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Die Erfindung betrifft einen Rohrboden für einen Wärmetauscher mit mindestens einer Öffnung zum Einstecken eines Tauscherrohrs sowie einen Wärmetauscher mit einem solchen Rohrboden. Insbesondere betrifft die Erfindung Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge sowie Kraftfahrzeuge mit solchen Wärmetauschern.
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Aus
DE 10 2012 004 926 A1 ist ein Wärmetauscher mit einem Rohrboden bekannt, der eine Vielzahl von Öffnungen und eine Vielzahl von in die Öffnungen eingesteckten Tauscherrohren umfasst, wobei der Rohrboden aus einem Profil mit einer Vertiefung gebildet ist, die sich innerhalb der Öffnungsbreite in Richtung Außenseite des Wärmetauschers erstreckt.
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Aus
US 7,426,958 B2 ist ein Wärmetauscher mit einem Rohrboden bekannt, der eine Vielzahl von Öffnungen und eine Vielzahl von in die Öffnungen eingesteckten Tauscherrohren umfasst, wobei der Rohrboden aus einem Profil mit einer Vertiefung gebildet ist, die sich innerhalb der Öffnungsbreite in Richtung Innenseite des Wärmetauschers erstreckt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohrboden für einen Wärmetauscher mit mindestens einer Öffnung zum Einstecken eines Tauscherrohrs zur Verfügung zu stellen, der eine weiter verbesserte Thermowechselfestigkeit aufweist.
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Ein erfindungsgemäßer Rohrboden für einen Wärmetauscher umfasst mindestens eine Öffnung zum Einstecken eines Tauscherrohrs und einen sich zumindest teilweise über die Breite der mindestens einen Öffnung erstreckenden Stützabschnitt, wobei an dem die mindestens eine Öffnung umgebenden Rand ein sich in Einsteckrichtung des in die Öffnung einzusteckenden Tauscherrohrs erstreckender Stützkragen ausgebildet ist, und in dem Stützabschnitt mindestens eine Sicke in Gegenrichtung zum Stützkragen geformt ist, wobei sich die Materialstärke des Rohrbodens im Bereich der Sicke ändert.
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Als Stützabschnitt im Sinne der Erfindung wird insbesondere der sich über die Höhe und die Breite sämtlicher Öffnungen erstreckende Materialabschnitt eines Rohrbodens bezeichnet, der üblicherweise oberhalb und unterhalb der Öffnungen in gleicher Weise fortgesetzt wird. Durch Berechnungen und Versuche wurde ermittelt, dass sich mit einem wie vorstehend gestalteten Rohrboden Wärmetauscher mit geringem Rohrbodenüberstand realisieren lassen, die eine besonders hohe Thermowechselfestigkeit aufweisen.
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Vorzugsweise ist die Materialstärke im Bereich der Sicke auf 30% bis 90% der Dicke des Rohrbodens reduziert. Mittels Berechnungen hat sich gezeigt, dass die Materialstärke etwa 0,2 mm betragen sollte. In diesem Fall lässt sich ein erfindungsgemäßer Rohrboden besonders gut als Bauteil aus einem metallischen Werkstoff herstellen, bei welchem der Stützkragen nach Ausbildung der Öffnungen durch Umformen gebildet wird. Die Öffnungen können insbesondere durch Stanzen oder als sogenannte Reißlöcher gebildet werden. Das Ausbilden von Reißlöchern kann so ausgelegt werden, dass sich unmittelbar beim Ausbilden der Löcher ein Stützkragen bildet. Durch die reduzierte Materialstärke werden die für das Umformen erforderlichen Kräfte verringert, wodurch das Umformen bzw. das Ausbilden von Reißlöchern erleichtert wird.
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Bevorzugt ist diese Ausführungsform vorgesehen, dass ein Oberflächenverlauf des Rohrbodens nur einseitig angepasst ist. Eine der Einsteckrichtung der Wärmetauscherrohre abgewandte Seite des Rohrbodens ist an die Geometrie aufweisend die reduzierte Materialdicke angepasst. Diese Ausführungsform ermöglicht eine Weiterverwendung einer Werkzeughälfte aus der konventionellen Rohrbodenherstellung.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbodens ist in dem Stützabschnitt mindestens eine Sicke ausgebildet. Durch die Ausbildung von Sicken in dem Stützabschnitt kann die Thermowechselfestigkeit eines erfindungsgemäßen Rohrbodens weiter erhöht werden. In Verbindung mit Anspruch 1 kann eine Sicke insbesondere zwischen zwei benachbarten Öffnungen ausgebildet werden. Vorzugsweise ist zwischen zwei benachbarten Öffnungen mindestens jeweils eine Sicke ausgebildet, welche sich jeweils über die gesamte, einen überwiegenden Teil der Breite (mehr als 50 Prozent der Breite) der benachbarten Öffnungen erstreckt. Wenn in Querrichtung eines Rohrbodens mehrere Öffnungen nebeneinander angeordnet sind, kann sich eine Sicke auch über mehrere solche Öffnungen erstrecken. Eine Sicke kann insbesondere innerhalb einer Vertiefung ausgebildet werden, um die Thermowechselfestigkeit im Bereich der Vertiefung des Stützabschnitts zu verbessern. Beispielsweise kann innerhalb einer Vertiefung ungefähr mittig eine Sicke ausgebildet werden.
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In Verbindung mit Anspruch 1 ist es besonders bevorzugt, wenn in dem Stützabschnitt mindestens eine Sicke ausgebildet ist, die einen dem Vertiefungsversatz V entgegen gerichteten Sickenversatz SV aufweist. Dadurch ergibt sich eine kompakte Bauform eines erfindungsgemäßen Rohrbodens, welcher hohen Anforderungen an die Thermowechselfestigkeit gerecht wird.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Sicke in Gegenrichtung zu dem Stützkragen geformt ist und wenn die Tiefe TS der Sicke zwischen 80 % und 120 % der Höhe des Stützkragens HS beträgt. In einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform weist der Stützkragen eine Höhe HS von 1,5 mm aufweisen und die Sicke eine Tiefe TS von 0,8 mm.
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In Verbindung mit Anspruch 1 hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn in dem Stützabschnitt mindestens eine Sicke ausgebildet ist, die einen den Vertiefungsversatz V entgegen gerichteten Sickenversatz SV aufweist. Dabei beträgt der Vertiefungsversatz vorzugsweise mindestens 4 mm.
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An den die Breite des Stützabschnitts eines erfindungsgemäßen Rohrbodens begrenzenden Wänden sind vorzugsweise Radien ausgebildet. Die Radien, welche die Vertiefungsversatzbreite V außenseitig festlegen, liegen vorzugsweise innerhalb der Öffnungsbreite B, so dass die Vertiefungsversatzbreite VB geringer ist als die Öffnungsbreite B. Die Ausbildung von Radien hat den Vorteil, dass der Vertiefungsversatz V vorteilhaft durch Umformen hergestellt werden kann. Eine Vertiefungsversatzbreite VB, die geringer ist als die Öffnungsbreite B ist mit einer vorteilhaften Spannungsverteilung innerhalb des Materials verbunden, insbesondere bei hoher Thermowechselbeanspruchung.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbodens wird der Winkel α zwischen einer die Vertiefung seitlich begrenzenden Wand und der Basiswand zwischen 10° und 80° gewählt. Dieser Winkel hat sich für einfache Vertiefungen mit einer schräg verlaufenden Versteifungswand als besonders vorteilhaft erwiesen. Dieser Winkel ist auch dann vorteilhaft, wenn die Vertiefung seitlich begrenzende Wand bogenförmig verläuft. In diesem Fall wird der Winkel durch die Tangente an den innersten Punkt der die Vertiefung seitlich begrenzenden Wand ermittelt. Hierauf wird in Verbindung mit der Figurenbeschreibung noch im Detail eingegangen.
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Die vorstehend wiedergegebenen Merkmale wurden überwiegend durch Simulationsberechnungen und/oder Versuche ermittelt. Sie beziehen sich auf einen erfindungsgemäßen Rohrboden, der besonders vorteilhafte Thermowechselfestigkeitseigenschaften aufweist, die insbesondere dadurch erzielt werden, dass bei Thermowechselbeanspruchungen erzeugten Materialspannungen sich innerhalb eines in den Rohrboden eingesteckten Tauscherrohrs vorteilhaft verteilen, insbesondere in den an den Stützabschnitt angrenzenden Bereichen.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einem Rohrboden und einem Wasserkasten,
- 2 eine perspektivische Darstellung des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Rohrbodens von außen,
- 3 den in 1 und 2 gezeigten Rohrboden im Querschnitt mit einem eingesteckten Tauscherrohr,
- 4a eine Detaildarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrbodens,
- 4b den in 4a gezeigten Rohrboden in einer perspektivischen Ansicht,
- 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbodens in einer perspektivischen Darstellung,
- 6 den in 5 gezeigten Rohrboden in einer Schnittdarstellung gemäß den Linien VI-VI in 5.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 10 mit jeweils einem schematisch dargestellten Rohrboden 12 (rechts und links), wobei jeder Rohrboden 12 eine Vielzahl von Öffnungen 14 aufweist. Tauscherrohre 16 sind in jeweils eine der Öffnungen 14 rechts und links dichtend in die Rohrböden 12 eingesteckt. Die Einsteckrichtung e der Tauscherrohre 16 ist in 1 und einigen nachfolgenden Figuren mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet. Die Einsteckrichtung e stimmt auch mit der Fließrichtung eines Kühlmittels durch die Tauscherrohre 16 überein. Der Wärmetauscher 10 umfasst ferner weitere Elemente, die in 1 separat dargestellt sind, wie beispielsweise Dichtleisten 18, Seitenteile 20, Lamellen 22. Ein Tauscherrohr 16 ist oberhalb des Wärmetauschers 10 ebenfalls separat dargestellt.
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Die Anordnung des Rohrbodens 12 an dem Wärmetauscher 10 wird im Folgenden anhand der rechten Seite des Wärmetauschers 10 erläutert.
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Zwischen dem Rohrboden 12 und einem Wasserkasten 26 ist eine Dichtung 28 angeordnet, um zwischen Wasserkasten 28, Rohrboden 12 und den Tauscherrohren 16 eine dichtende Verbindung und ein gehäuseartiges Gebilde herzustellen, dass es ermöglicht, Wasser oder ein anderes Kühlmittel von der linken Seite zur rechten Seite des Wärmetauschers 10 und umgekehrt durch die Tauscherrohre 16 des Wärmetauschers 10 hin- und herströmen zu lassen.
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2 und 3 zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbodens 12. Bei dieser Ausführungsform sind in einem Stützabschnitt 30 innerhalb einer maximalen Öffnungsbreite B für das einzusteckende Tauscherrohr 16 zwei Vertiefungen 32 mit einem Vertiefungsversatz V und einer (Gesamt-)Vertiefungsversatzbreite VB ausgebildet, wobei die Vertiefungsversatzbreite VB geringer ist als die Öffnungsbreite B.
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Bei der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform ist in dem Stützabschnitt 30 zwischen den Vertiefungen 32 im mittleren Bereich des Rohrbodens 12 eine sich in Hochrichtung des Rohrbodens 12 erstreckende Sicke 34 mit der Breite BS und einem äußeren Sickenradius RS1 ausgebildet, die sich über alle Öffnungen 14 erstreckt und die maximale Ausprägung 33 bildet. Die Breite der Sicke BS beträgt vorzugsweise mindestens 1 mm. Im Bereich der Sicke 34 ist die Materialstärke des Stützabschnittes 30 reduziert. Die Materialstärke im Bereich der Sicke 34 beträgt zwischen 0,3 und 0,9* der Materialstärke des Stützabschnittes 30, wodurch sich ein innerer Sickenradius RS2 ergibt.
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Die Sicke 34 erstreckt sich vorzugsweise über eine Breite BS von nur 10 % bis 30 % der gesamten Vertiefungsversatzbreite VB der Vertiefung 32. In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich Breite BS der Sicke 34 über etwa 25 % der Vertiefungsversatzbreite VB der Vertiefung 32.
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Der Sickenversatz SV variiert vorzugsweise zwischen 1 % und 100 % des Vertiefungsversatzes V. Er beträgt in der gezeigten Ausführungsform ca. 20 % des Vertiefungsversatzes V. Für den Vertiefungsversatz sind grundsätzlich Maße zwischen 2 mm und 20 mm besonders geeignet.
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Für den Sickenversatz SV sind grundsätzlich Maße zwischen 0,1 mm bis 10 mm besonders geeignet. Für die Breite der Sicken sind grundsätzlich Maße zwischen 1 mm und der Breite B der Öffnungen geeignet.
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4a und 4b zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbodens 12. Die Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform in 3, wobei der Sickenversatz SV bei der in 4a und 4b gezeigten Ausführungsform ungefähr dem Vertiefungsversatz V entspricht. Er beträgt in der gezeigten Ausführungsform ca. 6 mm bei einer Breite BR des Rohrbodens von ca. 45 mm. Dadurch sind über die Öffnungsbreite B zwei Vertiefungen 32 gebildet, welche durch die mittig angeordnete Sicke 34 voneinander separiert sind.
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Der Winkel α zwischen den Basiswänden 40 des Rohrbodens 12 und den die Vertiefung seitlich begrenzenden Wänden 42 beträgt in der in 4a und 4b gezeigten Ausführungsform ca. 60°, wobei zur Bestimmung des Winkels die Tangente an den Übergang zwischen den Radien R1 und R2 zugrunde gelegt wurde.
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4a zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Rohrbodens
12. Der Rohrboden
12 weist eine Dicke
D auf, welche lokal im Bereich der Sicke
34 auf eine Materialstärke
A reduziert ist. Die Dicke
D des Rohrbodens
12 beträgt zwischen 4mm und 1mm, vorzugsweise 1,6mm. Die Materialstärke
A liegt entsprechend im Bereich zwischen 0,2 und 1,2 mm. Die Reduzierung der Materialstärke
A kann gemäß folgender Formel berechnet werden:
Wobei x zwischen 0,3 und 0,9 betragen kann.
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Die Reduzierung der Dicke
D auf die Materialstärke
A erfolgt kontinuierlich. Die Reduzierung beginnt in einem Abstand
C gemessen zur maximalen Ausprägung
33 der Sicke
34 an einer Außenseite des Rohrbodens
12. Die Übergänge zwischen den Abständen sind vorzugsweise tangential ausgeführt.
Der Abstand
C kann mittels folgender Beziehung bestimmt werden:
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Die konstanten Werte 2,5 und 4,25 sind in Versuchen empirisch ermittelt worden, da sich hier eine sehr hohe Thermowechselfestigkeit des Rohrbodens 12 ergibt.
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Ein Mittelpunkt
M des äußeren Sickenradius
RS2 befindet sich im Abstand
B zur maximalen Ausprägung
33 der Sicke
34 an der Außenseite des Rohrbodens kann mittels der folgenden Beziehung bestimmt werden:
4b zeigt den Stützkragen
36, welcher im Bereich der Sicke
34 unterbrochen ist.
In den
5 und
6 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbodens
12 gezeigt. An diesem Rohrboden ist an den die Öffnungen
14 des Rohrbodens
12 umgebenden Rändern
24 ein sich in Einsteckrichtung e des in die Öffnung einzusteckenden Tauscherrohres
16 erstreckender Stützkragen
36 ausgebildet. In
6 ist gut erkennbar, dass in dieser Ausführungsform die Materialstärke im Bereich des Stützkragens
36 im Vergleich zu den benachbarten Bereichen zwischen den Öffnungen
14 reduziert ist. Ein solcher Stützkragen
36 kann insbesondere einfach und kostengünstig als sogenanntes Reißloch ausgebildet werden. Es ist vorteilhaft, wenn die Höhe HS des Stützkragens mindestens 1,5 mm beträgt. Die Höhe des Stützkragens HS beträgt in der gezeigten Ausführungsform ca. 3 mm.
Im Bereich der Sicke
34 kann der Stützkragen
36 über die Breite der Sicke BS unterbrochen ausgeführt sein, wie in
4a ersichtlich. Der Stützkragen
36 erstreckt sich dann also nicht über die gesamte Öffnungsbreite B.
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In 6 ist ferner zu erkennen, dass zwischen zwei benachbarten Öffnungen 14 in dem Stützabschnitt 30 des Rohrbodens jeweils eine sich in Querrichtung des Rohrbodens 12 erstreckende zweite Sicke 35 ausgebildet ist, die in der gezeigten Ausführungsform entgegengesetzt zu den freien Enden 38 der Stützkrägen 36 orientiert sind. Die zweiten Sicken 35 sind parallel zu den Öffnungen 14 und jeweils ungefähr mittig zwischen zwei benachbarten Öffnungen 14 angeordnet. Der Sickenversatz SV beträgt vorzugsweise mindestens 15 % der Höhe HS des Stützkragens oder 0,5 mm. In der in den 5-6 gezeigten Ausführungsform beträgt der Sickenversatz 0,8 mm.
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Für die in den Figuren dargestellten Radien R1 und R2 sind grundsätzlich Maße zwischen 1 mm und 30 mm besonders geeignet.
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In 3 und 4a bzw. 4b ist mit dem Pfeil I die Richtung zur Innenseite des Wärmetauschers 10 gekennzeichnet. Daraus ergibt sich, dass die Vertiefungen 32 in den 2, 7 und 8 in Richtung Innenseite des Wärmetauschers 10 ausgebildet sind und die Sicken 34 (betrifft nur die 4a und 4b und 8) in die entgegengesetzte Richtung ausgebildet sind, d.h. in Richtung der Außenseite des Wärmetauschers 10. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Ausbildungen ebenfalls möglich sind, beispielsweise ein Stützkragen, der zur Innenseite I gerichtet ist.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmetauscher
- 12
- Rohrboden
- 14
- Öffnung
- 16
- Tauscherrohr
- 18
- Dichtleiste
- 20
- Seitenteil
- 22
- Lamelle
- 24
- Rand
- 26
- Wasserkasten
- 28
- Dichtung
- 30
- Stützabschnitt
- 32
- Vertiefung
- 33
- maximale Ausprägung
- 34
- Sicke
- 35
- zweite Sicke
- 36
- Stützkragen
- 38
- freies Ende (des Stützkragens)
- 40
- Basiswand des Rohrbodens
- 42
- die Vertiefung seitlich begrenzenden Wand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012004926 A1 [0002]
- US 7426958 B2 [0003]
- DE 102015205605 A1 [0004]
