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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit Rohren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein zugehöriges Adapterstück.
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Gemeinhin werden Wärmeübertrager für eine Kältemittelanwendung und eine Kühlmittelanwendung auf Basis von Lötkonstruktionen gefertigt. Dies bedeutet jedoch, dass die Lötverbindung gewisse konstruktive Anforderungen erfüllen muss. Für eine klebetechnische Umsetzung des Wärmeübertragers ist die bisherige Verbindung jedoch nicht ausreichend bzw. stellt keine klebefertigungsoptimierte Umsetzung dar. Hierfür wäre es förderlich, eine größere Verbindungsfläche an den Verbindungsstellen zu schaffen. Beim Verbinden von zwei Fügepartnern aus unterschiedlichen Materialien, müssen darüber hinaus Wärmedehnungen berücksichtigt und ausgeglichen werden, wodurch eine Verlötung nur bedingt geeignet ist bzw. hier nur eine gewisse Zeitstandfestigkeit aufweist. Eine Kombination zwischen Metallen und Kunststoffen ist nahezu gänzlich ausgeschlossen.
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Derzeit werden für einen Aufbau eines Wärmeübertragers insbesondere gelötete Rohr-Bodenverbindungen eingesetzt, welche einerseits aus extrudierten Rohren und andererseits aus geschweißten/gelöteten Rohren bestehen kann. Grundsätzlich besteht eine Bodengeometrie dabei aus einer Durchgangsöffnung im Rohrboden, die mit einem Durchzug versehen ist, so dass das Lot hier mittels Kapillarkräfte um die Rohrgeometrie fließen und dadurch eine mediendichte Verbindung herstellen kann. Alternativ kann bei mechanischen Systemen auch ein Vercrimpen bzw. Verstemmen erfolgen, was gleichfalls zu einer mediendichten Verbindung führt. Bei der Verwendung von Klebstoffen in geklebten Wärmeübertragern, wird gemeinhin für eine Rohrbodenvariante eine Vergusstechnik eingesetzt, bei welcher zunächst die einzelnen Rohre in die Durchzüge des Rohrbodens eingesteckt und anschließend vergossen werden. Eine Kompatibilität zwischen Rund- und Flachrohr ist hierbei jedoch nicht gegeben.
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Nachteilig beim Stand der Technik ist, dass bei bisherigen Wärmeübertragern eine entsprechend große Klebefläche zur Umsetzung einer geklebten und zugleich mediendichten Rohr-Bodenverbindung nicht gegeben ist. Bei rein gelöteten Wärmeübertragern hingegen bestehen die großen Nachteile darin, dass mittels einer Verlötung ausschließlich artgleiche Materialien miteinander verbunden werden können, um beispielsweise thermische Längendehnungen aufzunehmen oder diese erst gar nicht entstehen zu lassen. Doch selbst unterschiedliche metallische Materialien lassen sich durch eine Lötverbindung nicht langfristig mediendicht verbinden, da aufgrund des vorliegenden Potentialunterschieds eine Kontaktkorrosion bzw. galvanische Korrosion erfolgt. Auch die Verlötung selbst ist äußerst aufwendig, da zunächst die miteinander zu verlötenden Bauteile entfettet, gestapelt, verspannt und anschließend in einem Lötofen bei ca. 650°C für mehrere Stunden gelötet werden müssen. Eine Dichtigkeitsprüfung kann jedoch erst wiederum nach dem Erkalten erfolgen. Die vergleichsweise lange aufzuwendende Heizenergie ist nicht nur zeit-, kosten- und ressourcenintensiv, sondern wirkt sich zudem auch negativ auf eine CO2-Bilanz aus.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher 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 vermeidet und eine höhere Flexibilität ermöglicht.
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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, bei einem Wärmeübertrager mit Rohren spezielle Adapterstücke vorzusehen, über welche nicht nur unterschiedlichste Rohrgeometrien problemlos in einem Wärmeübertrager eingebaut werden können, sondern zudem auch eine bessere Verbindung eines geklebten Wärmeübertragers erreicht werden kann. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager weist dabei Rohre auf, beispielsweise Flach- oder Rundrohre, wobei erfindungsgemäß hohle Adapterstücke vorgesehen sind, die einenends einen ersten Abschnitt und anderenends einen zweiten Abschnitt aufweisen. Jedes dieser Adapterstücke ist dabei mit seinem ersten Abschnitt mit einem zugehörigen Durchzug eines Rohrbodens oder mit einem ersten Abschnitt eines benachbarten Adapterstücks zur Bildung eines Rohrbodens mittels eines Klebstoffes verklebt. Darüber hinaus ist jedes Adapterstück mit seinem zweiten Abschnitt mit einem zugehörigen Rohr mittels Klebstoff verklebt. Durch das Vorsehen derartiger Adapterstücke ist es insbesondere möglich, eine Verbindungsfläche zwischen beispielsweise dem Rohr und einem Rohrboden durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Adapterstücks zu vergrößern und dadurch die Belastbarkeit zu steigern. Rein theoretisch ist mit derartigen Adapterstücken sogar der Entfall eines solchen Rohrbodens möglich, sofern die jeweiligen ersten Abschnitte der Adapterstücke beispielsweise rechteckförmig ausgebildet sind und durch ein Aneinanderkleben der Adapterstücke ein solcher Rohrboden geschaffen werden kann. Dies bietet die Möglichkeit, den bislang erforderlichen Rohrboden gänzlich zu ersetzen, wodurch sich nicht nur die Teilevielfalt reduziert, sondern zugleich auch ein Montageaufwand und ein Gewicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers. Mittels der Adapterstücke ist darüber hinaus der Ausgleich von Herstellungstoleranzen möglich, die im Zusammenbau (Wellrippe, Rohr und Durchzug) ausgeglichen werden müssen. Durch den Entfall des vergleichsweise energieintensiven Lötprozesses kann der erfindungsgemäße, geklebte Wärmeübertrager auch deutlich umweltschonender und mit einer deutlich besseren CO2-Bilanz hergestellt werden. Von besonderem Vorteil ist darüber hinaus, dass auch unterschiedlichste Materialien, beispielsweise ein Rohrboden aus Stahl mit Rohren aus Aluminium oder Adapterstücken aus Aluminium verbunden werden können, da durch das Verkleben eine elektrisch isolierende Schicht zwischen den miteinander verbundenen Bauteilen entsteht, die eine Kontaktkorrosion bzw. galvanische Korrosion verhindert.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung entsprechend der ersten Alternative ist ein Rohrboden mit Durchzügen vorgesehen, wobei zwischen dem Rohr und dem zugehörigen Durchzug ein Adapterstück angeordnet ist, das einenends einen komplementär zur Innenkontur des zugehörigen Durchzugs ausgebildeten ersten Abschnitt aufweist und anderenends einen komplementär zur Innen- oder Außenkontur des Rohrs ausgebildeten zweiten Abschnitt. Das Adapterstück ist dabei mit seinem ersten Abschnitt mit dem Durchzug im Rohrboden und mit seinem zweiten Abschnitt mit dem Rohr selbst verklebt. Mittels derartiger Adapterstücke können insbesondere die bei der Fertigung stets auftretenden Herstellungstoleranzen vergleichsweise leicht ausgeglichen werden, wobei die zwischen den miteinander verklebten Bauteilen angeordnete Klebstoffschicht zugleich eine materialbedingte, unterschiedliche Längenausdehnung vergleichsweise einfach kompensieren kann, ohne undicht zu werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der erste Abschnitt zumindest eines Adapterstücks einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Sind beispielsweise sämtliche erste Abschnitte der Adapterstücke rechteckig ausgebildet, so können diese über ihre Längsseiten direkt miteinander verklebt und dadurch der Rohrboden hergestellt werden. In diesem Fall kann auf einen separaten Rohrboden gänzlich verzichtet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der zweite Abschnitt zumindest eines Adapterstücks einen im Wesentlichen rechteckigen, runden oder ovalen Querschnitt auf. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch hohe Flexibilität derartige Adapterstücke, je nach Ausbildung ihres zweiten Abschnittes, bieten. So ist beispielsweise auch ein Baukastensystem mit unterschiedlichen Rohren und unterschiedlichen Adapterstücken denkbar, mittels welchen unterschiedliche Wärmeübertragerblöcke bzw. Wärmeübertrager zusammengeklebt werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Klebstoff in der Art einer Klebstoffschicht, insbesondere in der Art eines Klebstofffilms oder einer Klebstofffolie, aufgebracht. Eine Schichtdicke dieser Klebstoffschicht beträgt dabei vorzugsweise zwischen 5 µm und 500 µm. Durch diese vergleichsweise geringe Schichtdicke kann trotzdem ein vergleichsweises hoher Wärmeübertrag erreicht werden, so dass die miteinander verklebten Bauteile keine allzu großen Temperaturunterschiede aufweist. Zur Herstellung der Klebeverbindung ist darüber hinaus lediglich kurzfristig, beispielsweise 10 Minuten, eine Temperatur zwischen 80 und 400 °C erforderlich, was eine deutliche Energieeinsparung zu einem bisherigen Lötprozess darstellt. Das Verbinden der Rohre mit den Adapterstücken bzw. das Verbinden der Adapterstücke miteinander oder mit Durchzügen des Rohrbodens bietet weiter den Vorteil, dass eine derartige Verbindung bei Bedarf einfach und/oder ohne Rückstände der Klebstoffschicht wieder voneinander getrennt werden können. Dies erfolgt vorteilhafterweise dadurch, dass die Klebstoffschicht erneut erhitzt wird, wobei das Erhitzen der Klebstoffschicht derart erfolgt, dass diese von zumindest einem der Bauteile getrennt werden kann. Hierdurch ist auch nach Ablauf der Lebensdauer bzw. der Lebenserwartung des Wärmeübertragers eine verbesserte Recycle-Fähigkeit gegeben.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, das Adapterstück eines solchen Wärmeübertragers mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt auszustatten, wobei diese beiden Abschnitte unterschiedliche Querschnitte aufweisen und dadurch ein Adaptieren von beispielsweise runden Rohren an rechteckige Durchzüge in einem Rohrboden ermöglichen. 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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer zweiten Ausführungsform ohne Rohrboden,
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3 ein erfindungsgemäßes Adapterstück,
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4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Adapterstücks.
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Entsprechend den 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 Rohre 2 auf. Ebenfalls vorgesehen sind hohle Adapterstücke 3 mit jeweils einem ersten Abschnitt 4 und einem am anderen Längsende liegenden zweiten Abschnitt 5. Jedes Adapterstück 3 ist dabei bei dem Wärmetauscher 1 gemäß der 1 mit seinem ersten Abschnitt 4 in einem zugehörigen Durchzug 6 eines Rohrbodens 7 eingesteckt und dort mittels eines Klebstoffs 8 verklebt. Mit seinem zweiten Abschnitt 5 ist jedes Adapterstück 3 mit dem zugehörigen Rohr 2 verklebt, ebenfalls wiederum über einen entsprechenden Klebstoff 8.
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Das Adapterstück 3 weist dabei einenends einen komplementär zur Innenkontur des zugehörigen Durchzuges 6 ausgebildeten ersten Abschnitt 4 auf und anderenends einen komplementär zur Innen- oder Außenkontur des Rohres 2 ausgebildeten zweiten Abschnitt 5. Der zweite Abschnitt 5 des Adapterstücks 3 kann somit das Rohr 2 umgreifen oder aber in dieses eingesteckt sein.
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Betrachtet man die besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung gemäß der 2, so kann man dort erkennen, dass jedes Adapterstück 3 mit seinem ersten Abschnitt 4 mit einem ersten Abschnitt 4 eines benachbarten Adapterstücks 3 zur Bildung eines Rohrbodens mittels eines Klebstoffes 8 direkt verklebt ist. In diesem Fall kann somit der eigentliche Rohrboden 7 gänzlich entfallen, wodurch sich die Teilevielfalt reduziert und die Herstellungskosten ebenfalls verringert werden können. Durch den Entfall des Rohrbodens 7 lässt sich darüber hinaus auch Gewicht einsparen. In diesem Fall müssen selbstverständlich die aneinander anliegenden Flächen der ersten Abschnitte 4 der Adapterstücke 3 derart ausgebildet sein, dass diese flächig aneinander anliegen und darüber verklebt werden können.
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Zwischen den einzelnen Rohren 2 können darüber hinaus Wärmeübertragungselemente 9, beispielsweise Wellrippen, angeordnet sein.
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Betrachtet man die gemäß den 3 und 4 dargestellten Adapterstücke 3, so kann man erkennen, dass deren jeweiliger erster Abschnitt 4 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, wogegen der zweite Abschnitt 5 des gemäß der 3 dargestellten Adapterstücks 3 ebenfalls einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, während das gemäß der 4 dargestellte Adapterstück 3 in seinem zweiten Abschnitt 5 einen runden bzw. ovalen Querschnitt darstellt. Durch das Vorsehen unterschiedlicher Adapterstücke 3 kann somit die Flexibilität hinsichtlich der zu verwendenden Rohre 2 deutlich gesteigert werden, so dass nicht nur, wie bisher üblich, Flachrohre, sondern selbstverständlich auch Rundrohre oder Rohre 2 mit anderem, insbesondere ovalem Querschnitt, verwendet werden können. Die Adapterstücke 3 selbst können dabei aus Aluminium, Stahl oder aus Kunststoff hergestellt werden, da über den Klebstoff 8 eine mediendichte Klebeverbindung auch mit Bauteilen aus einem anderen Material problemlos möglich sind, was bisher bei einem Verlöten, bei welchem ausschließlich artgleiche Materialien miteinander verbunden werden konnten, nicht möglich war.
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Der Klebstoff 8 kann beispielsweise ein Silikon oder ein Epoxidharz aufweisen bzw. sein. Denkbar ist hierbei auch, dass der Klebstoff 8 in der Art einer Klebstoffschicht, insbesondere in der Art eines Klebstofffilms, aufgebracht wird und insbesondere eine Schichtdicke zwischen 5 µm und 500 µm und damit eine äußerst geringe Schichtdicke aufweist.
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Der Klebstoff 8 bzw. die dadurch gebildete Klebstoffschicht trägt zur Strukturfestigkeit bei und ist insbesondere in der Lage, thermisch bedingte Längenänderungen zwischen unterschiedlichen Bauteilen, wie beispielsweise dem Rohrboden 7 und den Rohren 2, aufgrund seiner Elastizität aufzunehmen. Mittels eines derartigen geklebten Wärmeübertragers 1 lässt sich darüber hinaus auch eine deutlich verbesserte CO2-Bilanz erreichen, da kein stundenlanger Lötprozess mit Temperaturen von bis zu 650 °C mehr erforderlich ist. Selbstverständlich können auch die Wellrippen bzw. Wärmeübertragungselemente 9 mit den zuständigen Rohren 2 über eine entsprechende Klebeverbindung verbunden werden, ebenso wie ein Deckel 10 und/oder ein Gehäuse 11. Eingesetzt werden können derartige Adapterstücke 3 insbesondere in Wärmeübertragern 1, die beispielsweise als Verdampfer ausgebildet sind, als Ölkühler, als Heizkörper, als Motorkühler, als PTC-Zuheizer, als Ladeluftkühler, als Chiller oder als Kondensator.
