DE102011080204A1

DE102011080204A1 - Sammelkasten für einen Wärmetauscher, insbesondere einen Ladeluftkühler

Info

Publication number: DE102011080204A1
Application number: DE102011080204A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Heine
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sammelkasten für einen Wärmetauscher, insbesondere einem Ladeluftkühler, der mit einem Boden (10, 11) verschlossen ist, wobei eine Kastenwandung (6a, 7a) mindestens eine Versteifungsrippe (16, 17) aufweist. Bei einem Sammelkasten, der trotz geringer Stärke der Kastenwandung des Sammelkastens eine erhöhte Festigkeit aufweist, ist die Versteifungsrippe (16, 17) mit einer breiten Seite parallel zum Boden (10, 11) ausgerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sammelkasten für einen Wärmetauscher, insbesondere einen Ladeluftkühler, der mit einem Boden verschlossen ist, wobei eine Kastenwandung mindestens eine Versteifungsrippe aufweist.
Wärmetauscher bestehen in bekannter Weise aus zwei Sammelkästen, zwischen welchen sich ein Rippen-Rohr-Block erstreckt. Der Rippen-Rohr-Block greift dabei beidseitig in je einen Boden ein, welcher durch jeweils einen Sammelkasten abgedeckt ist. Ein zu kühlendes Medium strömt dabei in den ersten Sammelkasten ein, passiert die Rohre des Rippen-Rohr-Blockes und wird aus dem zweiten Sammelkasten wieder aus dem Wärmetauscher ausgeführt. Auf Grund des erwärmten Mediums sind die Sammelkästen sich ändernden hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt, was zu Expansionen oder Kontraktionen der Kastenwandung des Sammelkastens führt. Zur Versteifung der Kastenwandung ist diese mit Versteifungsrippen versehen.
Aus der DE 201 21 112 U1 ist ein Sammelkasten für einen Wärmetauscher bekannt, welcher einen, von einer Wandung umgebenen Hohlraum aufweist, der durch eine Bodenplatte abgeschlossen ist. Im Hohlraum ist ein, mit der Wandung aus einem Stück hergestelltes Versteifungselement angeordnet, welches sich im Wesentlichen in einer vorgewählten Strömungsrichtung des durch den Hohlraum strömenden Mediums erstreckt.
Gemäß der DE 23 53 405 A1 weist ein Deckel für Wärmetauscher an seiner Außenwand Versteifungsrippen auf, um die Wandstärke des Deckels möglichst gering zu halten. Die Versteifungsrippen sind dabei mit ihrer breiten Seite senkrecht zu dem, den Sammelkasten verschließenden Boden ausgerichtet.
Ein Ladelüftkühler eines Kraftfahrzeuges, welcher in der EP 1 671 020 B1 offenbart ist, weist einen Sammelkasten auf, an dessen Außenfläche zur Stabilisierung seiner Geometrie während des Betriebes des Ladeluftkühlers Verstärkungsrippen ausgebildet sind, deren breiten Seite senkrecht zu einem Boden verlaufen.
Die EP 2 299 232 A2 zeigt einen Sammler für einen Wärmetauscher, der fluiddicht mit einem Boden verbunden ist. Der kastenähnliche Sammler umfasst einen, sich in der Längsrichtung erstreckenden Dachbereich mit einem First, wobei eine Druckerhöhung in dem Sammler eine elastische Deformation des Dachbereiches bewirkt. Am Dachfirst sind diesen übergreifende Versteifungsrippen ausgebildet, deren breite Seiten senkrecht zum Boden stehen.
Darüber hinaus sind Versteifungsnetze in Form von sich kreuzenden Versteifungsrippen 2 (1) bekannt, die außen an der Kastenwandung des Sammelkastens 1 angeordnet sind.
Die Versteilungsrippen ermöglichen eine Verringerung der Wandstärke der Kastenwandung des Sammelkastens 1. Dadurch, dass die breite Seite 3 der Versteifungsrippen senkrecht zum Boden ausgerichtet ist, wird die höchste mechanische Belastung von der Kastenwandung weggeführt. Die höchste Belastung der Versteifungsrippen besteht an der, zur Kastenwandung des Sammelkastens 2 entgegen gesetzten, schmalen Seite 4 der Versteifungsrippe 2, die die Kastenwandung um einige Millimeter überragt und welche insbesondere auf Zug beansprucht wird.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Sammelkasten für einen Wärmerauscher anzugeben, der trotz geringer Wandstärke der Kastenwandung des Sammelkastens eine erhöhte Festigkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Versteifungsrippe mit einer breiten Seite parallel zum Boden ausgerichtet ist. Dies hat den Vorteil, dass durch die flächige Ausdehnung der Versteifungsrippe auf der breiten Seite, welche der Kastenwandung des Sammelkastens gegenüberliegt, zunehmend mehr Kräfte auf diese einwirken können, ohne dass die sehr dünn aus Kunststoff ausgebildete Kastenwandung des Sammelkastens beschädigt oder verformt wird, obwohl die Versteifungsrippe nur etwa einen Millimeter von der Kastenwandung absteht. Da die Versteifungsrippe relativ flach an der Kastenwandung des Sammelkastens anliegt, wird Bauraum eingespart, was insbesondere bei der Verwendung des Sammelkastens für einen, in einem Kraftfahrzeug genutzten Wärmetauscher von besonderem Vorteil ist. Außerdem wird weniger Kunststoffmaterial bei der Herstellung der Versteifungsrippe notwendig. Die Versteifungsrippe kann dabei außen und/oder innen an der Kastenwandung des Sammelkastens angeordnet sein.
Vorteilhafterweise dehnt sich die Versteifungsrippe in eine Längserstreckungsrichtung des Bodens aus, wodurch der Versteifungseffekt der Kastenwandung erhöht wird.
In einer Ausgestaltung erstreckt sich die Versteifungsrippe, vorzugsweise unterbrechungsfrei, über annähernd die gesamte Außenfläche der Kastenwandung. Durch eine solche großflächige Ausdehnung der Versteifungsrippe wird eine stabile Versteifung über annähernd den gesamten Sammelkasten erzielt. Darüber hinaus besteht der Vorteil, dass beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug die Versteifungsrippe auf Grund ihrer flächigen Ausbildung gut durch die Fahrtluft des Kraftfahrzeuges gekühlt werden kann.
In einer Weiterbildung sind ein Medieneinlass oder einen Medienauslass vorgesehen, wobei die Versteifungsrippe nahe dem Medienein- oder -auslass angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird eine Aufweichung und/oder Verformung der aus Kunststoff bestehenden Versteifungsrippe verhindert, da eine so angeordnete Versteifungsrippe weniger durch die Temperatur des durch den Sammelkasten strömenden Mediums belastet wird.
In einer Variante sind der Medieneinlass und/oder der Medienauslass in einem vorgegebenen Winkel zur Oberfläche gekrümmt. Dadurch wird der von dem Sammelkasten benötigte Bauraum weiter verringert.
In einer weiteren Ausführungsform sind die breiten Seiten von wenigstens zwei Versteifungsrippen unterschiedlich breit ausgebildet, wobei insbesondere die Versteifungsrippe, welche näher zum Medieneinlass- oder -auslass angeordnet ist, breiter ausgebildet ist, als die Versteifungsrippe, die entfernter zum Medieneinlass- oder -auslass angeordnet ist. Durch die Verwendung von mehreren, flächig ausgebildeten Versteifungsrippen erhöht sich der Versteifungseffekt für den Sammelkasten. Der Sammelkasten wird an seiner Oberfläche weiter ausgesteift, wobei die breitere Versteifungsrippe in dem Bereich der Kastenwandung des Sammelkastens angeordnet ist, wo die stärkste Zugbelastung auftritt.
Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Versteifungsrippe entfernt von einem, an den Boden angrenzenden Sammelkastenrand angeordnet. Da der Sammelkastenrand stark temperaturbelastet ist, wird durch die entfernte Ausbildung der Versteifungsrippe zum Sammelkastenrand die Temperaturbelastung der Versteifungsrippe reduziert.
In einer Ausgestaltung sind außen auf der Kastenwandung mehrere, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende Versteifungselemente ausgebildet, welche sich annähernd senkrecht zu der mindestens einen Versteifungsrippe erstrecken. Durch die Verwendung weiterer Versteifungselemente wird der Sammelkasten in seiner gesamten Geometrie stabilisiert, weshalb der Sammelkasten in seiner Formbildung beliebig ausgestaltet werden kann.
In einer Variante sind die Versteifungselemente rippenähnlich ausgebildet, wobei die breiten Seiten der Versteifungselemente senkrecht zum Boden ausgerichtet sind. Solche Versteifungselemente weisen zwar eine geringere Stabilität gegenüber ein Zugbelastung auf, sind aber für die Bereiche an der Oberfläche des Sammelkastens, welche einem nicht so starken Druck ausgesetzt sind, ausreichend um die Stabilität dieser Bereiche des Sammelkastens zu gewährleisten.
In einer Weiterbildung unterbricht die mindestens eine Versteifungsrippe die Versteifungselemente in deren Ausdehnung. Somit wird sicher gestellt, dass in Kreuzungspunkten von Versteifungsrippen und Versteifungselementen immer die Versteifungsrippe Priorität hat, um den höchstmöglichen Versteifungseffekt an diesem Kreuzungspunkt zu erreichen. Da die Versteifungsrippe auf Grund ihrer flächigen Ausbildung eine höhere Verstärkung aufweist, wird diese nicht unterbrochen, wodurch dieser Effekt erhalten bleibt.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1: Sammelkasten nach dem Stand der Technik,
2: Wärmetauscher mit einem erfindungsgemäßen Sammelkasten,
3: ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Sammelkasten
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 2 ist ein Wärmetauscher 5 in Form eines Ladeluftkühlers zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Der Wärmetauscher 5 besteht dabei aus zwei Sammelkästen 6, 7, zwischen welchen ein Rippen-Rohr-Block 8 angeordnet ist. Die Rohre 9 des Rippen-Rohr-Blockes 8 greifen annähernd senkrecht in nicht weiter dargestellte Durchbrüche eines Bodens 10 ein, wobei der Boden 10 den Sammelkasten 6 und der Boden 11 den Sammelkasten 7 fluiddicht verschließt. Die Böden 10, 11 sind dabei im Wesentlichen eben ausgebildet. Die Sammelkästen 6, 7 sind so am Wärmetauscher 5 angeordnet, dass ihre Böden 10, 11 einander zugewandt sind und parallel, nur vom Rippen-Rohr-Block 8 getrennt, zueinander verlaufen.
Die Rohre 9 sind vorzugsweise als Flachrohre ausgebildet und verlaufen nebeneinander liegend parallel zueinander. Zwischen benachbarten Rohren 9 sind Kühlrippen 12 angebracht, die beispielsweise zickzackförmig ausgebildet sind. Die Rohre 9 sind durch eine entsprechende Bördelung an den Sammelkästen 6, 7 bzw. deren Böden 10, 11 befestigt.
Wenn der Wärmetauscher 5 als Ladeluftkühler arbeitet, tritt die, von einem nicht weiter dargestellten Turbolader verdichtete, heiße Ladeluft durch einen, am Sammelkasten 6 vorgesehenen Medienseinlass 13 in einen hohlen Innenraum 15 des Sammelkastens 6 ein (3b). Die zu kühlende Ladeluft verteilt sich im Innenraum 15 des Sammelkastens 6 und tritt in die Rohre 9 ein, welche sie durchströmt. Dabei findet die Kühlung der heißen Ladeluft statt und die abgekühlte Ladeluft tritt an dem anderen Ende der Rohre 9 wiederum in den Innenraum 15 des zweiten Sammelkastens 7 ein. Der zweite Sammelkasten 7 umfasst einen Medienauslass 14, durch welchen die inzwischen abgekühlte Ladeluft dem entsprechenden Verbraucher, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, zugeführt wird.
Die Abkühlung der Ladeluft erfolgt im Bereich der Rohre 9 mit Hilfe der zwischen den Rohren angeordneten Kühlrippen 12. Die Rohre 9 und die Kühlrippen 12 sind einer kühlenden Luftströmung ausgesetzt, welche im fahrenden Kraftfahrzeug durch den Fahrwind erzeugt wird. Dabei wird die Wärmeenergie der, die Rohre 9 durchströmenden Ladeluft auf die Rohre 9 und von diesen auf die Kühlrippen 12 übertragen und anschließend von der kühlenden Luftströmung aufgenommen und abtransportiert.
Der Sammelkasten 6 bzw. 7 besteht aus einem Kunststoff und weist außen an seiner Kastenwandung 6a, 7a zwei verschiedene Versteifungsstrukturen auf, die miteinander verkreuzt sind. Wie insbesondere aus 2b ersichtlich, sind Versteifungsrippen 16 bzw. 17 mit ihrer breiten Seite parallel zum Boden 10 bzw. 11 angeordnet, wobei sich die Versteifungsrippen 16 über annähernd die gesamte Längserstreckung des Sammelkastens 6 ausdehnen, während sich die Versteifungsrippen 17 ebenfalls fast über die ganze Längserstreckung des Sammelkastens 7 erstrecken. Die Versteifungsrippen 16 bzw. 17 sind dabei sehr flach ausgebildet und dehnen sich flächig über den jeweiligen Sammelkasten 6, 7 aus.
Senkrecht zu den Versteifungsrippen 16 bzw. 17 sind am Sammelkasten 6 Versteifungselemente 18 und am Sammelkasten 7 Versteifungselemente 19 ausgebildet. Diese rippenähnlichen Versteifungselemente 18, 19 stehen mit ihrer breiten Seite senkrecht zu den Böden 10, 11. Dabei überragen diese Versteifungselemente 18, 19 die Versteifungsrippen 16 bzw. 17.
In 3 ist der Sammelkasten 6 in einer Draufsicht (3a) und einem Schnitt entlang der Linie A-A (3b) dargestellt. Der Sammelkasten 7 ist identisch zum Sammelkasten 6 aufgebaut. Wie 3a zeigt, sind die Versteifungselemente 18 in Ihrer Ausdehnung entlang der Quererstreckung des Sammelkastens 6 von den zwei dargestellten Versteifungsrippen 16a, 16b unterbrochen. Die Versteifungsrippe 16a ist nahe am Medieneinlass 13 angeordnet und weist eine größere Breite auf, als die gleichlange Verstärkungsrippe 16b. Durch diese flächige Ausgestaltung der Versteifungsrippen 16a, 16b wird die Oberfläche der Versteifungsrippen 16a, 16b, welche der Kastenwandung 6a des Sammelkastens 2 entgegengesetzt ausgerichtet ist, vergrößert. Da die Versteifungsrippen 16a, 16b an dieser Oberfläche durch die, mit einem Überdruck vom Turbolader aufgeladene und in den Sammelkasten 6 einströmenden Ladeluft aufs höchste belastet werden, trägt die so flächig ausgebildete Oberfläche der Versteifungsrippen 16a, 16b zur einer Erhöhung der Steifigkeit des aus Kunststoff bestehenden Sammelkastens 6 bei. Eine Verformung des, einen hohlen Innenraums 15 aufweisenden Sammelkastens 6 wird somit sicher unterbunden.
In dem Schnitt A-A der 3b ist die Innenraumgeometrie des Sammelkastens 6 darstellt. Die Kastenwandung 6a des Sammelkastens 6 schließt sich dabei seitlich an den Medieneinlass 13 an und ist haubenähnlich ausgebildet, wobei sich die Kastenwandung 6a des Sammelkastens 6 ausgehend von einem oberen Abschluss 13a des Medieneinlasses 13 abfallend bis zu einem Sammelkastenrand 20 erstreckt. Der Sammelkastenrand 20 verläuft dabei parallel zu der Öffnung des Medieneinlasses 13. Im montierten Zustand des Wärmtauschers 5 setzt der Sammelkastenrand 20 auf den Boden 10 auf. Der Boden 10 verbindet im montierten Zustand den unteren Abschluss 13b des Medieneinlasses 13 mit dem Sammelkastenrand 20, wodurch der Innenraum 15 des Sammelkastens 6 dicht gegenüber der einströmenden Ladeluft verschlossen wird. Die über den Medieneinlass 13 einströmende heiße Ladeluft wird somit in die Rohre 9 geführt.
Die flächig ausgebildeten Versteifungsrippen 16a, 16b sind an der abfallenden Kastenwandung 6a des Sammelkastens 6 stufig in unterschiedlichen Höhen ausgebildet, wobei die Versteifungsrippe 16a einen Abstand von annähernd 15 mm zu dem Sammelkastenrand 20 des Sammelkastens 6 aufweist. Durch diesen Abstand wird eine zu hohe Temperaturbelastung der Versteifungsrippen 16a, 16b und somit eine Verformung infolge eines Aufweichens der Versteifungsrippen 16a, 16b zuverlässig unterbunden. Daraus resultiert eine erhöhte Grundfestigkeit des Kunststoffes, aus dem der Sammelkasten 6 hergestellt ist.
Die erfindungsgemäßen Sammelkästen 6, 7 beschränken sich dabei nicht nur auf zwei Versteifungsrippen 16a, 16b. Der Versteifungseffekt erhöht sich mit der Anzahl der Versteifungsrippen 16a, 16b. Vorteilhafterweise sind der Sammelkasten 6, 7, die Versteifungsrippen 16, 17 und die Versteifungselemente 18, 19 einteilig ausgebildet, was sich einfach in einem Kunststoffspritzgussverfahren realisieren lässt. Durch diese Gestaltung des Sammelkastens 6, 7 aus Kunststoff erhöht sich nicht nur dessen Steifigkeit. Gleichzeitig wird neben weniger Kunststoffmaterial nur geringfügig mehr Bauraum benötigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 20121112 U1 [0003]
DE 2353405 A1 [0004]
EP 1671020 B1 [0005]
EP 2299232 A2 [0006]

Claims

Sammelkasten für einen Wärmetauscher, insbesondere einen Ladeluftkühler, der mit einem Boden (10, 11) verschlossen ist, wobei eine Kastenwandung (6a, 7a) mindestens eine Versteifungsrippe (16, 17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippe (16, 17) mit einer breiten Seite parallel zum Boden (10, 11) ausgerichtet ist.
Sammelkasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Versteifungsrippe (16, 17) in eine Längserstreckungsrichtung des Bodens (10, 11) ausdehnt.
Sammelkasten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Versteifungsrippe (16, 17), vorzugsweise unterbrechungsfrei, über annähernd die gesamte Außenfläche der Kastenwandung (6a, 7a) erstreckt.
Sammelkasten nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Medieneinlass (13) oder einen Medienauslass (14) vorgesehen ist, wobei die Versteifungsrippe (16, 17) nahe dem Medienein- (13) oder -auslass (14) angeordnet ist.
Sammelkasten nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Medieneinlass (13) und/oder der Medienauslass (14) in einem vorgegebenen Winkel zur Kastenwandung (6a, 6b) gekrümmt ist.
Sammelkasten nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die breiten Seiten von wenigstens zwei Versteifungsrippen (16, 17) unterschiedlich breit ausgebildet sind, wobei insbesondere die Versteifungsrippe (16), welche näher zum Medieneinlass- (13) oder -auslass (14) angeordnet ist, breiter ausgebildet ist, als die Versteifungsrippe (17), die entfernter zum Medieneinlass- (13) oder -auslass (14) angeordnet ist.
Sammelkasten nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Versteifungsrippe (16, 17) entfernt von einem, an den Boden (10, 11) angrenzenden Sammelkastenrand (20) angeordnet ist.
Sammelkasten nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außen auf der Kastenwandung (6a, 7a) mehrere, vorzugsweise parallel zueinander verlaufende Versteifungselemente (18, 19) ausgebildet sind, welche sich annähernd senkrecht zu der mindestens einen Versteifungsrippe (16, 17) erstrecken.
Sammelkasten nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungselemente (18, 19) rippenähnlich ausgebildet sind, wobei die breiten Seite der Versteifungselemente (18, 19) senkrecht zum Boden (10, 11) ausgerichtet ist.
Sammelkasten nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Versteifungsrippe (16, 17) die Versteifungselemente (18, 19) in deren Ausdehnung unterbricht.