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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug, mit einem Wärmeübertragungsblock und mit zumindest einem Sammelkasten mit einem Rohrboden, wobei der Wärmeübertragungsblock aus einer Mehrzahl von zueinander benachbarten Rohren und dazwischen angeordneten Wellrippenelementen gebildet ist, und die Rohre mit einem ihrer Endbereiche fluiddicht in den Rohrboden des Sammelkasten aufgenommen sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers.
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Stand der Technik
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In Kraftfahrzeugen werden zur Kühlung oder zur Erwärmung von Fluiden Wärmeübertrager eingesetzt, mittels welchem ein Wärmeübertrag zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid hervorgerufen wird.
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Im Stand der Technik sind vielfältige Bauformen von Wärmeübertragern bekannt geworden. Zu den bekannten Bauformen zählen unter anderem auch Wärmeübertrager, die einen sogenannten Rohr-Rippen Aufbau aufweisen. Bei solchen Bauformen werden bei einer Mehrzahl von Rohren die Rohrenden endseitig in Öffnungen eines Rohrbodens aufgenommen, welcher wiederum mit einem deckelartigen Element zu einem Sammelkasten verbunden wird. Zwischen den Rohren können Wellrippenelemente angeordnet sein, die den Wärmeübertrag zwischen einem in den Rohren strömenden Fluid und einem die Rohre umströmenden Fluid begünstigen.
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Die Rohre, die Wellrippenelemente und die Rohrböden sind in einigen bekannten Ausführungsformen aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Die deckelartigen Elemente sind dabei entweder aus einem metallischen Werkstoff, wie Aluminium, oder aus einem Kunststoff hergestellt.
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Nachteilig an den im Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern ist insbesondere, dass aufgrund der hohen Variantenvielfalt Rohre mit unterschiedlichen Geometrien verwendet werden, die Rohre in unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet werden und die Anzahl der verwendeten Rohre auch variiert. Daher ist es nur schwer möglich modulare Bauteile für die Erzeugung der Wärmeübertrager zu verwenden, wodurch die Fertigung der Wärmeübertrager aufwändig und teuer ist.
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Im Stand der Technik sind weiterhin Wärmeübertrager bekannt, welche einen Sammelkasten aufweisen, der aus Kunststoff ausgebildet ist und direkt an die Rohre und die Wellrippenelemente angespritzt ist.
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Nachteilig an den bekannten Wärmeübertragern mit einem angespritzten Sammelkasten ist insbesondere, dass der aus Rohren und Wellrippenelementen gebildete Wärmeübertragungsblock nicht ausreichend gegen den Kontakt mit Kunststoff während des Spritzvorgangs geschützt ist. Auch sind die empfindlichen Wellrippenelemente nicht ausreichend gegen die beim Spritzvorgang entstehenden Drücke geschützt, so dass es zu Beschädigungen insbesondere der Wellrippenelemente kommen kann. Die Wärmeübertrager mit einem angespritzten Sammelkasten weisen daher oft nur eine sehr geringe Anzahl von Rohren auf, wodurch die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers stark limitiert ist.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wärmeübertrager zu schaffen, welcher gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und Mittel aufweist, welche den aus Rohren und Wellrippenelementen gebildeten Wärmeübertragungsblock während des Spritzvorgangs gegen den Kunststoff und den entstehenden Arbeitsdruck schützen. Außerdem ist es die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers zu schaffen.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Wärmeübertragers wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug, mit einem Wärmeübertragungsblock und mit zumindest einem Sammelkasten mit einem Rohrboden, wobei der Wärmeübertragungsblock aus einer Mehrzahl von zueinander benachbart angeordneten Rohren und dazwischen angeordneten Wellrippenelementen gebildet ist, und die Rohre mit einem ihrer Endbereiche fluiddicht in den Rohrboden des Sammelkastens aufgenommen sind, wobei der Rohrboden des Sammelkastens aus Kunststoff gebildet ist und an den Wärmeübertragungsblock durch Spritzgießen angespritzt ist, wobei zwischen dem Sammelkasten und dem Wärmeübertragungsblock ein Distanzelement angeordnet ist, durch welches die Rohre hindurchgeführt sind, wobei die Wellrippenelemente durch das Distanzelement von dem Rohrboden des Sammelkastens beabstandet sind.
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Die Rohre und die Wellrippenelemente sind aus einem metallischen Werkstoff und durch ein Lötverfahren oder ein Schweißverfahren miteinander verbunden. Alternativ können die Rohre und die Wellrippenelemente auch über eine Werkzeugvorrichtung gehalten werden, bis durch das Anspritzen des Rohrbodens des Sammelkastens eine ausreichende Verbindung zwischen den Elementen erzeugt ist.
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Der Wärmeübertrager kann nur einen Sammelkasten aufweisen oder in einem alternativen Ausführungsbeispiel auch zwei Sammelkästen. Bei nur einem Sammelkasten können die Rohre entweder endseitig in diesen aufgenommen sein, während der jeweils andere endseitige Bereich in einer anderen Struktur aufgenommen Ist, oder die Rohre können beispielsweisen U-förmig gestaltet sein, so dass die Rohre jeweils mit beiden endseitigen Bereichen in dem einen Sammelkasten aufgenommen sind.
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Der Rohrboden des Sammelkasten ist vorteilhafterweise aus Kunststoff gebildet und an den Wärmeübertragungsblock durch Spritzgießen angespritzt. Dies ist besonders vorteilhaft, da der Rohrboden des Sammelkastens schnell und einfach erzeugt werden kann und insbesondere einfach an unterschiedliche Wärmeübertrager angepasst werden kann. Hierzu muss lediglich das Formwerkzeug für die Erzeugung des angespritzten Rohrbodens des Sammelkastens angepasst werden. Der Rohrboden des Sammelkasten beziehungsweise der Sammelkasten oder der Wärmeübertrager kann daher auf einfache Weise in einer hohen Variantenvielfalt erzeugt werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn zwischen dem Wärmeübertragungsblock und dem Rohrboden des Sammelkastens ein Distanzelement angeordnet ist. Dieses erfüllt hauptsächlich eine Trennungsfunktion und eine Schutzfunktion. Durch das Distanzelement wird vorteilhafterweise verhindert, dass der Kunststoff des Rohrbodens des Sammelkastens zwischen die Wellrippenelemente dringt und diese beschädigt. Außerdem wird der Wärmeübertragungsblock durch das Distanzelement vor den hohen Drücken geschützt, die beim Anspritzen des Kunststoffs entstehen können und insbesondere die teilweise dünnwandigen Rohre und ebenfalls sehr dünnwandigen die Wellrippenelemente beschädigen könnten.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Distanzelement durch ein Lochblech gebildet ist, welches Aussparungen aufweist, die mit den Rohren im Wärmeübertragungsblock derart korrespondieren, dass diese passgenau durch die Aussparungen ragen.
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Eine Ausbildung des Distanzelementes als Lochblech ist besonders vorteilhaft, da auf diese Weise einerseits die Rohre mit einem ihrer Endbereiche durch das Distanzelement geführt werden können, während die Wellrippenelemente ansonsten von dem Distanzelement überdeckt werden. Damit kann auf einfache Weise der Sammelkasten an den Wärmeübertragungsblock angespritzt werden, ohne dabei die Wellrippenelemente zu beschädigen.
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Die Aussparungen des Distanzelementes sind bevorzugt mit nur geringem Spiel gegenüber den Rohren ausgebildet, um einen möglichst passgenauen Sitz der Rohre in dem Distanzelement zu ermöglichen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um zu verhindern, dass während des Anspritzens des Rohrbodens des Sammelkastens Kunststoff zwischen den Rohren und den Aussparungen hindurch dringt und dadurch die Wellrippenelemente beschädigt werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Rohrboden des Sammelkastens an den Wärmeübertragungsblock mit einem Kunststoff-Spritzverfahren angespritzt ist. Ein Kunststoff-Spritzverfahren ist besonders vorteilhaft für die Erzeugung des Rohrbodens des Sammelkastens, da es einerseits eine hohe Formgebungsfreiheit ermöglicht und andererseits die Erzeugung eines Sammelkastens mit einer ausreichend hohen Druckfestigkeit ermöglicht.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Rohre endseitig eine zumindest teilweise umlaufende Kerbe aufweisen und/oder endseitig aufgeraut sind.
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Eine zumindest teilweise umlaufende Kerbe und/oder ein oberflächenvorbehandelter und/oder beschichteter, wie beispielsweise auch aufgerauter, Endbereich sind vorteilhaft, um eine bessere Verbindung zwischen den Rohren und dem angespritzten Rohrboden des Sammelkastens zu erzeugen. Die Kerbe kann eine Kante ausbilden, welche von einem Teilbereich des Rohrbodens des Sammelkastens hintergriffen wird, wodurch die Verbindung verbessert wird. Durch eine Rauheit am Rohrendbereich kann die Verzahnung zwischen dem Kunststoff des Rohrbodens des Sammelkastens und den Rohren verbessert werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeübertrager zwei Sammelkästen aufweist, wobei die Rohre jeweils endseitig in einen der Sammelkästen münden und fluiddicht mit diesem verbunden sind, wobei zwischen jedem der Sammelkästen und dem Wärmeübertragungsblock ein Distanzelement angeordnet ist.
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Besonders vorteilhaft ist ein Wärmeübertrager mit zwei sich gegenüberliegenden Sammelkästen, welche fluidtechnisch durch die Rohre des Wärmeübertragungsblockes miteinander verbunden sind. Der Wärmeübertrager kann dadurch konventionell von einem Sammelkasten durch die Rohre zum gegenüberliegenden Sammelkasten durchströmt werden. Je nach Ausgestaltung der Sammelkästen kann auf diese Weise auch eine einfache oder mehrfache Umlenkung des durch den Wärmeübertrager strömenden Fluids erreicht werden, wodurch unterschiedliche Durchströmungsprinzipien erzeugt werden können. Die unterschiedlichen Durchströmungsprinzipien entsprechen dabei im Wesentlichen den Durchströmungsprinzipien der Wärmeübertrager konventioneller Bauart.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn das Distanzelement auf der dem Wärmübertragungsblock abgewandten Seite mit Kunststoff, welcher den Rohrboden des Sammelkastens bildet, überspritzt ist, wobei die Rohre mit dem angespritzten Rohrboden des Sammelkastens stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden sind.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Sammelkasten allseitig durch den angespritzten Kunststoff begrenzt wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Distanzelement nicht fluiddicht mit den Rohren verbunden ist. Das Distanzelement bildet somit eine Fläche aus, an welche der Rohrboden des Sammelkastens angespritzt wird. Der Rohrboden des Sammelkasten ist dabei jedoch bevorzugt mit den durch das Distanzelement ragenden Rohrabschnitten verbunden, wodurch der Rohrboden des Sammelkastens direkt an den Wärmeübertragungsblock angebunden ist und die Rohre fluiddicht mit dem Rohrboden des Sammelkastens verbunden sind. Je nach Ausgestaltung der Rohre und/oder des Rohrbodens des Sammelkastens kann dabei eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den Rohren und dem Rohrboden des Sammelkastens erzeugt werden.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Distanzelement eine Verstärkung des dem Wärmeübertragungsblock zugewandten Bodenbereichs des Sammelkastens bildet, wobei das Distanzelement formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Sammelkasten verbunden ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Distanzelement, welches beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet sein kann, eine Verstärkung des dem Wärmeübertragungsblock zugewandten Bodenbereichs des Sammelkastens bilden. Dies erhöht die Stabilität des Sammelkastens und somit auch die Dauerhaltbarkeit des Wärmeübertragers. Das Distanzelement kann hierzu beispielsweise Absätze, Kanten oder aufgeraute Bereiche aufweisen, welche die Verbindung zwischen dem Kunststoff des Sammelkastens und dem Distanzelement verbessern.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Distanzelement mit den Rohren und/oder den Wellrippenelementen verlötet und/oder verschweißt und/oder verklemmt und/oder verklebt ist. Je nach Materialwahl des Distanzelementes kann dieses mit den Rohren und/oder den Wellrippenelementen verbunden werden, wodurch insgesamt die Festigkeit des Wärmeübertragers erhöht werden kann.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, wobei ein Wärmeübertragungsblock aus einer Mehrzahl von zueinander benachbarten Rohren und dazwischen angeordneten Wellrippenelementen erzeugt wird, wobei auf die Rohre endseitig ein Distanzelement aufgelegt wird und der Rohrboden des Sammelkastens an den Wärmeübertragungsblock und/oder das Distanzelement einteilig angespritzt wird.
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Der Wärmeübertragungsblock kann bevorzugt auf konventionelle Weise erzeugt werden, indem die Rohre mit den Wellrippenelementen beispielsweise verlötet werden. Es wird somit ein eigenständiges Bauteil erzeugt, welches gezielt weiterverarbeitet werden kann. Das Auflegen des Distanzelementes ist vorteilhaft, um zu verhindern, dass während des nachfolgenden Anspritzens des Rohrbodens des Sammelkastens eine Beschädigung der Wellrippenelemente durch Kunststoffanteile entstehen kann. Der Rohrboden des Sammelkastens ist vorteilhafterweise derart an den Wärmeübertragungsblock angespritzt, dass eine fluiddichte und druckdichte Verbindung zwischen den durch das Distanzelement durchragenden Rohrenden und dem Inneren des angespritzten Rohrbodens des Sammelkastens erzeugt wird.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Rohre das Distanzelement durch eingeformte passgenaue Aussparungen durchdringen und die Wellrippenelemente durch das Distanzelement vollständig überdeckt sind. Dies ist besonders vorteilhaft, um einen möglichst spielfreien Sitz des Distanzelementes an dem Wärmeübertragungsblock zu erzielen und das Einspritzen von Kunststoff in den von den Wellrippenelementen ausgefüllten Bereich zu vermeiden.
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Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn der Rohrboden des Sammelkasten an die durch das Distanzelement durchragenden Rohre angespritzt wird, wobei der Rohrboden des Sammelkasten mit den durchragenden Abschnitten der Rohre und/oder dem Distanzelement stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden wird.
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Dies ist besonders vorteilhaft, da gerade zwischen den Rohren und dem Rohrboden des Sammelkastens eine fluiddichte und druckdichte Verbindung erzeugt werden muss, um die Funktionalität des Wärmeübertragers zu gewährleisten. Die Wellrippenelemente sind regelmäßig sehr feingliedrig ausgebildet, wodurch sie insbesondere gegenüber mechanischen Beeinträchtigungen sehr anfällig sind. Die Verbindung des Rohrbodens des Sammelkastens mit dem Wärmeübertragungsblock sollte daher vorzugsweise nicht über die Wellrippenelemente erzeugt werden.
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Der Sammelkasten wird durch Verbinden eines Rohrbodens des Sammelkastens mit einem Deckel des Sammelkastens gebildet bzw. verschlossen. Dabei können der Rohrboden und der Deckel getrennt hergestellt und miteinander verbunden sein oder sie können gemeinsam durch Spritzgießen hergestellt sein.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Schnittansicht durch einen Endbereich eines Wärmübertragungsblocks, wobei die Rohre in einen an den Wärmeübertragungsblock angespritzten Rohrboden des Sammelkastens münden und zwischen dem Rohrboden des Sammelkastens und den Wellrippenelementen ein Distanzelement angeordnet ist, und
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2 eine Aufsicht auf ein Distanzelement, wie es in der 1 zur Beabstandung des Rohrbodens des Sammelkastens von den Wellrippenelementen verwendet wurde.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine Schnittansicht durch einen Wärmeübertrager 1. Der Wärmeübertrager 1 weist einen Wärmeübertragungsblock 7 auf, welcher durch eine Mehrzahl von Rohren 2 und dazwischen angeordneten Wellrippenelementen 3 gebildet ist. Der Wärmeübertragungsblock 7 ist von konventioneller Bauart, wobei die Rohre 2 parallel zueinander und beabstandet zueinander angeordnet sind. In den Zwischenräumen zwischen den Rohren 2 sind die Wellrippenelemente 3 angeordnet und stehen in thermisch leitendem Kontakt mit den Rohren 2.
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Die Rohre 2 weisen eine längere Erstreckung auf als die Wellrippenelemente 3, daher stehen die Wellrippenelemente 3 seitlich aus dem Wärmeübertragungsblock 7 hinaus. Auf die überstehenden Rohre 2 ist ein Distanzelement 4 aufgelegt, welches eine Mehrzahl von Aussparungen 6 aufweist. Die Rohre 2 ragen durch die Aussparungen 6 hindurch. Die Querschnitte der Aussparungen 6 sind an die Querschnitte der Rohre 2 angepasst, wodurch ein spielfreier Sitz des Distanzelementes 4 an den Rohren 2 erreicht wird. Das Distanzelement 4 beziehungsweise die Aussparungen 6 ist/sind an die Anordnung der Rohre 2 innerhalb des Wärmeübertragungsblocks 7 angepasst.
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An das Distanzelement 4 ist ein Sammelkasten 5 mit einem Rohrboden 8 angeschlossen, welcher durch ein Spritzverfahren erzeugt ist. Der Rohrboden 8 des Sammelkastens 5 ist direkt an den Wärmeübertragungsblock 7 angespritzt. Der Rohrboden 8 des Sammelkastens 5 ist um die durch das Distanzelement 4 hindurchragenden Abschnitte der Rohre 2 gespritzt, wodurch je nach Ausgestaltung der Rohre 2 eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird.
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Das Distanzelement 4 kann ebenfalls vollständig oder teilweise von dem Kunststoff des Rohrbodens 8 des Sammelkastens 5 umspritzt sein, wodurch ebenfalls eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird. Das Distanzelement 4 kann entweder nur auf die Rohre 2 des Wärmeübertragungsblocks aufgesteckt sein oder mit den Rohren 2 und/oder den Wellrippenelementen 3 verbunden sein. Dies kann unter anderem durch konventionelle Fügeverfahren, wie Schweißen oder Löten, erreicht werden.
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Hauptaufgabe des Distanzelementes 4 ist es zu verhindern, dass während des Spritzvorgangs, in welchem der Sammelkasten 5 oder der Rohrboden 8 des Sammelkastens 5 ausgebildet wird, Kunststoff in den Bereich der Wellrippenelemente 3 dringt und dort für eine Beschädigung oder Verstopfung der Wellrippenelemente 3 sorgt. Dabei kann bei einer separaten Ausbildung des Rohrbodens 8 dieser mit einem Deckel zum Sammelkasten 5 zusammen gefügt werden.
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Der Sammelkasten 5 ist in 1 als quaderförmiger Körper dargestellt, welcher die endseitigen Bereiche der Rohre 2 des Wärmeübertragungsblocks 7 aufnimmt. In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Rohrboden 8 des Sammelkastens 5 und auch der Sammelkasten 5 auch andere Formen annehmen. Insbesondere ist die Formgebung des Rohrbodens 8 und des Sammelkastens 5 an den geplanten Einsatzzweck anzupassen. Der Sammelkasten 5 kann im Inneren durch einen einzigen Abschnitt gebildet sein oder durch Trennwände, welche während des Spritzvorganges miterzeugt werden, in mehrere Abschnitte unterteilt sein.
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Eine Veränderung der Form des Sammelkastens 5 und/oder des Rohrbodens 8 kann durch eine einfache Beeinflussung des zum Spritzen des Kunststoffs verwendeten Werkzeugs erreicht werden. Durch die Verwendung eines geeigneten Werkzeugs und des Distanzelementes 4 kann ein funktionsfähiger Wärmeübertrager 1 erzeugt werden, der insbesondere ohne Beschädigungen des Wärmeübertragungsblocks 7 unter bestmöglicher Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums, insbesondere im Bereich des Wärmeübertragungsblocks 7, erzeugt werden kann. Weiterhin sind aufwändige Abdichtarbeiten und zusätzliche Dichtungselemente nicht notwendig, da der Rohrboden 8 des Sammelkastens 5 einteilig ausgebildet ist. Durch die Verwendung von geeigneten Kunststoffen kann eine ausreichende und zufriedenstellende Dauerhaltbarkeit erzeugt werden.
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Die 2 zeigt eine Aufsicht auf ein Distanzelement 4. Das Distanzelement 4 weist eine rechteckige plattenförmige Form auf. Entlang des Distanzelementes 4 sind mehrere Aussparungen 6 angeordnet, welche zum Durchführen der Endbereiche der Rohre 2 dienen. Die Aussparungen 6 sind, wie bereits erwähnt, an die Anordnung der Rohre 2 angepasst und weisen einen Querschnitt auf, der mit den Außendurchmessern der Rohre 2 derart korrespondiert, dass ein möglichst geringes Spiel zwischen dem Distanzelement 4 und den Rohren 2 erzeugt wird.
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In der 2 sind durch die Striche 3 die hinter dem Distanzelement 4 angeordneten Wellrippen 3 angedeutet. Das Distanzelement 4 kann aus dem gleichen Material wie die Rohre 2 und die Wellrippen 3 gebildet sein oder ebenfalls aus einem Kunststoff, wie beispielsweise der Rohrboden 8 des Sammelkastens 5.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 sind beispielshaft und erläutern den Erfindungsgedanken. Sie weisen insbesondere hinsichtlich der Formgebung, der Materialwahl und der Ausgestaltung der einzelnen Elemente keinen beschränkenden Charakter auf. Insbesondere der Wärmeübertragungsblock 7 kann in vielfältiger Weise abweichend von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein, indem die Rohre und/oder die Wellrippen abweichend gestaltet sind und die Anordnung relativ zueinander abweichend ist.
