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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher oder -überträger sowie Verfahren zur Herstellung und zum Zusammenbau eines Wärmetauschers, und insbesondere einen Luftstrom-Wärmetauscher, welcher sowohl mit einem Lötverfahren in kontrollierter Atmosphäre (CAB = controlled atmospheric brazing) als auch mit Hilfe eines mechanischen Montageverfahrens (MA = mechanical assembly) zusammengebaut ist.
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Stand der Technik
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Im Allgemeinen werden Kraftfahrzeuge mit einem Motorkühlsystem ausgestattet, welches einen Wärmetauscher, gewöhnlich als Kühler bezeichnet, umfasst. Bei laufendem Motor wird Wärme vom Motor auf ein durch diesen fließendes Kühlmittel übertragen. Das Kühlmittel fließt anschließend vom Motor durch eine Reihe von Leitungen zum Wärmetauscher, an welchem die Wärme vom Kühlmittel an die von außen durchströmende Kühlluft abgegeben wird. Dieser Vorgang wiederholt sich kontinuierlich und kühlt dabei den Motor.
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Wärmetauscher werden ebenfalls in Zwischenkühlern von Turboladern und Verdichtern eingesetzt sowie für die ergänzende Kühlung von Bauteilen zur Stromversorgung in elektrischen Fahrzeugen.
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Ein Wärmetauscher umfasst im Allgemeinen eine Reihe von parallelen Rohren, welche den als Matrix bezeichneten Wärmetauschabschnitt bilden und an ihren Enden jeweils in eine als Kollektor bezeichnete Kammer münden. Ein flüssiges Kühlmittel fließt durch einen Zulauf in einen der Kollektoren und wird von dort durch die parallelen Rohre zum anderen Kollektor transportiert, aus welchem es durch einen Auslass ausfließt. Eine zwischen den Rohren durchströmende Luftströmung bewirkt dabei die Ableitung (Dissipation) der im Kühlmittel enthaltenen Wärme. Um die Oberfläche der Matrix und somit ihre Fähigkeit zur Wärmeableitung zu erhöhen, werden die Rohre gewöhnlich durch eine Reihe von Rippen verbunden, die sich entweder parallel zueinander und senkrecht zu den Rohren oder in einer Zickzack-Anordnung zwischen den Rohren erstrecken.
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Während die Kollektoren teilweise oder vollständig aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein können, besteht die Matrix des Wärmetauschers aus Metall, beispielsweise einer Aluminiumlegierung. Der Kollektor weist eine Bodenplatte auf, welche ebenfalls gewöhnlich aus Metall besteht und an deren Enden die Rohre angeschlossen sind. Die Seitenwände der Kollektoren können aus Metall bestehen, wobei diese allerdings aus Kostengründen mittlerweile häufig aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sind, welches an der metallischen Bodenplatte beispielweise durch Sicken im Metall befestigt wird. Dabei wird zudem eine Dichtung, beispielsweise eine biegsame komprimierbare Ringdichtung, vorgesehen, welche sich um die Verbindungsstelle zwischen der Bodenplatte und den Seitenwänden des Kollektors herum erstreckt und für die nötige Abdichtung im unter Druck stehenden Kühlmittelkreislauf sorgt.
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Zur Herstellung derartiger Wärmetauscher sind zwei Verfahren bekannt. Das erste Verfahren nutzt das auf einem Flussmittel basierende Hochtemperatur-Hartlöten in geregelter Atmosphäre (CAB = cotrolled atmosphere brazing), um die Metallrohre der Matrix mit dem metallischen Teil (Bodenplatte) der Kollektoren zu verbinden. Ein solches CAB-Verfahren wird im Folgenden als „Wärme- und Fügeverfahren“ bezeichnet.
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Das andere bekannte Verfahren zur Herstellung derartiger Wärmetauscher vermeidet das Verschweißen oder Verlöten benachbarter Metallbauteile und setzt stattdessen auf einen mechanischen Zusammenbau (MA = mechanical assembly) der Matrix und der Kollektoren. In der vorliegenden Beschreibung werden derartige ohne Verschweißen oder Verlöten hergestellte Verbindungen als „mechanische Verbindungen“ oder „mechanisch verbunden“ bezeichnet. Benachbarte Bauteile werden dabei mechanisch durch getrennte Kontaktbauteile zusammengehalten, die nicht anderweitig miteinander verbunden sind.
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Beim CAB-Prozess werden Flachrohre aus Metall mit Hilfe von Metallrippen beabstandet, welche sich über den Zwischenraum zwischen den Rohren erstrecken, im Allgemeinen in einem Zickzack-Muster. Bei vielen CAB-Wärmetauschern umfassen die Rohre jeweils einen einzelnen Kanal oder alternativ ein Paar nebeneinander angeordneter Einzelkanäle, welche durch eine sich in Längsrichtung erstreckende Trennwand getrennt sind und somit einen Doppelkanal bilden. Die Rohre sind im Allgemeinen länglich und im Wesentlichen rechteckig im Querschnitt, und umfassen zwei gegenüberliegende im Wesentlichen flache Seitenflächen sowie zwei gegenüberliegende gekrümmte kurze Seitenflächen oder -enden. Die Rippen werden an den langen Seitenflächen angelötet und erstrecken sich nicht über die Begrenzung der kurzen Seiten. Die jeweiligen Rohrenden werden in Durchbrüche in den metallischen Bodenplatten der Kollektoren gesteckt, wobei das Spaltmaß zwischen den benachbarten Metallbauteilen unter etwa 0,15 mm gehalten wird, so dass die Spalte mit Lötpaste abgedichtet werden können und beim Passieren des Lötofens somit eine Lötverbindung zwischen den Bauteilen, d.h. dem Rohr und der Bodenplatte des Kollektors, hergestellt wird. Die Metallbauteile sind vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit bereit zu stellen.
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Beim MA-Verfahren werden sowohl Rippen und Rohre als auch die Kollektoren durch eine kraftschlüssige bzw. mechanische Verbindung zusammengehalten. Die Rippen erstrecken sich stets unter rechtem Winkel zu den Rohren, anstatt wie bei Einsatz des CAB-Verfahrens so gefaltet oder gewellt zu sein, dass sie sich entlang der Rohre erstrecken, und haben daher Öffnungen, durch welche die Rohre durchtreten. In dieser Anordnung sind die Rippen eng benachbart und parallel angeordnet und erstrecken sich gewöhnlich zwischen der Vorder- und Rückseite der Matrix. Die Rohre besitzen einen kreisförmigen Querschnitt und haben zunächst einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser der Rippenöffnungen, durch welche die Rohre eingesetzt werden. Alle Metallbauteile sind bevorzugt aus Aluminiumlegierung, um eine hohe thermische Leitfähigkeit bereit zu stellen. Ein „Projektil“ genanntes Werkzeug, dessen Durchmesser größer ist als der anfängliche Innendurchmesser der Rohre, wird in das Innere jedes Rohrs getrieben, um es aufzuweiten und so gegen die Öffnungen in den Rippen zu pressen. So werden die Rippen mit Hilfe einer mechanischen Verbindung an den Rohren befestigt. Die Bodenplatten jedes Kollektors besitzen ebenfalls Öffnungen für die Rohrenden, wobei die Öffnungen ausreichend Platz für Dichtungselemente aus Kunststoff oder Gummi, welche zwischen das Metallmaterial der Rohre und die Bodenplatten eingesetzt werden, lassen. Dabei ist eine Anzahl von Methoden bekannt, um die Dichtung dicht zu machen, beispielsweise der Einsatz eines konischen Werkzeugs, das in die Rohrenden eingepresst wird, um sie mechanisch aufzuweiten und dadurch die Dichtung zusammenzudrücken.
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Jedes Verfahren hat gewisse Vorteile und Nachteile gegenüber dem anderen. So stellen Wärmetauscher, die mit Hilfe des CAB-Verfahrens zusammengebaut wurden, für eine gegebene Wärmetauschergröße eine höhere Wärmeübertragungsfähigkeit bereit und sind außerdem aufgrund der verwendeten Flachrohre, die sich zwischen der Vorder- und Rückseite des Wärmetauschers erstrecken, mechanisch robuster, da so die Rippen geschützt werden. Ein zu beachtender Nachteil ist allerdings, dass das Lötverfahren lange Durchlaufzeiten durch einen teuren Lötofen benötigt. Darüber hinaus unterliegen die Kühlerrohre während des Betriebs des Motors und des Kühlsystems einer thermischen Wechselbeanspruchung (Anstieg und Fall der Temperatur der Bauteile des Wärmetauschers), was zu Belastungen führt, da sich benachbarte Rohre unterschiedlich ausdehnen können und so auf ein gegebenes Rohr von benachbarten Rohren axiale Belastungen ausgeübt werden.
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Um nämlich die Wärmeübertragungsleistung zu erhöhen, werden die Rohre so nebeneinander angeordnet, dass sich die Oberflächen benachbarter Rohre gegenüber liegen und zwischen den Rohren einen Raum für die Rippen bilden, durch welchen kühle Luft von außen strömen kann. Diese Geometrie der Rohre ist zwar insofern vorteilhaft, als dass sie eine relativ große Oberfläche bildet, über welche Kühlluft streichen kann, ohne dabei den Luftstrom durch den Wärmetauscher zu sehr zu behindern. Andererseits sind aber derartige Arten von Kollektor/Rohr-Kombinationen aufgrund der Spannungskonzentrationen entlang der Kollektor/RohrVerbindungen, insbesondere um die Rohrenden herum und dort wo die Rohrwände stark gekrümmt sind, störanfällig, denn die Wärmeausdehnung des Wärmetauschers ist im Betrieb im Allgemeinen nicht gleichmäßig, so dass sich in gewissen Teilen des Wärmetauschers abhängig vom Muster des Kühlmittelflusses Risse bilden können, welche zu Leckagen und einem vorzeitigen Versagen des Wärmetauschers führen.
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Das MA-Verfahren vermeidet den Einsatz eines kostenintensiven Lötofens und kann daher eingesetzt werden, um weniger teure Wärmetauscher herzustellen. Da die Verbindungen zwischen den Rohrenden und den Kollektoren mechanischer Art sind, können die Druckverbindungen so konzipiert sein, dass sie eine gewisse Längsbewegung zwischen den Rohren und den Kollektoren, die aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen beim Erwärmen bzw. Abkühlen des Wärmetauschers auftreten, erlauben. Ein vollständig mechanisch zusammengebauter Wärmetauscher verringert oder beseitigt daher im Wesentlichen die thermischen Spannungen zwischen den Komponenten des Wärmetauschers, so dass die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Wärmetauschers erhöht werden. Solche Wärmetauscher sind jedoch für eine gegebene Größe weniger effizient bei der Wärmeübertragung, so dass mechanisch verbundene Wärmetauscher größer sein müssen, um die gleiche Wärmeübertragungsleistung bereit zu stellen wie ein CAB-Wärmetauscher gegebener Größe. Außerdem muss für einen solchen größeren MA-Wärmetauscher mehr Bauraum vorgesehen werden.
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Darüber hinaus sind bei einem mit dem MA-Verfahren zusammengebauten Wärmetauscher die Rippen, welche sich parallel zueinander von der Vorder- zur Rückseite der kreisförmigen Kühlerrohre erstrecken, ebenfalls weniger robust als die in einer Zickzack-Anordnung zwischen die abgeflachten Rohre eingebauten Rippen eines mit Hilfe des CAB-Verfahrens hergestellten Wärmetauschers. Hier sind nämlich die Rippen notwendigerweise dünn, ca. 0,1 mm dick, um die Wärmeübertragungsleistung zu maximieren; solche Rippen werden aber schon durch Fingerdruck leicht verformt. Da jede Beschädigung die Strömung der Kühlluft durch den Wärmetauscher verringert und bei einem Kraftfahrzeugkühler außerdem Steine oder Split den Kühler treffen können, vermindert dieser kumulierte Schaden die Kühlleistung der Matrix.
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Um die Vorteile beider Verfahren zu nutzen, wurde in der
DE 10 2015 113 905 A1 vorgeschlagen, die Rohre und Rippen zu verlöten und anschließend die Rohrenden in die Durchbrüche der Kollektoren einzusetzen und unter Einfügen einer Dichtung mechanisch mit den Bodenplatten der Kollektoren zu verbinden. Allerdings hat sich gezeigt, dass die Rohrwände - vor allem beim Einsatz von Flachrohren, die eine hohe Wärmetauscheffizienz besitzen - nach dem Lötvorgang weich sind und einerseits leicht verbogen werden, was die Rippenstruktur beschädigen kann, und andererseits beim Montageschritt des Umformens der Rohrenden zum Einreißen neigen, also eine mechanische Verbindung mit den Kollektoren, zum Beispiel durch Aufweiten der Rohrenden, im Vergleich zu MA-Kühlern mit ihren dickeren Rohrwänden äußerst schwierig ist.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher sowie ein Verfahren zur Herstellung und zum Zusammenbau eines Wärmetauschers bereit zu stellen, welche einen besonders stabilen Wärmetauscher schaffen.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen sowie mit einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers mit den in Anspruch 8 definierten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Demzufolge weist zumindest ein Rohr zumindest ein Verstärkungselement auf. Für ein derartiges Verstärkungselement hat sich herausgestellt, dass es die Stabilität des Rohres deutlich erhöht. Hierdurch kann das Rohr wesentlich besser dem Druck widerstehen, der über die zwischen dem Rohr und dem Kollektor angeordnete Dichtung auf das Rohr übertragen wird. Insbesondere nach einem Lötvorgang ist das Material der Rohre, üblicherweise eine Aluminiumlegierung, vergleichsweise weich und kann bei Belastung leicht verbogen werden und/oder reißen. Deshalb werden gemäß der Erfindung die Rohre bevorzugt vor dem Löten und/oder nach dem Einbau in den Kollektor gemäß einer Ausführungsform einer Verformung unterworfen, die das erfindungsgemäße Verstärkungselemente erzeugt. Optional kann hierbei gleichzeitig eine Fixierung der Position des Rohres in dem Kollektor erfolgen.
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Bei ersten Versuchen hat sich herausgestellt, dass ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher eine erheblich verbesserte Thermoschockbeständigkeit aufweist. Diese beruht zum Teil auf der durch die Dichtung zwischen dem Rohr und dem Kollektor geschaffene Möglichkeit, dass das Rohr sich beispielsweise infolge von Temperaturveränderungen ausdehnt oder zusammenzieht.
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In diesem Zusammenhang sei betont, dass durch die Rohre des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sowohl flüssiges Kühlmittel strömen kann, um dieses durch die die Rohre umströmende Luft zu kühlen. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann jedoch ebenso zur Kühlung eines gasförmigen Mediums, wie zum Beispiel Luft eingesetzt werden, das durch die Rohre strömen kann. Wie nachfolgend genauer ausgeführt, kann das in zumindest einem, bevorzugt sämtlichen Rohren vorgesehene Verstärkungselement in unterschiedlichsten Ausgestaltungen vorgesehen sein, wie zum Beispiel ein oder mehrere Rillen oder Trennwände im Inneren des Rohres, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der längeren Achse eines im Querschnitt flach gestalteten Rohres erstrecken, als Einsatz oder (von außen aufgebrachter) Aufsatz am Ende eines Rohres. Schließlich kann eine Wand des Rohres so gebogen sein, dass sie sich im Wesentlichen senkrecht zu der Rohrachse erstreckt.
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Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Bevorzugt ist das Verstärkungselement ausschließlich im Bereich, das heißt beispielsweise einige Milli- oder Zentimeter in Axialrichtung des Rohres vor und/oder nach der Verbindungsstelle zwischen Rohr und Kollektor, insbesondere auf der Seite des Rohres und nicht des Kollektors vorgesehen. In bestimmten Anwendungsfällen ist das Verstärkungselement nur an einem Rohrende vorgesehen Im Hinblick auf die Materialdicke der vorangehend und nachfolgend beschriebenen Verstärkungselemente wird ein Bereich von 0,2 mm bis 1,0 mm bevorzugt. Im Hinblick auf die Länge in Axialrichtung werden für eine Abmessung von 2 mm bis 15 mm günstige Eigenschaften erwartet.
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Die Erfindung entfaltet ihre Vorteile in besonderem Maße bei, im Querschnitt gesehen, flach gestalteten Rohren, die demnach im Querschnitt eine lange und eine kurze Achse aufweisen. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, flache Rohre mit einer langen Achse von mehr als 12 Millimeter mit Kollektoren zu verbinden, ohne dass im Betrieb, wenn seitens der Dichtung Druck aufgebracht wird, eine problematische Verformung des Rohres, insbesondere in Richtung der kurzen Achse, zu befürchten ist. Alternativ oder ergänzend hierzu wird zur Verwirklichung eines besonders effizienten Wärmetauschers bevorzugt, dass die lange Achse bis zu 100 Millimeter lang ist.
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Wie oben bereits angedeutet, kann die erfindungsgemäße Stabilisierung besonders wirksam durch zumindest eine innere Rippe erreicht werden, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der längeren Achse erstreckt. Schließlich ist es für eine Wand des Rohres, insbesondere eine Wand, die parallel zur längeren Achse verläuft, möglich, für Stabilisierung dadurch zu sorgen, dass sie sich im Wesentlichen senkrecht zu der Rohrachse erstreckt, insbesondere in diese Ausrichtung gebogen ist.
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Gleichermaßen kann erfindungsgemäß für Stabilität in dem Rohr dadurch gesorgt werden, dass wenigstens ein Verstärkungselement als Einsatz ausgeführt ist, der insbesondere in dem oben genannten Verbindungsbereich zu dem Kollektor angeordnet ist. Bevorzugt ist der Einsatz zumindest stellenweise mit den Innenwänden des Rohres, beispielsweise durch Löten, das bevorzugt während des Verlötens der Rohre mit dem Kollektor durchgeführt werden kann, verbunden. Die Abmessungen derartiger Einsätze entsprechen im Wesentlichen den Abmessungen der umgeformten oder verformten Rohrenden, wie nachfolgend genauer beschrieben, so dass die Einsätze leicht eingebracht werden können.
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Für eine effiziente Form des Einsatzes, um das Rohr von innen her in einen möglichst großen Bereich abzustützen und zu verstärken, hat sich eine Form des Einsatzes als vorteilhaft erwiesen, die zumindest eine Stufe und/oder zumindest einen Steg aufweist. Alternativ oder ergänzend hierzu ist eine ovale oder runde Form eines Einsatzes denkbar.
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Während die oben beschriebenen Einsätze von der Innenseite her wirken, kann zumindest ein Verstärkungselement auch durch eine Art Kragen oder Aufsatz gebildet werden, der von außen auf das Rohrende aufgebracht wird. Ein derartiger Kragen kann in einem ersten Bereich entlang der Längsachse des Rohres einen Innenquerschnitt aufweisen, der die Aufnahme des Rohrendes ermöglicht, und in einem zweiten, außerhalb des Rohres gelegenen Bereich einen verkleinerten Innenquerschnitt, der jedoch in dem Bereich jenseits des Rohrendes für einen ausreichenden Strömungsquerschnitt sorgt. Ein derartiger Kragen kann mit dem Rohrende wie oben für den Einsatz beschrieben verbunden werden, wobei in diesem Fall der Kragen mit dem Kollektor verlötet wird, und das Rohr mit dem Kragen. Der innere Querschnitt eines derartigen Kragens entspricht im Wesentlichen dem äußeren Querschnitt des Rohres, so dass der Kragen in einfacher Weise an das Rohr angebracht werden kann.
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Allgemein wird derzeit bevorzugt, zumindest ein Verstärkungselement mit dem Rohr zu verlöten, was eine effiziente Herstellung dadurch ermöglicht, dass diese mit dem Verlöten des Rohres mit dem Kollektor in einem einzigen Arbeitsschritt vorgenommen werden kann.
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Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das im Anspruch 8 beschriebene Verfahren, und es sei betont, dass sämtliche vorangehend und nachfolgend lediglich für den Wärmetauscher angegebenen Merkmale und Details auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar sind und umgekehrt. Ferner sind sämtliche Details aus der obigen Schilderung des Standes der Technik sowohl auf den Wärmetauscher als auch das Herstellungsverfahren anwendbar.
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Demnach kann es in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft sein, wenigstens eine innere Rippe als Verstärkungselement integral, insbesondere einstückig mit dem Rohr auszubilden.
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Wenngleich vorangehend angedeutet wurde, dass zumindest ein Verstärkungselement mit dem Rohr während des Verlötens des Rohres mit dem Kollektor verlötet wird, kann dieses Verlöten auch vor oder nach dem beschriebenen Schritt vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass das Rohr typischerweise, wenn überhaupt, nur an einer Seite mit dem Kollektor verlötet wird. Mit anderen Worten wird das Rohr an wenigstens einer Seite an dem Kollektor mittels der dazwischen angeordneten Dichtung befestigt, deren Elastizität für die Anbringung genutzt wird. Es ist ferner anzumerken, dass zumindest ein Verstärkungselement an das Rohr zusammen mit dem Löten des Rohres an Rippen, Finnen oder Abstandshalter, die zwischen Rohren angeordnet sind, gelötet werden kann.
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Im Hinblick auf die Herstellung zumindest eines Verstärkungselements wird derzeit bevorzugt, dieses, beispielsweise im Falle eines Einsatzes, durch Extrusion und/oder beispielsweise im Falle einer Wand des Rohres, durch Biegen herzustellen. Der beschriebene Kragen kann extrudiert und gebogen sein.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Wesentliche Teile eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer perspektiven Ansicht;
- 2 bis 10 jeweils das Ende eines Rohres des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verstärkungselements.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 sind mit zahlreichen im Querschnitt flachen Rohren 12 und den beiden Bodenplatten 14 der an den Enden der Rohre angeordneten Kollektoren wesentliche Elemente des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10 gezeigt. Wie in 1 zu erkennen ist, sind die flachen Rohre 12 im Einbauzustand typischerweise horizontal und parallel zueinander ausgerichtet, und zwischen den Rohren 12 können beispielsweise wellenförmige Rippen oder Finnen 16 vorgesehen sein, um die Wärmeableitung von den Rohren zu verbessern. Im Hinblick auf die Figuren sei angemerkt, dass die 1, 8, 9 und 10 eine Anwendung zeigen, bei der eine Wärmeübertragung von Ladeluft zu Umgebungsluft erfolgt. Mit anderen Worten wird Umgebungsluft verwendet, um Ladeluft in einem Ladeluftkühler zu kühlen. Im Gegensatz dazu zeigen die 2 bis 7 Rohre in einer Radiatoranwendung, in der Wärme zwischen einem flüssigen Kühlmittel und Umgebungsluft übertragen wird.
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Entsprechend den Querschnittsformen der Rohre weisen die Bodenplatten 14 jeweils Öffnungen auf, in welche die Rohrenden eingefügt sind, wobei zwischen dem Rohrende und der Bodenplatte 14 des Kollektors jeweils ein Abschnitt einer Dichtung angeordnet ist. Die Dichtung entspricht in ihrer Form im Wesentlichen derjenigen der Bodenplatte, d. h. sie weist Öffnungen entsprechend den Öffnungen in der Bodenplatte 14 für die Einführung der Rohre 12 auf. Hierbei ist die Dichtung typischerweise nicht ausschließlich flach, sondern weist einen sich in Richtung der Rohre streckenden umlaufenden Steg, Rand oder Kragen auf, der sich entlang des Umfangs der jeweiligen Öffnung in der Bodenplatte 14 erstreckt, so dass typischerweise um die Außenseite des Rohres umlaufend zwischen dem Rohr und der Öffnung in der Bodenplatte 14 Dichtungsmaterial angeordnet ist. Die Dichtung kann, wie dies in 1 rechts angedeutet ist, von der Seite des Kollektors, also in 1 von rechts in die Bodenplatte eingesetzt sein, oder sie kann von der Seite der Rohre eingesetzt sein. Die Dichtung besteht typischerweise aus elastischem, insbesondere Gummi-Material und ermöglicht demnach in vorteilhafter Weise eine gewisse Verformung und Ausdehnung der in die Bodenplatte montierten Rohre. Da eine derartige Verformung zur Belastung an den Rohrenden führen kann, die zur Rissbildung führen kann, sind erfindungsgemäß Verstärkungselemente vorgesehen, die in 1 rechts in verschiedenen Ausführungsformen bereits angedeutet sind, jedoch nachfolgend genauer beschrieben werden.
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Beispielsweise ist in 2 eine Ausführungsform gezeigt, bei der ein Endbereich des Rohres mit einem Einsatz 18 verstärkt ist, der einen flachen Querschnitt aufweist, der im Wesentlichen den Innenquerschnitt des Rohres 12 entspricht. Zu den Ausführungsformen 2 bis 7 sei erläutert, dass das Rohr im Wesentlichen über den Großteil seiner Längserstreckung, mit anderen Worten zwischen den beiden Bodenplatten 14 gemäß 1, einen ersten, kleineren Querschnitt aufweist, und in seinem Endbereich einen zweiten, größeren Querschnitt. Zur Montage des Rohres in der Bodenplatte 14 ist dieser zweite, größere Bereich in die jeweilige Öffnung in der Bodenplatte gesteckt und beispielsweise mit dieser verlötet. Die in den 2 bis 6 gezeigten Einsätze sind üblicherweise an dem Ende des Bereichs mit großem Querschnitt vorgesehen, so dass sie hier für die notwendige Stabilität sorgen können.
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Die beschriebene Form des Rohres mit ein Bereich größeren und einen Bereich kleineren Querschnitt kann durch Umformen erfolgen, und der jeweilige Einsatz kann nachfolgend eingebracht werden, wobei seine Position durch die Stufe zwischen dem Bereich größeren und Bereich kleineren Querschnitt definiert ist. Auf diese Weise kann an beiden Rohrenden ein Einsatz eingebracht werden. Mit anderen Worten werden die Rohrenden in einem ersten Schritt derart umgeformt, dass ihr Querschnitt höher, jedoch schmaler wird, wie beispielsweise in den 2 bis 4 gezeigt. Mit anderen Worten wird der Querschnitt „ovaler“, kann jedoch eine unveränderte Querschnittsfläche aufweisen. Nach dem beschriebenen Verformen werden die Einsätze in die verformten Enden eingebracht und können später an die Rohre gelötet werden. In diesem Zusammenhang kann das äußerste Ende des Rohres geringfügig verschlossen werden, beispielsweise durch Ausbildung eines sich verjüngenden Abschnitts, wie er in den 2 bis 4 in Richtung des Betrachters der Figuren erkennbar ist, um den jeweils eingebrachten Einsatz an Ort und Stelle zu halten.
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Zu dem in 2 gezeigten Einsatz 18 sei erwähnt, dass dieser einen im Wesentlichen flach rechteckförmigen Querschnitt mit parallelen langen und runden kurzen Seiten und in dem gezeigten Fall zwei zu den langen Seiten senkrechten Stegen 20 aufweist. Insbesondere durch die Stege kann für Stabilität in Richtung der kurzen Achse des flachen Querschnitts, in 2 von oben nach unten, gesorgt werden.
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Dies gilt gleichermaßen für den in 3 gezeigten Einsatz 18, der im Wesentlichen den gleichen Querschnitt wie derjenige von 2 aufweist, jedoch nur einen Steg, der sich durch in dem gezeigten Fall vierfaches Biegen ergibt. Ausgehend von der Oberseite des Einsatzes ist der Einsatz zunächst S-förmig gebogen, so dass sich eine erste Stufe 22 ergibt, die sich parallel zu der langen Seite und an die obere Begrenzung des Einsatzes 18 anliegend erstreckt. Etwa in der Mitte der langen Seite ist eine weitere Biegung um im Wesentlichen 90 Grad vorgesehen, um einen Steg 20 auszubilden, der sich in seinem unteren Bereich mittels einer weiteren Biegung an der Unterseite des Einsatzes abstützt.
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Die Ausführungsform von 4 ist hierzu insofern ähnlich, als die linke Hälfte des Einsatzes 18 der Gestaltung gemäß 3 entspricht mit der Besonderheit, dass der Steg 20.1 im Wesentlichen an einer Stelle entsprechend etwa einem Drittel entlang der Länge der langen Seite (in 4 von links nach rechts) ausgebildet ist. Zur Ausbildung eines weiteren Steges 20.2 ist der Einsatz von seinem unteren Ende erneut derart S-förmig nach oben gebogen, dass sein Ende 24 an der Oberseite des Einsatzes anliegt. Durch die in diesem Fall zwei Stege 20.1 und 20.2 kann in etwa entsprechend der Ausführungsform in 2 für eine besonders gute Stabilität gesorgt werden.
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Dies gilt gleichermaßen für die Ausführungsform von 5, die in dem Rohr in etwa mittig entlang der langen Seite der Rohrquerschnitts einen ovalen Einsatz 18 aufweist, der eine lange Achse hat, die etwa 40 bis 60 Prozent der langen Achse des Rohrquerschnitts ausmachen kann. In 5 ist ergänzend ein Abschnitt der Bodenplatte 14 des Kollektors gezeigt, sowie die zwischen dem Rohrende und der Bodenplatte angeordnete Dichtung 26.
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Der in 5 als Oval dargestellter Einsatz 18 kann auch einen runden Querschnitt aufweisen, wie dies für die Ausführungsform von 6 gezeigt ist, in der an den seitlichen Enden des Rohres jeweils ein runder Einsatz 18 vorgesehen ist. Der Durchmesser jedes runden Einsatzes entspricht in dem gezeigten Fall etwa einem Drittel der Länge der langen Achse des Rohrquerschnitts.
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Während die bislang beschriebenen Ausführungsformen Einsätze in dem Rohr aufweisen, ist in 7 eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Verstärkung zum einen durch Abschnitte des Rohres selbst und zum anderen durch eine Art Kragen 28 erfolgt. Der Kragen entspricht in seiner Gestaltung dem Rohrende gemäß den Ausführungsformen von 2 bis 6 und weist einen ersten, in 7 zu dem Betrachter gerichteten, größeren Querschnitt auf, der das Rohrende aufnehmen kann. Hieran schließt sich, in 7 von dem Betrachter weg und im Einbauzustand zu dem Kollektor gerichteter kleinerer Querschnitt an, der zugleich für eine im Wesentlichen umlaufende Stufe zwischen den beiden Abschnitten unterschiedlichen Querschnitt sorgt, welche die Lage des Rohres bei dessen Einbau in den Kollektor definiert. Bei der Ausführungsform von 7 kann zum einen der Kragen 28 als Verstärkungselement wirken. In 7 ist jedoch die zusätzliche Maßnahme gezeigt, wonach in dem Rohr einstückig mit den Rohrwandungen zwei innere Rippen 30 ausgebildet sind, die sich im Wesentlichen in Richtung der kurzen Achse des Rohrquerschnitts erstrecken. Wie in 7 zu erkennen ist, bedeutet „im Wesentlichen“ in diesem Fall eine Abweichung von bis zu 10 Grad von der genannten Richtung. In dem gezeigten Fall sind die Enden der Rippen um mehr als 90 Grad zurückgebogen, um für eine abgerundete Abstützung an der oberen Innenwand des Rohres zu sorgen. In diesem Zusammenhang bietet das Anbringen des Kragens den Vorteil, dass darüber hinaus ermöglicht wird, die Fuge und/oder den möglichen Zwischenraum an derjenigen Stelle, an der die von der jeweiligen Rohrwandung gebogenen Rippen 30 aufeinander treffen, durch Löten zu schließen, wenn der Kragen an das Rohrende gelötet wird.
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In 8 ist eine der 6 ähnliche Ausführungsform gezeigt, jedoch in diesem Fall mit zahlreichen, nebeneinanderliegenden runden Einsätzen 18 deren aufsummierter Durchmesser im Wesentlichen der Länge der langen Achse des Rohrquerschnitts entspricht, so dass das Rohr über seine gesamte Breite (in 8 von links nach rechts zu erkenne) verstärkt ist. In den 8 bis 10 ist ferner dargestellt, dass das Rohr zusätzlich zu den an den Enden vorgesehenen Einsätzen 18 innere Rippen 30 aufweisen kann.
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In 9 ist der Einsatz gegenüber demjenigen von 4 derart verändert, dass er zahlreiche S- oder Z-förmige Biegungen aufweist, so dass zahlreiche Stege 20 entstehen, und die Bereiche zwischen den Stegen jeweils flächig an der Ober- oder Unterseite anliegen. Von links nach rechts in 9 gilt ein Anliegen an der Unterseite für den Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten, dem dritten und den vierten sowie dem fünften und dem sechsten Steg. Entsprechend liegt der Bereich links von dem ersten, zwischen dem zweiten und dritten, zwischen dem vierten und fünften sowie rechts von dem sechsten Steg an der Oberseite an.
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Ferner ist in den 9 und 10 eine weitere Verstärkungsmaßnahme dahingehend gezeigt, dass ein Abschnitt der oberen bzw. unteren Begrenzung des Rohres beispielsweise durch das eingangs genannte Projektil derart nach oben bzw. unten gebogen ist, dass hier ein stegförmiger Wandabschnitt 32 des Rohres entsteht, der sich im Wesentlichen senkrecht zur Rohrachse erstreckt. Auch diese Maßnahme sorgt, in bestimmten Anwendungsfällen auch ohne einen Einsatz 18, für eine vorteilhafte Verstärkung des Rohrendes.
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Gemäß 10 ist diese Maßnahme mit einem Einsatz ähnlich demjenigen von 2 kombiniert, der, beispielsweise durch Extrusion ausgebildet, zahlreiche Stege 20 aufweist. Diese sind durchgehend einstückig mit der oberen und unteren Begrenzung des Einsatzes ausgebildet, während sie gemäß 9 (sowie 3 und 4) durch geeignetes Biegen eines zunächst flachen Ausgangsmaterials für den Einsatz erzeugt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015113905 A1 [0014]
