Halbschalengeometrie bzw. der identischen Grundform der beiden Kastenteile die Möglichkeit einer visuellen Kontrollmöglichkeit nach der Montage der beiden Kastenteile. Die Trennebene des Sammelkastens liegt bevorzugt mittig zur Gesamtsammlerhöhe. Bevorzugt werden die Kastenteile im Tiefziehverfahren hergestellt. Tiefziehen bedeutet nach DIN 8584 das Zugdruckumformen eines Blechzuschnitts (Folie, Platte, Tafel oder Platine) in einen einseitig offenen Hohlkörper oder eines vorgezogenen Hohlkörpers in einen solchen mit geringerem Querschnitt ohne gewollte Veränderung der Blechdicke. Die Kastenteilbreite kann im Werkzeug mittels entsprechender Einsätze variiert werden.
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Beispielsweise liegt die Breite der Kastenteile zwischen 100 mm und 1200 mm, bevorzugt zwischen 120 mm bis 1000 mm. Die Sammlerhöhe liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 6 mm und 200 mm, bevorzugt zwischen 8 mm und 50 mm. Im Bereich der Anschlussstation kann der Sammelkasten eine Höhe von 8 mm bis 150 mm, bevorzugt 10 mm bis 100 mm aufweisen. Die Gesamttiefe des Sammelkastens liegt beispielsweise zwischen 12 mm und 110 mm, bevorzugt zwischen 16 mm und 70 mm. Das Sammlerkonzept kann für Rohrtiefen von 5 mm bis 100 mm geeignet sein. Bevorzugt werden Rohre zwischen 7 mm und 70 mm. Die Wandstärke der Kastenteile kann in einem Bereich von 0,4 mm bis 5 mm, bevorzugt 0,6 mm bis 2,0 mm liegen. Der für die Verlötung der beiden Kastenteile relevante Lötflächenbereich ist zwischen 0,2 mm und 15 mm, bevorzugt zwischen 0,3 mm bis 10 mm, breit.
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Beispielsweise kann der Anschluss in Form eines gesonderten, insbesondere rotationssymmetrischen, auf eine an das Kastenteil angeformten und aufgetulpten Anschlussstutzens ausgebildet sein. Die Auftulpung am Stutzenende bewirkt, dass bei der Montage der Anschlussstutzen nach Einlegen in ein Kastenteil gegen Verrutschen gesichert ist.
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Beispielsweise kann die Fixierung des Anschlussstutzens mittels angeformter, im Sinne der Fixierung ein- bzw. um den positionierten Anschlussstutzen legbarer Laschen erfolgen. Der Sammelkasten mit seinen Kastenteilen und seinem Anschlussstutzen kann somit vormontiert werden, wodurch sich der Herstellungsprozess des gesamten Wärmeübertragers vereinfacht.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass ein Anschluss in Form eines mit dem jeweiligen halbschalenförmigen Kastenteil integrierten, sich beim Zusammenbau zu einem Stutzen ergänzenden halbschalenförmigen Stutzenteil vorgesehen sein kann. Bei dieser Ausführungsform würde im Tiefziehverfahren somit nicht nur das Kastenteil sondern gleichzeitig auch das Stutzenteil gefertigt, woraus sich ein nochmals vereinfachter Herstellungsprozess ergibt. Auf einen separaten Anschlussstutzen könnte somit verzichtet werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass von den gegenseitigen Auflagerändern der Kastenteile abstehende angeformte derartige Zinken vorgesehen sein können, dass durch deren gegenseitige Verklemmung beim Zusammenfügen der Kastenteile zu einem Sammelkasten eine gegenseitige Vorausrichtung und/oder Vorfixierung gewährleistet ist. Beispielsweise sind an jedem Kastenteil mehrere Blöcke bzw. Bereiche mit Zinken vorgesehen, durch deren Anzahl die notwendige Aufpresskraft bei der Montage der Kastenteile beeinflusst bzw. bestimmt werden kann. Es können, bezogen auf die Längsrichtung des Kastenteils, lange und kurze Zinken vorgesehen sein. Längere Zinken haben den Vorteil, dass diese die Torsionssteifigkeit der Kastenteile im unverbauten Zustand erhöhen können. Die Zinken der einzelnen Kastenteile können gegeneinander versetzt angeordnet sein, um eine Anlage der beiden Kastenteile gegeneinander zu gewährleisten. Im Sinne der Erfindung weist der Sammelkasten somit zwei in ihrer Grundform gleiche halbschalenförmige Kastenteile auf, wobei die Zinken versetzt zueinander angeordnet sein können. Mit anderen Worten bilden die an den Kastenteilen angeordneten Zinken erfindungsgemäß keinen Bestandteil der Grundform.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass im Sinne einer Fixierung mittels Pressverformung im Bereich der Anlageränder entsprechende Halbschalenteile vorgesehen sind, die zumindest bereichsweise gegeneinander zur Anlage kommen können. Beispielsweise können die Halbschalenteile als Laschen oder Überstände ausgebildet sein, die sich zumindest bereichsweise oder umlaufend im Bereich der Anlageränder erstrecken. Die Halbschalenteile können eine zusätzliche Verlötfläche ausbilden und/oder nach Erreichen einer endgültigen Montageposition gegeneinander verpresst werden. Beispielsweise können die Halbschalenteile oder Laschen mittels eines Crimpvorgangs miteinander verbunden werden. Mit Crimpen ist ein Fügeverfahren gemeint, bei dem zwei Komponenten durch plastische Verformung miteinander verbunden werden. Es handelt sich im Wesentlichen um eine spezielle Form des Bördelns.
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Ferner können Laschen oder dergleichen vorgesehen sein, die nach Erreichen einer Montageposition (gegeneinander) umgebogen werden und somit die Kastenteile unter Ausbildung einer Klemmverbindung fixieren.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass eine insbesondere als Verlötfläche ausgebildete, mit umlaufendem ebenen 90°-Umschlag an jedem der beim Zusammenbau zur gegenseitigen Anlage kommenden Anlageränder, vorgesehen sein kann, wobei der Anlagebereich einen Lötflächenbereich definiert. Die Kastenteile können so ausgebildet sein, dass sich an jedem Kastenteil ein gut kalibrierbarer und bevorzugt ebener Lötflächenbereich ausbildet, der sich beim Schließen der Kastenteile gegeneinander bündig anlegt und verpresst, wobei die Lötflächenbereiche sowohl beim Tiefziehen (Herstellen) der Kastenteile wie auch bei der Montage der Kastenteile nicht verbogen werden, woraus sich ein definierter mittig verlaufender Lötspalt ergibt. Eine zusätzliche Erhöhung der Bauteilfestigkeit des Sammelkastens kann durch das Einbringen von Verstärkungssicken an den jeweiligen Kastenteilen erreicht werden. Beispielsweise kann zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit vorgesehen sein, das Grundmaterial zur Herstellung der Kastenteile mit einer Lotplattierung zu versehen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Zinken im Sinne einer konstanten Überdeckung senkrecht verlaufende Flanken oder im Sinne eines selbsthemmenden Kraftanstiegs schräg verlaufende Flanken aufweisen können. Bei letztgenannter Ausführungsform greifen die einzelnen Zinken zumindest bereichsweise ineinander, verklemmen gegeneinander und zentrieren bei der Montage die beiden Kastenteile zueinander.
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Die Zinkenbreite kann in einem Bereich zwischen 2 mm und 90 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 60 mm liegen. Die Zinkenhöhe kann zwischen 1 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 5 mm betragen. Das Längenverhältnis von einem Zinkenblock zu einem Bereich ohne Zinken kann beispielsweise in einem Bereich von 0,2:1 bis 5:1 liegen.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Wärmeübertragungsblock, der u. a. Tauscherrohre aufweist, die von einem Medium durchströmt werden, wobei zumindest ein Sammelkasten der vorhergehend beschriebenen Art stoffschlüssig mit den Tauscherrohren verbunden ist.
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Beispielsweise kann der Wärmeübertrager einen vorzugsweise längsgerichteten Sammelkasten mit stirnseitig angeordnetem ersten und zweiten Anschluss aufweisen.
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Beispielsweise können jeweils zwischen einem oberen Sammelkasten und einem unteren Sammelkasten angeordnete und in diese mündende Tauscherrohre vorgesehen sein, wobei ein erster Anschluss in einer Stirnseite des einen, insbesondere des unteren Sammelkastens, und ein zweiter Anschluss in einer Stirnseite des anderen, insbesondere des oberen Sammelkastens, angeordnet sein sowie ein direktes Durchströmen hindernde Sperren in den Sammelkästen vorgesehen sein können, die das Kühlmittel in die Tauscherrohre in wechselnder Strömungsrichtung umlenken. Beispielsweise können die Sperren in der Art von Trennwänden, welche beispielsweise nach dem Fertigungsprozess des entsprechenden Kastenteils mit diesem verbunden werden, hergestellt sein. Die Trennwände orientieren sich in ihrer geometrischen Ausgestaltung im Wesentlichen am Querschnitt des Sammelkastens. Beispielsweise ist in jedem Sammelkasten eine Sperre angeordnet, wodurch sich eine einfach auszubildende zweifache Umlenkung des geführten Fluids ergibt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
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1 die schematische Einzeldarstellung eines erfindungsgemäßen Sammelkastens in Explosionsdarstellung;
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2 der Sammelkasten gem. 1 in montiertem Zustand in Seitenansicht;
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3 die vergrößerte Querschnittsdarstellung des Sammelkastens gem. Schnitt A-A;
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4 vergrößerte Teillängsschnittansicht durch den Sammelkasten gem. der Schnittlinie B-B;
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5 in vergrößerter Frontansicht der Anschlussstutzen des Sammelkastens;
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6 den Anschlussstutzen in Schnittdarstellung gem. Schnittlinie C-C;
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7 erste Ausführungsform einer möglichen Zinkenanordnung;
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8 zweite Ausführungsform einer möglichen Zinkenanordnung;
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9 erste Ausführungsform einer Crimpverbindung;
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10 zweite Ausführungsform einer Crimpverbindung;
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11 dritte Ausführungsform einer Crimpverbindung;
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12 Wärmetauscher mit zwei Sammelkästen und dazwischen angeordneten Tauscherrohren.
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13a und 13b eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sammelkastens.
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14 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sammelkastens.
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1 zeigt einen Sammelkasten 1 in Explosionsdarstellung. Der Sammelkasten 1 besteht aus zwei im Wesentlichen symmetrischen Kastenteilen 2, 3 gleicher Grundform und aus einem zwischen den Kastenteilen 2, 3 zur Anlage kommenden Anschlussstutzen 4. Die oberen und unteren Kastenteile 2, 3 werden mit dem gleichen Werkzeug gefertigt. Die Kastenteilbreite B lässt sich im Werkzeug über Einsätze variieren. Einzige Unterscheidung der beiden Kastenteile 2, 3 ist die KS(Konstruktions-System)-Stanzung 5 für die Aufnahme der Rohre im unteren Kastenteil 3. Im Werkzeug lässt sich die KS-Stanzung über einen Einschub zu- bzw. abschalten. Zur Reduzierung des Bauraumbedarfs weisen die Kastenteile 2, 3 eine sehr flache Bauweise auf. Die Trennebene M des Sammelkastens 1 liegt mittig zur Gesamtsammlerhöhe.
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Der Anschlussstutzen 4 wird über entsprechende Formgebungen 6, 6' zwischen den Kastenteilen 2, 3 aufgenommen. Über umlaufende Zinken Z erfolgt die Fixierung der Kastenteile 2, 3 zueinander. Die Zinken Z verpressen sich bei der Montage der Kastenteile 2, 3. Im Bereich des Anschlussstutzens 4 sind zur Fixierung des Anschlussstutzens 4 zwei Laschen 7, 8 vorgesehen, welche bei Erreichen einer Montageendposition umgebogen bzw. verformt werden können. Ein die Kastenteile 2, 3 umlaufender ebener 90°-Umschlag bildet die Verlötflächen 9, 9' (oder Befestigungsbereich) der beiden Kastenteile 2, 3. Die Verlötflächen 9, 9' werden bei der Herstellung der Kastenteile 2, 3 geformt. Die maßhaltigen Verlötflächen 9, 9' sind gut als Referenzebene bei der Montage des Wärmeübertragers sowie zur Überprüfung des Rohrüberstandes und einer korrekten Kastenteilmontage geeignet und generieren einen gleichmäßigen Lötspalt.
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2 zeigt den Sammelkasten 1 in zusammengesetztem montierten Zustand. Durch die Zinken Z an den Kastenteilen 2, 3 und dem Anschlussstutzen 4 erfolgt bei der Montage eine weitestgehende Selbstzentrierung der Kastenteile 2, 3. Nach Fixierung der beiden Kastenteile 2, 3 zueinander ist visuell erkennbar (beispielsweise über Betrachten der Trennlinie M), ob die Kastenteile 2, 3 richtig miteinander verbunden sind.
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Durch die Zinkengeometrie und deren letztendliche Anzahl lässt sich der Kraftanstieg und -bedarf bei der Montage der Kastenteile 2, 3 beeinflussen. Der Sammelkasten 1, d. h. die oberen und unteren Kastenteile 2, 3 sowie der Anschlussstutzen 4 können somit mit geringem Aufwand vormontiert werden.
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3 zeigt im Schnitt A-A den vergrößerten Querschnitt des Sammelkastens 1. Das obere Kastenteil 2 und das untere Kastenteil 3 weisen je eine gegenseitig zur Anlage kommende Verlötfläche 9, 9' (Befestigungsbereich) auf. Im Bereich der Verlötflächen 9, 9' bzw. von diesen abgehend sind die Zinken Z zur Ausrichtung bzw. Fixierung der beiden Kastenteile 2, 3 zueinander vorgesehen.
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4 zeigt eine vergrößerte Teillängsschnittansicht durch den Sammelkasten gem. Schnittlinie B-B. Verstärkungssicken V, V' sind in den Kastenteilen 2, 3 im Maß der Querteilung QT eingebracht. Am unteren Kastenteil 3 werden im Bereich der Verstärkungssicken V' die Durchzüge D für die Tauscherrohre eingebracht. Die Querteilung QT liegt in einem Bereich zwischen 4 mm und 25 mm, bevorzugt zwischen 4,5 mm und 15 mm. Die Rohrbreite RB beträgt zwischen 1,0 mm und 15 mm, bevorzugt zwischen 1,2 mm und 10 mm.
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5 zeigt in vergrößerter Frontansicht den Anschlussstutzen 4 des Sammelkastens 1. Durch Umbiegen bzw. Umlegen der Laschen 7 und 8 kann der Anschlussstutzen 4 innerhalb der Kastenteile 2, 3 vorfixiert werden. Wie in 6 dargestellt bewirkt die Aufstulpung 10 am Anschlussstutzen 4, dass der Anschlussstutzen 4 nach Einlegen in die Kastenteile 2, 3 gegen Verrutschen gesichert ist. Die Kastenteile 2, 3 weisen entsprechende formkomplementär zur Aufstulpung 10 ausgebildete Formgebungen 6, 6' auf, die einerseits ein Herausrutschen des Anschlussstutzens 4 aus dem Kastenteilverbund verhindern und zum anderen eine Vorfixierung des Anschlussstutzens innerhalb des Kastenteilverbundes ermöglichen.
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7 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Zinkenanordnung an einem Sammelkasten. Die Zinken Z zeigen eine konstante Überdeckung über die gesamte Zinkenhöhe ZH. Alternativ können die Zinkenflanken ZF schräg ausgeführt sein (8). Letztere Ausführung bewirkt bei der Montage einen konstanten Kraftanstieg über die Zinkenhöhe ZH.
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Die 9 bis 11 zeigen mögliche Ausführungsformen einer Crimpverbindung im Sinne einer Fixierung mittels Pressverformung. Die Kastenteile würden hierbei über die Halbschalenteile (hier abgewinkelte Laschen) 11, 11', 12, 12', 13, 13' mittels Crimpvorgang miteinander verbunden. Beispielsweise kann der Verformungs-/Verprägeprozess über eine Zange oder einen Stempel mit unterschiedlicher Querschnittsgeometrie (kreisrund, rechteckig oder dreieckig) erfolgen.
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12 zeigt einen Wärmetauscher 14 mit jeweils zwischen einem oberen Sammelkasten 1'' und einem unteren Sammelkasten 1' angeordneten und in diese mündenden Tauscherrohren T, wobei der erste Anschlussstutzen 4' (Eintrittsstutzen) in einer Stirnseite 15 des einen, insbesondere des unteren Sammelkastens 1', und der zweite Anschlussstutzen 4'' (Austrittsstutzen) in einer Stirnseite 16 des anderen, insbesondere des oberen Sammelkastens 1'', angeordnet ist sowie ein direktes Durchströmen hindernde Sperren 17, 18 in den Sammelkästen 1', 1'' vorgesehen sind, die das Kühlmittel in die Tauscherrohre T in wechselnder Strömungsrichtung (siehe Pfeile) umlenken. Die Sperren 17, 18 sind in der Art von Trennwänden ausgebildet, welche beispielsweise nach dem Fertigungsprozess des entsprechenden Kastenteils mit diesem verbunden werden. Die Sperren 17, 18 orientieren sich in ihrer geometrischen Ausgestaltung am Querschnitt des jeweiligen Sammelkastens 1', 1''.
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Die 13a und 13b zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sammelkastens, wobei die 13b einen mit einem Kreis gekennzeichneten Ausschnitt der 13a darstellt. Gemäß dieser Ausführungsform kann eine weitere Erhöhung der Bauteilfestigkeit durch das Vorsehen einer Rastnase 19, die an den Laschen 7, 8 angeformt ist, erreicht werden.
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Alternativ kann eine Erhöhung der Bauteilfestigkeit gemäß der Ausführungsform, die in 14 dargestellt ist, auch durch einen Laschenabschnitt 20, der parallel zu den Anlagenflächen 9, 9' ausgerichtet ist, erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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