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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit Rohren und dazwischen angeordneten Wellrippen mit geraden Flanken und jeweils eine Wölbung aufweisenden Wellentälern und Wellenbergen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2006 035 209 A1 ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager mit Rohren und dazwischen angeordneten Wellrippen bekannt, die Wellenberge und Wellentäler sowie dazwischen angeordnete Flanken aufweisen, wobei die Flanken mit aus deren Ebenen herausgestellten Schnitten ausgestattet sind. Die Flanken gehen dabei über eine Biegekante in die Wellenberge bzw. Wellentäler über, wobei diese Biegekanten geschwächt ausgebildet sind, so dass die bei der Biegung sich einstellende Rückfederung reduziert wird. Hierdurch soll ein Wärmeübertrager mit verbesserter Effizienz bereitgestellt werden können.
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Aus der
DE 201 18 511 U1 ist ein Wärmetauschernetz und ein damit ausgestatteter Wärmeübertrager bekannt, wobei das Wärmetauschernetz eine Mehrzahl von Flachrohren und zwischen den Flachrohren angeordneten, in wärmeleitendem Kontakt mit diesen befindlichen Lamellen besitzt und wobei der wärmeleitende Kontakt allein durch gegenseitige Verspannung der Flachrohre und Lamellen hergestellt wird. Die Lamellen sind dabei in Richtung der Verspannung elastisch verformbar, wodurch ein Montageaufwand reduziert werden soll.
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Um bei Wärmeübertragern eine möglichst hohe Leistung erzielen zu können, werden zwischen einzelnen Rohren solcher Wärmeübertrager in bekannter Weise Wellrippen eingesetzt, die zum verbesserten Wärmeübertrag üblicherweise mit den Rohren verlötet werden. Alternativ zu einer Verlötung ist auch eine Klebeverbindung zum Fixieren der Wellrippen an den Rohren bekannt, wobei bislang die hierfür verwendeten Klebstoffe beispielsweise mit Wärmeleitpartikeln aus Bornitrid oder Aluminium bestückt wurden, um die Wärmeleitfähigkeit des Klebstoffs verbessern zu können. Derartige Wärmeleitpartikel wirken sich jedoch nachteilig auf den Preis des Klebstoffes und dessen Verarbeitung aus. Ebenfalls bekannt ist es, ein gelötetes Netz einzukleben, wobei hierzu jedoch zwei Herstellungsverfahren kombiniert werden müssen, was sich gleichfalls negativ auf die Kosten auswirkt.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lötkonstruktionen ist, dass diese darauf ausgelegt sind, Herstellungstoleranzen, die sich beim Zusammenbau ergeben, über die Rohrgeometrie auszugleichen. Dies ist bei einem rein geklebten Wärmeübertrager und beispielsweise bei einer extrudierten Rohrgeometrie jedoch nicht möglich. Aus diesem Grund werden beispielsweise Wellrippen verwendet, die eine derartige Kompensationsfunktion übernehmen können.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einerseits einen Wärmeübertrager schaffen zu können, der geklebt werden kann, und andererseits diesen jedoch vergleichsweise kostengünstig und mit entsprechenden Toleranzkompensationsmöglichkeiten sowie einer hohen Wärmeübertragerleistung auszustatten. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager weist dabei in bekannter Weise Rohre sowie dazwischen angeordnete Wellrippen mit geraden Flanken und jeweils eine Wölbung aufweisenden Wellentälern und Wellenbergen auf. Die Wölbung eines Wellenberges kann dabei alternativ in zwei erfindungsgemäßen Ausführungsformen gestaltet werden. Bei den beiden Alternativen sind die Wellenberge dahingehend optimiert, dass eine Mindestanlage durch eine Federwirkung erzwungen wird, wodurch eine verbesserte Wärmeübertragungsfähigkeit und damit eine Mindestsystemleistung garantiert werden kann. Die Form des Wellenberges einer solchen erfindungsgemäßen Wellrippe ist dabei in bionischer Form an die Form eines menschlichen Fußes angelehnt. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass sich eine druckstabile Rippe bzw. Flanke der Wellrippe ergibt, was ein Ausknicken unter Druckbeaufschlagung vermeidet. Prinzipiell weist die erste alternative Ausführungsform einer Wölbung eines Wellenberges einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der zweite Abschnitt doppelt so lang ist wie der erste Abschnitt und wobei die beiden Abschnitte eine gegenläufige Steigung zwischen 0,1 und 0,5% aufweisen. Dies bedeutet, dass der erste Abschnitt eine positive Steigung von +0,1 bis +0,5% aufweist, während der zweite Abschnitt eine negative Steigung von –0,1 bis –0,5% aufweist. Durch eine derartige Wölbung der Wellenberge der Wellrippe kann einerseits ein erforderlicher Toleranzausgleich erreicht werden und andererseits eine flächige Anlage der Wellrippe an den Rohren, wodurch ein hoher Wärmeübertrag und damit eine hohe Leistung des Wärmeübertragers erzielt werden können. Die Wellentäler sind dabei selbstverständlich entsprechend den Wellenbergen ausgebildet, nur in umgekehrter Form, d.h. beispielsweise durch einen auf Kopf stehenden ersten und zweiten Abschnitt. Der Wellenberg kann somit einem gespiegelten Wellental oder umgekehrt entsprechen.
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Bei der zweiten alternativen Ausführungsform der Wölbung eines Wellenberges weist dieser ebenfalls einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf, die jedoch in diesem Fall gleich lang sind, wobei der erste Abschnitt wieder über einen Hochpunkt in den zweiten Abschnitt übergeht und wobei bei unbelasteten Wellrippen zwischen zwei benachbarten Wellenbergen ein Toleranzabstand a verbleibt, der so dimensioniert ist, dass er bei in den Wärmeübertrager eingebautem Zustand auf null gedrückt wird und dadurch die Wellenberge auf Block aneinander anliegen. Der horizontale Toleranzabstand a zwischen zwei Wellenbergen bzw. zwischen zwei Wellentälern, kann somit voreingestellt einen möglichen vertikalen Federweg bestimmen, da sich nach Ausschöpfen dieses Federweges zwei benachbarte Wellenberge oder zwei Wellentäler kontaktieren und dadurch ein äußerst stabiles Bogentragwerk entsteht. Hierdurch wird zum einen ein Ausknicken der einzelnen Flanken bzw. Wellrippen verhindert und zum anderen eine ausreichende druckstabile Oberfläche geschaffen, um überflüssigen Klebstoff aus dem Spalt zwischen dem Wellenberg bzw. dem Wellental und dem Rohr zu verdrängen. Dies ist insbesondere für einen optimalen Wärmeübertrag wichtig. Die verbleibende Klebstoffschicht wird dadurch auf ein Minimum reduziert bei gleichzeitiger Gewährleistung einer Blasenfreiheit.
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Generell lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager folgende Vorteile erzielen:
- – Ausgleich von Herstellungstoleranzen, die im Zusammenbau des Systems Wellrippe und Rohr ausgeglichen werden müssen, wodurch äußerst dünne Klebeschichtdicken realisierbar sind und dadurch die Leistung des Wärmeübertragers gesteigert werden kann,
- – Vergrößerung einer Anlagefläche der Wellrippe am Rohr und damit ein verbesserter Wärmeübertrag,
- – eine Federwirkung durch den Ausgleich der Herstellungstoleranzen im Zusammenbau und Erzeugen einer gleichmäßigen Klebstoffschicht in einem exakt vordefinierten Bereich,
- – eine Druckstabilität der Wellrippe ohne die Gefahr des Ausknickens bei gleicher Materialstärke,
- – niedrigere Kosten in Bezug auf Energie und Ressourcen sowie die Möglichkeit, Wellrippen und Rohre aus unterschiedlichen Materialien miteinander zu verbinden, da die Klebeschicht elektrisch isolierend ist und dadurch eine Kontaktkorrosion unterbindet,
- – erhebliche CO2-Einsparung bei der Herstellung durch Entfall von Lötöfen und der hierfür benötigten Energie.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung beträgt eine gegenläufige Steigung des ersten und des zweiten Abschnitts ca. 0,3–0,4%. Hierdurch lässt sich ein vergleichsweise flacher Wellenberg bzw. ein vergleichsweise flaches Wellental schaffen, welches einerseits eine flächige und damit gut wärmeübertragende Anbindung an das Rohr ermöglicht und andererseits den gewünschten Toleranzausgleich ermöglicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist auf einer Außenseite der Rohre eine Klebeschicht, insbesondere durch Kaschieren, aufgebracht. Mittels eines derartigen Kaschierens kann somit die Klebeschicht insbesondere in der Art einer Klebefolie oder eines Klebefilms aufgebracht werden, wodurch das Aufbringen der Klebeschicht nicht nur wirtschaftlich, sondern zudem auch qualitativ äußerst hochwertig möglich ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die Wellrippen aus einem gut wärmeleitfähigem Werkstoff, vorzugsweise Aluminium, Kupfer etc. ausgebildet. Hierbei kann auch an eine Materialkombination gedacht werden, da die Klebeschicht isolierend wirkt und damit eine Kontaktkorrosion unterbunden wird.
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Zweckmäßig ist der Wärmeübertrager als Verdampfer, als Motorkühler, als Kondensator, als Ladeluftkühler, als Chiller, als Ölkühler, als Heizkörper oder als PTC-Zuheizer ausgebildet. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltiges Einsatzgebiet sich für die erfindungsgemäßen Wellrippen und auch für den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager bietet.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit Wellrippen gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform,
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2 eine Detaildarstellung der Wellrippe gemäß der ersten alternativen Ausführungsform,
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3 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit Wellrippen gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform,
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4 eine Detaildarstellung der Wellrippen gemäß der zweiten alternativen Ausführungsform.
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Entsprechend den 1 und 3, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1, der beispielsweise als Verdampfer, als Motorkühler, als Kondensator, als Ladeluftkühler, als Chiller, als Ölkühler, als Heizkörper oder als PTC-Zuheizer ausgebildet sein kann, Rohre 2 sowie dazwischen angeordnete Wellrippen 3 mit geraden Flanken 4 und jeweils eine Wölbung 5 aufweisenden Wellentälern 6 und Wellenbergen 7 (vgl. auch die 2 und 4) auf. Die Wellrippen 3 sind dabei über eine Klebeschicht 8 mit den Rohren 2 verklebt. Um nun einen möglichst optimalen Wärmeübertrag zwischen den Wellrippen 3 und den Rohren 2 und zugleich eine mögliche Kompensation von Fertigungstoleranzen erreichen zu können, ist die Wölbung 5 eines Wellenberges 6 erfindungsgemäß entsprechend zweier alternativer Ausführungsformen ausgebildet:
Bei der ersten alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wölbung 5 weist diese einen ersten Abschnitt 9 und einen zweiten Abschnitt 10 auf, wobei der zweite Abschnitt 10 doppelt so lang ist wie der erste Abschnitt 9. Der erste Abschnitt 9 besitzt dabei eine Steigung von 0,1–0,5%, vorzugsweise zwischen +0,3 und +0,4%, während der zweite Abschnitt 10 eine hierzu gegenläufige Steigung von –0,1 bis –0,5%, vorzugsweise von –0,3 bis –0,4% besitzt. Die Höhe der Wölbung 5 bis zum Übergang in die jeweiligen Flanken 4 ist dabei gemäß den 2 und 4 mit M bezeichnet.
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Betrachtet man die zweite alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellrippe 3, so weist deren Wölbung 5 eines Wellenberges 6 (vgl. 4) einen ersten Abschnitt 9 und einen zweiten Abschnitt 10 auf, die dieselbe Länge L aufweisen und demnach gleichlang ausgebildet sind. Bei unbelasteter Wellrippe 3 verbleibt zwischen zwei benachbarten Wellenbergen 5 ein Toleranzabstand a, der derart dimensioniert ist, dass er bei in den Wärmeübertrager 1 eingebautem Zustand auf null geht und dadurch die Wellenberge 6 auf Block aneinander anliegen.
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Der Unterschied zwischen den Wellenbergen 6 und den Wellentälern 7 ist lediglich in einer Spiegelung bezüglich einer Mittelachse 12 zu sehen, so dass die Wellenberge 6 den Wellentälern 7 entsprechen.
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Die Klebeschicht 8 ist dabei auf der Außenseite der Rohre 2 aufgebracht, beispielsweise durch Kaschieren, wodurch eine derartige Klebeschicht 8, beispielsweise in der Art eines Klebefilms oder einer Klebefolie, nicht nur kostengünstig, sondern auch mit geringer Schichtdicke und zuverlässig aufgebracht werden kann. Im Bereich ihrer Wellenberge 6 und ihrer Wellentäler 7 sind dabei die einzelnen Wellrippen 3 mit den jeweils benachbarten Rohren 2 verklebt, wobei die Wellrippen 3 im Bereich ihrer Wellenberge 6 und ihrer Wellentäler 7 vorzugsweise flächig an den Rohren 2 anliegen und dadurch einen guten Wärmeübertrag ermöglichen.
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Die erfindungsgemäßen Wellrippen 3 sind dabei vorzugsweise aus Aluminium und damit einem gut wärmeleitenden Werkstoff ausgebildet. Rein theoretisch ist durch ein Verkleben der Wellrippen 3 mit den Rohren 2 auch eine Kombination unterschiedlicher Werkstoffe dankbar, so dass die Wellrippen 3 aus einem zu den Rohren 2 unterschiedlichem Material ausgebildet werden können, ohne dass die Gefahr einer Kontaktkorrosion besteht.
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Mit den erfindungsgemäß geformten Wellrippen 3 lassen sich besonders leicht Herstellungstoleranzen, die im Zusammenbau des Systems 3 und Rohr 2 entstehen, ausgleichen, wodurch Lufteinschlüsse und höhere Klebeschichtdicken, die isolierend wirken und dadurch eine Minderleistung des geklebten Wärmeübertragers 1 bewirken, vermieden werden können. Durch die bionische Ausführungsform der Wölbungen 5 kann auch eine Vergrößerung der Anlagefläche am Rohr 2 erreicht werden, wodurch ein ebenfalls verbesserter Wärmeübertrag erzielbar ist. Die gemäß der 2 dargestellte Ausführungsform der Wellrippen 3 kann dabei selbstverständlich auch symmetrisch ausgebildet sein und nicht wie im dargestellten Beispiel asymmetrisch.
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Die mit der erfindungsgemäßen Wellrippe 3 erzielbare Federwirkung lässt somit selbst bei geringen Schichtdicken Herstellungstoleranzen vergleichsweise einfach kompensieren. Durch das Auf-Block-Fahren der einzelnen Wellenberge 6 bzw. Wellentäler 7 bei der Wellrippe 3 gemäß den 3 und 4 kann zudem ein besonders stabiles System geschaffen werden, bei welchem ein unerwünschtes Ausknicken der Flanken 4 zuverlässig vermieden werden kann. Durch das Kleben des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 lassen sich darüber hinaus erhebliche Kostenvorteile, insbesondere hinsichtlich eingesetzter Ressourcen und hinsichtlich eingesetzter Energie, insbesondere im Hinblick auf einen Lötprozess, erreichen, wodurch eine CO2-Bilanz deutlich verbessert werden kann.
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Eingesetzt werden kann ein derartiger Wärmeübertrager 1 beispielsweise in einer Brennkraftmaschine 11.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006035209 A1 [0002]
- DE 20118511 U1 [0003]
