DE102017210400A1

DE102017210400A1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102017210400A1
Application number: DE102017210400.7A
Authority: DE
Inventors: Karsten Emrich; Vahid Havaldar; Bernd Krämer; Gaelle Schmidgall
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2018-12-27
Also published as: JP2019007724A; KR20180138553A; US20180372031A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) mit einem Wärmeübertragerblock (2) und einem damit verbundenen Diffusor (3).
Erfindungswesentlich ist dabei,
- dass an einer Oberfläche (5) des Wärmeübertragerblocks (2) zumindest ein Verbindungspin (4) einstückig angeformt ist,
- dass am Diffusor (3) zumindest eine Durchgangsöffnung (12) angeordnet ist, die bei montiertem Wärmeübertrager (1) vom Verbindungspin (4) durchgriffen ist,
- dass der Verbindungspin (4) einen aufgeweiteten Kopf (11) aufweist, über welchen der Diffusor (3) am Wärmeübertragerblock (2) fixiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für einen Ladeluftkühler oder einen Abgaskühler, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Bei Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, wird zunehmend eine Abgasrückführung zur Reduktion der Schadstoffemission eingesetzt, wobei das rückgeführte Abgas, unter dem im Sinne der Erfindung auch ein Abgas-LuftGemisch verstanden wird, notwendig gekühlt werden muss. Grundsätzlich stellen Wärmeübertrager, insbesondere Abgaskühler, hohe Anforderungen an die Temperaturfestigkeit der verwendeten Materialien. Solche Abgaskühler weisen im Allgemeinen neben einen Wärmeübertragerblock Austritts- und/oder Eintrittsdiffusoren und ggf. andere Elemente auf, welche an dem Wärmeübertragerblock, insbesondere mittels Schweißens, Schrauben oder angeschweißten Clips, befestigt werden.
Aus der WO 2008/003486 A1 ist ein Abgaskühler mit einem Gehäuse und darin eingebrachten Tauscherrohren offenbart. Zusätzlich weist der Abgaskühler einen Austrittsdiffusor auf, welcher vor einem Einbau mit einem ersten und zweiten Bodenstück zu einer Einheit verschweißt wird, welche dann in das Gehäuse eingebracht wird. Nach dem Einbringen der Austrittsdiffusoreinheit in das Gehäuse wird ein Eintrittsdiffusor an dem Gehäuse befestigt. Hierzu weist sowohl der Eintrittsdiffusor als auch das Gehäuse jeweils eine Auskragung mit Durchbrechungen auf, durch welche eine Schraube/Mutter-Verbindung bzw. eine Nietverbindung ausgeführt wird.
Die bisher bekannten Verbindungen von Diffusoren oder auch anderen Teilen an den Wärmeübertragerblocks sind jedoch alle aufwendig durchzuführen und somit grundsätzlich zeit- und kostenintensiv in der Herstellung. Dabei ist es grundsätzlich gewünscht, solche Wärmeübertragerblöcke preiswert und einfach aufzubauen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Wärmeübertragerblock derart auszugestalten, dass an ihm zumindest ein oder optional mehrere oder eine Mehrzahl von Verbindungsbolzen einstückig angeformt sind. Der Begriff „einstückig angeformt“ bedeutet in diesem Fall insbesondere, dass die Verbindungsbolzen nicht nachträglich beim Befestigen oder Festlegen weiterer Elemente wie Diffusoren an den Wärmeübertragerblock, z.B. mittels Schweißens, angebracht werden, sondern diese gleichzeitig oder zusammen mit dem Wärmeübertragerblock hergestellt werden. Beispielsweise kann der Verbindungspin an einer Oberfläche eines Gehäuses angeordnet sein, in welchem dann weitere Elemente oder Teile des Wärmeübertragers, z.B. Wärmetauscherrohre eingebracht werden. Mit anderen Worten weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertragerblock an seiner Oberfläche zumindest einen oder eine Mehrzahl von abstehenden Verbindungspins oder Verbindungselementen auf. Am Diffusor ist zumindest eine Durchgangsöffnung angeordnet ist, die bei montiertem Wärmeübertrager vom Verbindungspin durchgriffen ist. Zur Fixierung des Diffusors am Wärmeübertragerblock wird ein freies Ende des Verbindungspins aufgeweitet, insbesondere in der Art eines Nietkopfes. Mittels diesen einstückig angeformten oder integralen Verbindungspins können nachfolgend auf einfache Art und Weise weitere Elemente, wie ein Eingangsdiffusor und/oder ein Ausgangsdiffusor, an dem Wärmeübertragerblock befestigt, festgelegt oder montiert werden. Insbesondere können der oder die Verbindungspins auch bei einem nachfolgenden Befestigen oder Festlegen von weiteren Elementen, wie beispielsweise Diffusoren, als Positionierungshilfe dienen und diese auch ohne abschließende Befestigung schon gegen, beispielsweise laterales, Verrutschen sichern. Auch kann durch das Vorsehen von Verbindungspins möglich sein, Arbeitsschritte, wie das nachträgliche Verwenden von Nieten oder Schrauben oder spezifischer Werkzeuge wie Schraubendreher zur Ausbildung einer Verbindung mit solchen Elementen, einzusparen. Insbesondere kann es auch möglich sein, Taktzeiten beim Herstellen eines Wärmeübertragers zu verringern. Auch kann der einstückig angeformte Verbindungspin ermöglichen, dass die Verbindungen, welche mittels des Verbindungspins ausgebildet werden, dauerhafter ausgebildet werden können als beispielsweise mittels einer Schrauben/Mutter-Verbindung, die sich nach einer gewissen Zeitdauer u.U. lockern. Von besonderem Vorteil ist, dass durch den integral am Wärmeübertragerblock angeordneten Verbindungspin auch die Teilevielfalt und damit die Lager- und Logistikkosten reduziert werden können.
Insbesondere kann die Oberfläche des Wärmeübertragerkörpers und der zumindest eine Verbindungspin aus einem Material oder dem gleichen Material ausgebildet sein. Andererseits können die beiden auch aus unterschiedlichen Materialen ausgebildet werden, so dass Einschränkungen wie diese beispielsweise beim Schweißen gegeben sind, bei dem nur bestimmte Materialen miteinander kombiniert werden können, vermieden oder verringert werden können.
Ferner kann eine Mehrzahl von Verbindungspins an der Oberfläche angeformt sein. Insbesondere können die Verbindungspins an verschiedenen Seiten des Wärmeübertragerblocks angeformt sein. Hierdurch kann es ermöglicht werden, dass nachfolgend eine Mehrzahl von weiteren Elementen an dem Wärmeübertragerblock befestigt oder festgelegt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Wärmeübertragerblock zusammen mit dem zumindest einen Verbindungspin gegossen. Beispielsweise kann zumindest ein Gehäuse in einem Guss gegossen oder geformt werden. Hierdurch kann es ermöglicht werden, dass keine zusätzlichen Teile, wie extra Schrauben, extra Nieten oder Clips, beim Befestigen von zusätzlichen Elementen erforderlich sind. Insbesondere kann der Verbindungspin einfach mit in der (Guss-)Form ausgebildet sein. Somit kann das gleiche Material für den Wärmeübertragerblock und die Verbindungspins verwendet werden. Insgesamt kann bei allen Herstellprozessen des Wärmeübertragerblocks ein einheitliches Material für einen Körper des Wärmeübertragerblocks verwendet werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der zumindest eine Verbindungspin zumindest an seinem freien Ende hohl ausgebildet und damit verformbar. Unter dem Begriff „freies“ oder „distales“ Ende ist insbesondere das Ende des Verbindungspins zu verstehen, das nicht an der Oberfläche des Wärmeübertragerblocks angeformt ist. Unter „verformbar“ ist insbesondere zu verstehen, dass der Verbindungspin in dem Sinne geschwächt ist, dass eine gegenüber dem massiven und/oder ungeschwächten Verbindungspin, erleichterte Verformung möglich ist. Beispielsweise kann das freie Ende hohl ausgeführt sein oder vom freiem Ende aus angebohrt sein und oder eine (Soll)knickstelle kann am Verbindungspin ausgeformt sein. Somit kann es auf einfache Art ermöglicht werden, dass durch einfache Umformung des Verbindungspins eine nietähnliche Verbindung ausbildbar ist. Eine solche „Nietverbindung“ kann gegenüber einer Schrauben/Mutter-Verbindung auch eine stabilere oder stärkere Verbindung ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers anzugeben, bei dem zunächst ein Wärmeübertragerblock zusammen mit zumindest einem von dessen Oberfläche abstehenden Verbindungspin hergestellt wird. Ebenfalls hergestellt wird ein Diffusor, der derart am Wärmeübertragerblock angebunden wird, dass der zumindest eine Verbindungspin eine zugehörige Durchgangsöffnung am Diffusor durchgreift. Danach wird der Verbindungspin aufgepilzt und darüber der Diffusor am Wärmeübertragerblock festgelegt. Durch das integrale Ausbilden des Verbindungspins am Wärmeübertragerblock, können insbesondere die Montage vereinfacht und die Teilevielfalt reduziert werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird das Festlegen mittels einer Verformung des zumindest einen Verbindungspins durch Einführen eines Spreizdorns durchgeführt. Insbesondere kann das freie Ende, welches nach dem Einführen des Verbindungspins in eine Durchgangsöffnung an dem Diffusor frei bleibt (d.h. der zumindest eine Verbindungspin weist eine größere Länge auf als die Dicke des Durchgangslochs), durch Einführen eines Spreizdorns verformt werden. Dies stellt eine einfache, unlösbare, mechanische Verbindungsmöglichkeit dar.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Dabei zeigen, jeweils schematisch

1a-1c eine Draufsicht, eine Schnittansicht und eine perspektivische Ansicht eines schematischen Wärmeübertragers mit Diffusor in einem ersten Zustand;
2a-2c eine Draufsicht, eine Schnittansicht und eine perspektivische Ansicht des schematischen Wärmeübertragers, an welchen der Diffusor in einem zweiten Zustand erfindungsgemäß festgelegt ist.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines schematischen Wärmeübertragers 1. Die Darstellung ist in dem Sinne schematisch, dass ein Wärmeübertragerblock 2 nur als einfaches Modul dargestellt ist, um die erfindungswesentlichen Eigenschaften deutlicher hervorzuheben. Insbesondere zeigt 1a eine Draufsicht auf den schematischen Wärmeübertrager 1, welcher ein schematisches Modul als Wärmeübertragerblock 2 und einen Diffusor 3 darauf aufweist. Ferner weist der Wärmeübertrager 1 in 1a vier Verbindungspins 4 auf, welche zum Fixieren des Diffusors 3 am Wärmeübertragerblock 2 dienen. Ferner dienen die Verbindungspins 4 bereits vor einem endgültigen Festlegen des Diffusors 3 einer Positionierung des Diffusors 3, indem sie durch Durchgangsöffnungen 12 des Diffusors 3 hindurchragen. Dies ist in der Schnittansicht der 1b detaillierter zu sehen, welche eine Schnittansicht des Wärmeübertragers 1 entlang der Linie A-A in 1a darstellt.
Insbesondere zeigt die 1b den schematischen Wärmeübertrager 1 entlang eines Schnittes, der durch einen der Verbindungspins 4 des schematischen Wärmeübertragerblocks 2 hindurchgeht, so dass einerseits in 1b zu sehen ist, dass der Verbindungspin 4 einstückig bzw. integral mit einer Oberfläche 5 des Wärmeübertragerblocks 2 ausgebildet ist und ferner eine größere axiale Länge als die Dicke einer Grundplatte 10 des Diffusors 3 aufweist, so dass ein freies Ende des Verbindungspins 4 über die Grundplatte 10 des Diffusors 3 hinausragt. Ferner zeigt 1b auch, dass der Verbindungspin 4 vom freien Ende her ausgehöhlt ist und eine Art Sackloch 6 aufweist, welches zu einer leichteren Verformbarkeit des freien Endes des Verbindungspins 4 führt. Zwischen der Oberfläche 5 des schematischen Wärmeübertragerblocks 2 und dem Diffusor 3 ist ferner eine Dichtung 7, beispielsweise eine Metalldichtung, angeordnet. Ferner ist in 1b noch ein Fluidkanal 8 dargestellt, welcher dazu dient, das Fluid durch den Diffusor 3 zu leiten.
Die 1c zeigt den Wärmeübertrager 1 im Zustand der 1a in einer perspektivischen Ansicht. Insbesondere ist in 1c auch schematisch ein Anschluss 9 dargestellt, welcher einen Anschluss für ein Zuführen oder Abführen eines Arbeitsmediums, beispielsweise eines Kühlmittels im Falle des Verwendens des Wärmeübertragers 1 als Kühlvorrichtung (z.B. Ladeluftkühler oder Abgaskühler), darstellen soll. Auch in der perspektivischen Ansicht der 1c sind die freien Enden der Verbindungspins 4, welche über die Grundplatte 10 des Diffusors 3 hinausragen, und die darin angeordneten Sacklöcher 6 zu erkennen.
Die 2 zeigt eine Draufsicht, eine Schnittansicht und eine perspektivische Ansicht des schematischen Wärmeübertragers 1 der 1 in einem zweiten Zustand, in welchem der Diffusor 3 bereits am Wärmeübertragerblock 2 festgelegt ist. Insbesondere zeigt 2a den Wärmeübertrager (wie die 1a) in einer Draufsicht, jedoch in dem Zustand, in dem die Verbindungspins 4 des Wärmeübertragers 2 jeweils an ihrem freien Ende verformt sind und einen aufgepilzten Kopf 11 aufweisen, so dass der Diffusor 3 festgelegt oder befestigt ist und nicht mehr abgenommen werden kann.
Dies ist in 2b, welche wiederum eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 2a darstellt und damit im Wesentlichen der 1b entspricht, zu erkennen, wobei nun das verformte oder umgebördelte Ende des Verbindungspins 4 des schematischen Wärmeübertragerblocks 2 auf der Grundplatte 10 des Diffusors 3 aufliegt. Eine solche Verformung kann zum Beispiel mittels eines (Taumel)Nietprozesses oder eines Spreizdorns geschehen.
Die 2c zeigt den Wärmeübertrager 1 wiederum in einer perspektivischen Ansicht und entspricht, bis auf die Verformung der Verbindungspins 4 der 1c. Auch hier ist wiederum gezeigt, dass die freien Enden der Verbindungspins 4 nun umgebördelt, umgeformt oder gerieben sind, so dass der Diffusor 3 nun am Wärmeübertragerblock 2 festgelegt ist.
Hergestellt wird der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 wie folgt: Zunächst wird ein Wärmeübertragerblock 2 mit zumindest einem von dessen Oberfläche 5 abstehenden Verbindungspin 4 hergestellt, ebenso wie ein Diffusor 3. Anschließend wird der Diffusor 3 derart am Wärmeübertragerblock 2 angebunden, dass der zumindest eine Verbindungspin 4)eine zugehörige Durchgangsöffnung 12 am Diffusor 3 durchgreift. Hierdurch erfolgt eine lagegenaue Positionierung des Diffusors 3 am Wärmeübertragerblock 2.
Anschließend wird der Verbindungspin 4 an seinem Kopf 11, das heißt an seinem freien Ende aufgepilzt und darüber der Diffusor 3 am Wärmeübertragerblock 2 festgelegt. Das Aufpilzen kann beispielsweise durch eine Einführen eines Spreizdorns oder eines Taumelnietwerkzeugs in die Bohrung 6 erfolgen.
Das einstückige Anformen/Ausbilden zumindest eines Verbindungspins 4 (bevorzugt eine Mehrzahl von Verbindungspins) an eine/einer Oberfläche 5 des Wärmeübertragerblocks 2, kann beispielsweise mittels eines Gussprozesses geschehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/003486 A1 [0003]

Claims

Wärmeübertrager (1) mit einem Wärmeübertragerblock (2) und einem damit verbundenen Diffusor (3), dadurch gekennzeichnet, - dass an einer Oberfläche (5) des Wärmeübertragerblocks (2) zumindest ein Verbindungspin (4) einstückig angeformt ist, - dass am Diffusor (3) zumindest eine Durchgangsöffnung (12) angeordnet ist, die bei montiertem Wärmeübertrager (1) vom Verbindungspin (4) durchgriffen ist, - dass der Verbindungspin (4) einen aufgeweiteten Kopf (11) aufweist, über welchen der Diffusor (3) am Wärmeübertragerblock (2) fixiert ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertragerblock (2) zusammen mit dem zumindest einen Verbindungspins (4) gegossen ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Verbindungspin (4) das gleiche Material wie die Oberfläche (5) des Wärmeübertragerblocks (2) aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt vier Verbindungspins (4) vorgesehen sind.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verbindungspin (4) zumindest an seinem freien Ende hohl ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - ein Wärmeübertragerblock (2) mit zumindest einem von dessen Oberfläche (5) abstehenden Verbindungspin (4) hergestellt wird, - ein Diffusor (3) bereitgestellt wird, - der Diffusor (3) derart am Wärmeübertragerblock (2) angebunden wird, dass der zumindest eine Verbindungspin (4) eine zugehörige Durchgangsöffnung (12) am Diffusor (3) durchgreift, - der Verbindungspin (4) aufgepilzt und darüber der Diffusor (3) am Wärmeübertragerblock (2) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in ein freies Ende des Verbindungspins (4) eine Bohrung eingebracht wird.