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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 40 15 830 A1 ist ein Wärmetauscher bekannt, die aus zwei, als Sammelkästen bezeichneten Behältern bestehen, die jeweils von einem Boden abgeschlossen sind. Zwischen den beiden Behältern ist ein Rohr-Rippen-Block angeordnet. In am Boden ausgebildete Öffnungen ist ein Ende jeweils eines Rohres eingesteckt. Die als Flachrohre ausgebildeten Rohre sind im Bereich des zugeordneten Rohrbodens mit nach innen gedrückten Noppen in der Form von Sicken versehen, die als Abstützstellen im Inneren der Rohre dienen. Diese Sicken unterteilen das Rohr in mehrere parallel zueinander verlaufende Rohrlängsabschnitte. Die im rippenfreien Bereich der Rohre ausgebildeten Sicken bewirken, dass sich die Rohrenden im Bereich oberhalb der Sicken aufspreizen und daher ein Einfallen der freien Enden des Rohres verhindert und zum anderen ein kraftschlüssiges Andrücken an die Öffnung im Rohrboden ermöglicht wird.
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Die
DE 94 18 641.3 U1 zeigt ein Wärmeaustauschrohr, welches spiralförmige Ein- und Ausprägungen über das gesamte Rohr aufweist, so dass der Querschnitt des Rohres variiert. Durch diese drallgebende Kontur wird die Wärmeaustauschleistung der Wärmeaustauschrohre erhöht.
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Bei den beschriebenen Anordnungen kommt es infolge thermischer Beanspruchung, insbesondere durch Zug-/Druck-Spannungen durch Ausdehnung der Rohre, Biegungsüberlagerungen und Bodenaufbiegungen zu Ausfällen, welche vor allem in der Rohr-Boden-Verbindung an der Rohrschmalseite auftreten. Solche Ausfälle hängen hauptsächlich vom Kühlmitteldurchfluss, von der Kühlmitteltemperatur, vom Prüfzyklus sowie vom Einbau und der Spannung des Wärmetauschers im Fahrzeug oder in einem Modul ab. Dies ist darauf zurück zu führen, dass die beschriebenen Öffnungen mittels Stanzwerkzeugen durchgerissen oder gelocht werden. Zur Abdichtung wird an dieser Stelle die Verbindung von Rohr und Boden verlötet. Allerdings entsteht bei der Verlötung ein Steifigkeitssprung, insbesondere immer dann, wenn die Wandstärke des Rohres wesentlich geringer ist als die Wandstärke des Bodens.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, zu schaffen, bei welchem die Abrisse an der Rohr-Boden-Verbindung des Wärmetauschers infolge auftretender thermisch verursachter Spannungen reduziert werden.
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Dies wird erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend mit einem Boden verschlossene Behälter, zwischen welchen sich ein Rohr-Rippen-Block erstreckt und jedes eine Einprägung aufweisende Rohr mit jeweils einem Ende in den Boden eines Behälters eingreift, wobei der Boden eine umlaufende Rinne aufweist, welche den Behälter aufnimmt, wobei die Einprägung zur Vermeidung einer thermischen Ausdehnung des Rohres zum Boden im berippten Bereich des Rohres nahe der umlaufenden Rinne ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass durch die Einprägung an dieser Position die thermisch verursachten Spannungen unterbrochen werden, wobei eine thermische Ausdehnung des Rohres zum Boden unterbunden wird. Dadurch werden Abrisse im Bereich der Rohr-Boden-Verbindung nach dem Löten unterbunden.
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Vorteilhafterweise ist eine, das Ende des Rohres umfassende Öffnung in einem annähernd gerade ausgebildeten Abschnitt des Bodens ausgeformt, wobei der gerade Abschnitt des Bodens beabstandet zur umlaufenden Rinne in den Behälter hineinragt und das Rohr partiell von der umlaufenden Rinne umgeben ist. Eine solche Kombination von einem Behälter mit einer, an dem Boden ausgebildeten Rinne mit der am Rohr ausgebildeten Einprägung bringt den Vorteil einer gegenseitigen positiven Beeinflussung zur Dämpfung der Spannungen, die in dem Boden durch die thermisch verursachte Rohrausdehnung eingeleitet werden. Dabei trägt nicht nur die Einprägung sondern auch die Rinne zur Unterbrechung der Spannungen bei.
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In einer Ausgestaltung ist die Einprägung außerhalb eines von der umlaufenden Rinne umgebenden Bereiches des Rohres angeordnet. Diese Ausgestaltung unterstützt die gegenseitige Beeinflussung zwischen Rinne und Einprägung zur Unterbrechung der, durch thermische Effekte verursachten Spannung.
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Alternativ ist die Einprägung innerhalb des von der umlaufenden Rinne umgebenden Bereiches des Rohres angeordnet. Auch diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Kombination aus Rinne des Bodens und Einprägung des Rohres zu einer Stabilisierung der Rohr-Boden-Verbindung beitragen.
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In einer weiteren Alternative ist die Einprägung auf einer Höhe der umlaufenden Rinne an dem Rohr ausgebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein optimales Gleichgewicht der Kräfte, welche aufgrund der Ausdehnung des Rohres durch thermisch verursachte Spannungen an dem Boden angreifen.
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In einer Variante ist eine erste Breite des Rohres im Bereich der Einprägung kleiner als eine Ausgangsbreite des Rohres in einem einprägungsfreien Bereich. Diese Realisierung verhindert ein Abreißen der Boden-Rohr-Verbindung, insbesondere an der Schmalseite des Rohres.
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In einer Weiterbildung ist eine Tiefe des Rohres im Bereich der Einprägung größer als eine Ausgangstiefe des Rohres in dem einprägungsfreien Bereich. Dadurch wird die Schmalseite des Rohres entlastet, indem die Spannung, die durch die thermische Ausdehnung des Rohres entsteht, abgebrochen wird.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Rohr eine geringere Wandstärke auf als der Boden des Behälters. Auch bei dieser Ausgestaltung werden die auftretenden Zug-Druck-Kräfte zwischen Boden und Rohr, insbesondere im Bereich der Schmalseite des Rohres, unterbunden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Wärmetauschers,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
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3 eine erste Ansicht des Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
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4 eine zweite Ansicht des Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Wärmetauscher 1, insbesondere einen Kühlmittelkühler, welcher aus einem Block 2 besteht, der zwischen zwei, als Wasserkästen ausgebildeten Behältern 3, 4 angeordnet ist. Jeder Behälter 3, 4, die auch als Sammelkästen bezeichnet werden, weist dabei einen Boden 5, 5 auf, an dem sich der Block 2, welcher durch ein Seitenteil 7 abgeschlossen ist, anschließt. Der Block 2 besteht aus mehreren Rohren 8 und mehreren Rippen 9, wobei Rohr 8 und Rippe 9 immer abwechselnd zueinander angeordnet sind. Der Behälter 3 weist einen Stutzen 10 auf, in welchen ein, aus einem nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotor abgeleitetes und von diesem aufgeheiztes Kühlmedium einströmt, das durch die Rohre 8 des Blocks 2 zum zweiten Behälter 4 geleitet wird. Durch den Block 2, insbesondere die Rippen 9, wird ein gasförmiges Medium, vorzugsweise Luft, geleitet, welches die Wärme des durch die Rohre 8 fließenden Kühlmediums aufnimmt und die Wärme aus dem Wärmetauscher 1 abführt. Auf diese Weise wird das Kühlmedium abgekühlt. Der zweite Behälter 4 des Wärmetauschers 1, in welchem das abgekühlte Kühlmedium strömt, umfasst einen weiteren Stutzen 11, durch welchen das Kühlmedium aus dem Wärmetauscher 1 ausgeleitet und wieder dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
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Die als Flachrohre ausgebildeten Rohre 8 weisen eine wesentlich geringere Wandstärke als der Boden 5 auf. Beispielsweise ist die Wandstärke des Bodens acht- bis zehnfach stärker als die des Rohres 8. Die Rohre 8 sind derart in dem Behälter 4 positioniert, dass die Breitseiten 8a der Rohre 8 parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Rippen 9 an den Breitseiten 8a der Rohre 8 anliegen.
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Im Weiteren soll nur der Behälter 4 mit dem Boden 5 hinsichtlich der Verbindung der Rohre 8 mit dem Boden 5 betrachtet werden. Für den Behälter 3 sind die Betrachtungen im Zusammenhang mit dem Boden 6 identisch. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Behälter 4 und den sich an diesen Behälter 4 anschließenden Block 2 aus Rohren 8 und Rippen 9. Die Rippen 9 sind dabei so ausgebildet, dass diese die Rohre 8 bis in den Bereich des Bodens 5 verstärken. Der Boden 5 selbst weist dabei einen geraden Abschnitt 5a auf, an welchen sich eine umlaufende Rinne 5b anschließt, die beabstandet unterhalb des geraden Abschnittes 5a des Bodens 5 ausgebildet ist. In diese umlaufende Rinne 5b ist eine Dichtung 13 eingelegt, welche zur Abdichtung der Rinne 5b mit dem Behälter 4 dient, der auf die Dichtung 13 innerhalb der umlaufenden Rinne 5b aufgesetzt ist. Der gerade Abschnitt 5a des Bodens weist dabei mehrere nicht dargestellte Öffnungen 12 auf, in welchen ein Ende jeweils eines Rohres 8 eingreift. Nahe der umlaufenden Rinne 12b ist an jedem Rohr 8 mindestens eine Einprägung 14 ausgebildet, die aufgrund der beschriebenen Gestaltung des Blocks 2 aus Rohren 8 und Rippen 9 immer im berippten Bereich des Rohres 8 angeordnet ist.
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In 3 ist ein Schnitt durch eine Breitseite 8a eines Rohres 8 dargestellt, wie es durch die Öffnung 12 mit einem Ende in den Behälter 4 hineinragt. Die Einprägung 14 befindet sich in der Nähe der umlaufenden Rinne 12 des Bodens 5. Je nach Konstruktion und Einbaubereich des Wärmetauschers 1 im Kraftfahrzeug kann die Einprägung 14 an verschiedenen Steilen des Rohres 8 positioniert werden. In 3 ist die Einprägung 14 lokal unterhalb der umlaufenden Rinne 5b des Behälters 4 in Richtung des Blockes 2 aus Rohren 8 und Rippen 9 positioniert (Richtung h + x). Es ist aber auch vorstellbar, dass die Einprägung 14 in einem Bereich ausgebildet ist, welcher von der umlaufenden Rinne 5b des Bodens 5 umgeben ist Richtung h – x). Die Form der Einprägung 14 kann dabei beliebig gewählt werden, bevorzugt ist eine Ausbildung als Sicke. Die Anzahl der Einprägungen bzw. Sicken kann pro Rohr variieren und je nach Bedarf erhöht oder reduziert werden.
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Entscheidend für die Herstellung der Stabilität der Rohr-Boden Verbindung, insbesondere der Seitenwand des Rohres 8, ist es, dass die Außenbreite B1 des Rohres 8 im einprägungsfreien Bereich größer ist als die Breite B2 des Rohres 8 im Bereich der Einprägung 14. In 4 ist eine Ansicht der Schmalseite 8b des Rohres 8 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass die Tiefe t2 des Rohres 8 im Bereich der Einprägung 14 größer ist als die Ausgangstiefe t1 der Schmalseite 8b des Rohres 8 in dem einprägungsfreien Bereich.
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Der beschriebene Wärmetauscher 1 hat den Vorteil, dass ein Abriss zwischen Boden 5 und Rohr 8, insbesondere im Bereich der Schmalseite 8b des Rohres 8, durch Unterbrechung der thermisch verursachten Spannungen gewährleistet wird, indem eine thermische Ausdehnung des Rohres 8 zum Boden 5 hin vermieden wird. Die Kombination zwischen der umlaufenden Rinne 12 des Bodens 5 mit der Einprägung 14 des Rohres 8 bringt darüber hinaus den Vorteil, dass eine gegenseitige Beeinflussung zur Dämpfung der Spannungen, die in den Boden 5 durch die Rohrausdehnung 8 eingeleitet werden, erfolgt. Diese Lösung ist für alle Arten von Wärmetauschern, insbesondere im Fahrzeugbau, einsetzbar. Sie ist sowohl an Wärmetauschern mit gelöteten und/oder geschweißten Behälter (z. B. Ganzalukühler) als auch bei Wärmetauschern mit einer Boden-Behälter-Verbindung, die nicht gelötet und geschweißt ist, sondern durch ein Verbindungselement, wie z. B. eine Dichtung und einen Kunststoffkasten, erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4015830 A1 [0002]
- DE 9418641 U1 [0003]
