DE102019122741A1

DE102019122741A1 - Wärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102019122741A1
Application number: DE102019122741.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dominik Ossadnik
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2021-02-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Mikrokanalkühler (2), mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Sammelkasten (4) und einer Mehrzahl von Kühlrohren (7), die jeweils einen Fluidkanal zwischen den Sammelkästen (4) ausbilden, wobei die Kühlrohre (7) wenigsten zwei Gruppen (8,9) bilden und die Kühlrohre (7) einer ersten Gruppe (8) die Kühlrohre (7) einer zweiten Gruppe (9) unter einem Winkel (a) kreuzen. Bei dem Wärmetauscher ist ferner vorgesehen, dass die Gruppen (8,9) in einer ersten Richtung (x) in Lagen (10) hintereinander angeordnet sind und durch Verbindungsmittel (30) verbunden ein Rohrpaket (3) bilden und wenigstens zwei Rohrböden (11) vorgesehen sind, um die Enden (22) der Kühlrohre (7) des Rohrpakets (3) zu fixieren und unter Ausbildung eines Fluidkanals mit den Sammelkästen (4) zu verbinden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Mikrokanalkühler, mit wenigsten einem ersten und einem zweiten Sammelkasten, und einer Mehrzahl von Kühlrohren, die jeweils einen Fluidkanal zwischen den Sammelkästen ausbilden.
Im Stand der Technik sind bereits zahlreichen Formen von Wärmetauschern bekannt. Mikrokanalkühler sind eine besondere Art von Wärmetauschern und werden heutzutage überwiegend im Motorsport benutzt. Eine breite Anwendung in der Großserienfertigung von Kraftfahrzeugen findet derzeit jedoch nicht statt. Grundsätzlich beruht das Prinzip von Mikrokanalkühlern als besondere Bauform von Wärmetauschern darauf, dass die zur effektiven Kühlung nutzbare Oberfläche im Vergleich zu konventionellen Wärmetauschern nochmals deutlich vergrößert wird. Dazu werden in solchen Mikrokanalkühlern sehr viele durchströmbare rohrförmige Leitungen, sogenannte Kühlrohre, verwendet, die einen besonders kleinen Außendurchmesser und eine nur sehr geringe Wandstärke aufweisen. Aufgrund des kleinen Außendurchmesser der Kühlrohre ist es möglich eine sehr große Anzahl von Leitungen sehr dicht in einem Mikrokanalkühler anzuordnen. Hierdurch wird die zur Wärmeübertragung nutzbare Oberfläche erheblich vergrößert. Gleichzeitig begünstigt die sehr geringe Wandstärke der verwendeten Leitungen und die Luftverwirbelung der Kühlluft an den Kühlrohren innerhalb des Mikrokanalkühlers eine Übertragung von Wärmeenergie durch die Wände der Leitungen hindurch von einem zu kühlenden Fluid zu einem anderen Kühlfluid. In der Regel bieten Mikrokanalkühler zudem auch Vorteile beim luftseitigen Druckverlust, da sie im Vergleich zu einem konventionellen Kühler gleicher Kühlleistung geringere Druckverluste verursachen, was Vorteile bei der Aerodynamik mit sich bringt
So ist beispielsweise aus der DE 10 2012 020 882A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und insbesondere eines Mikrokanalkühlers für ein Kraftfahrzeug bekannt. Der darin beschriebene Wärmetauscher weist zwei Sammelkästen und ein Bündel dazwischen angeordneter fluiddurchströmbarer Leitungen zur Strömungsführung zwischen den Sammelkästen auf und ist für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug bestimmt.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass der Fertigungsaufwand für Mikrokanalkühler bislang noch immer relativ hoch ist. Zudem ist es wünschenswert die Kühlleistung der bisher bekannten Mikrokanalkühler und ihre Dauerhaltbarkeit weiter zu verbessern. Insbesondere wenn es zu Erschütterungen kommt, ist die Anbindung der Kühlrohre zum Rohrboden sehr stark beansprucht, da die relativ langen und mit Kühlmittel gefüllten Kühlrohre an nur zwei entfernt liegenden Befestigungspunkten am Rohrboden gelagert sind. Zwischen den Lager- bzw. Befestigungsstellen ist das Kühlrohr praktisch frei beweglich. Um diese Bewegung der Kühlrohre zu unterbinden sind zu den Rohrböden parallel angebrachte Bleche, sogenannte Zwischenbleche bekannt, die die Kühlrohre in regelmäßigen Abständen fixieren und deren Bewegung einschränken sollen. Solche Bleche sind jedoch relativ aufwändig im Herstellprozess darstellbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere einen Wärmetauscher anzugeben, der besonders kostengünstig gefertigt werden kann, widerstandsfähig ist und gleichzeitig eine besonders gute Kühlleistung aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Wärmetauscher gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen des Wärmetauschers definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher erläutert und präzisiert, wobei weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele des Wärmetauschers dargestellt werden.
Der beschriebene Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, der insbesondere als ein Mikrokanalkühler ausgebildet ist, umfasst wenigsten einen ersten Sammelkasten und einen zweiten Sammelkasten sowie eine Mehrzahl von Kühlrohren, die jeweils einen Fluidkanal zwischen den Sammelkästen ausbilden. Ein Sammelkasten umschließt wenigstens eine Kammer, durch die das zu kühlende Fluid fluiddicht durchgeleitet wird und ist mit einer Mehrzahl von Kühlrohren fluidleitend verbunden. Zudem verfügt jeder der Sammelkästen über jeweils einen geeigneten Anschluss für Kühlmittelleitungen, um das zu kühlende Fluid je nach Anordnung des Sammelkastens einzuleiten oder auszuleiten.
Wie bei bekannten Wärmetauschern ist ein erster (Einlass-)Sammelkasten und ein zweiter (Auslass-)Sammelkasten vorgesehen. Der erste Sammelkasten dient dazu das warme Fluid aufzunehmen und in das Rohrpaket, das auch als Kühlernetz bezeichnet werden kann, zu leiten. Der zweite Sammelkasten nimmt das heruntergekühlte Fluid wieder auf und leitet es danach in den Kühlkreislauf zurück.
Die Kühlrohre bilden wenigsten zwei Gruppen, wobei die Kühlrohre einer ersten Gruppe die Kühlrohre einer zweiten Gruppe unter einem Winkel kreuzen und ferner die Gruppen in einer ersten Richtung in Lagen hintereinander angeordnet sind. Die erste Richtung entspricht dabei der Richtung, in der das Kühlmedium den Wärmetauscher anströmt. Im Normalfall ist die erste Richtung parallel zur Längsachse (X-Richtung) des Kraftfahrzeugs und entgegengesetzt zur Fahrtrichtung orientiert. Insbesondere kann die erste Richtung bei bestimmten Anwendungen bzw. Einbausituationen aber auch um eine Fahrzeughochachse (Z-Achse) und/oder Fahrzeugquerachse (Y-Achse) um bis zu 45° geneigt angeordnet werden.
Die Lagen werden von Gruppen aus Kühlrohren gebildet, die nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind, deren Normalenvektor vorzugsweise der ersten Richtung entspricht. In dieser Ebene, die vorzugsweise von der Y-Achse und der Z-Achse aufgespannt wird, ist auch der Winkel (α) zu messen unter dem sich die Kühlrohre kreuzen. Bevorzugt sind die Kühlrohre einer Lage gleich ausgerichtet. In besonderen Fällen können Lagen aber auch gleichzeitig Kühlrohre verschiedener Ausrichtung umfassen und unter Ausbildung eines textilähnlich verwobenen Geflechts eine Lage ausbilden.
Innerhalb den so in der ersten Richtung hintereinander gestapelten Lagen sind die Lagen oder alternativ auch die Gruppen der Kühlrohre jeweils durch Verbindungsmittel miteinander verbunden und bilden auf diese Weise ein Rohrpaket. Verbindungsmittel sind insbesondere, Drahtverbindungen, Lötverbindungen, Schweißverbindungen, Verpressungen oder Verklebungen, die dazu geeignet sind an einzelnen oder mehreren Kontaktstellen zwischen den Kühlrohren diese miteinander zu verbinden.
Weiterhin sind je Wärmetauscher wenigstens zwei Rohrböden vorgesehen, um jeweils ein Ende der Kühlrohre des Rohrpakets zu fixieren und diese unter Ausbildung eines geschlossenen Fluidkanals mit den Sammelkästen zu verbinden. Ein Rohrboden dient insoweit insbesondere als Aufnahme für Enden der Kühlrohre und kann nach Art einer Lochplatte ausgeführt sein.
Ein derart ausgebildeter Wärmetauscher bietet in mehrfacher Hinsicht Vorteile. So ermöglicht es die Anordnung der Kühlrohre in Lagen, welche unmittelbar aneinander angrenzen, besonders kompakte Rohrpakete zu bilden, wodurch sich der Bauraumbedarf des Wärmetauschers erheblich verringert.
Die Kühlrohre können dazu an den Kreuzungspunkten mit anderen Kühlrohren miteinander verbunden werden. Dies kann insbesondere durch eine Verlötung, d.h. die Herstellung einer Lotverbindung erfolgen. Alternativ können aber auch andere Verbindungsmittel, wie Drahtverbinder, Kleben, Schweißen, Pressen oder Kombinationen daraus verwendet werden, solange das gewählte Verbindungsmittel dauerhaft fluiddicht ausführbar ist.
Ein weiterer Vorteil wird durch die kreuzweise Anordnung der Kühlrohre erreicht. Weil sich die Kühlrohre unter einem bestimmten Winkel kreuzen (also nicht parallel zueinander angeordnet sind), erhöht sich die mechanische Stabilität des Rohrpaketes im verbauten Zustand erheblich. Während einfache längliche und dünnwandige Kühlrohre sehr anfällig gegenüber seitlich eingeleiteten Kräften sind, welche zu erheblichen Deformationen führen können, ist es bei dem hier beschriebenen Wärmetauscher möglich, seitlich in ein Kühlrohr eingeleitete Kräfte problemlos über die Verbindungsmittel in angrenzende Kühlrohre einer anderen Gruppe abzuleiten, welche die ersten Kühlrohre unter einem Winkel kreuzen. Hierdurch können die Kräfte in die angrenzenden Rohrböden abgeleitet werden ohne das große Verformungen der Kühlrohre auftreten. Die Verbindungsmittel, welche die Kühlrohre der unmittelbar aneinander angrenzenden und sich berührenden Gruppen von Kühlrohren miteinander verbinden, sorgen somit zu einer wesentlichen Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Wärmetauschers.
Eine deutlich verbesserte mechanische Festigkeit eines Rohrpaketes kann so insbesondere bei Mikrokanalkühlern erreicht werden, bei denen Kühlrohre vorgesehen sind, deren Außendurchmesser maximal 2,0 mm und deren Wandstärken maximal 1,0 mm beträgt. Insbesondere können Wandstärken zwischen 0,025 mm und 0,4 mm, vorzugsweise Wandstärken zwischen 0,05 mm und 0,2 mm verwendet werden, die einen guten Kompromiss zwischen der mechanischen Festigkeit einerseits und der Wärmeleitfähigkeit andererseits bieten.
Mit einem derart gestalteten Wärmetauscher können aber nicht nur ebene Bauformen, sondern auch gewölbte Kühleroberflächen erzeugt werden. So kommen beispielsweise bei Motorrädern Wärmetauscher zum Einsatz, die um eine oder auch um zwei Achsen gekrümmt sind. Bei einer Krümmung um eine Achse, ist die Vorderseite des Wärmetauschers dann konvex in Richtung des anströmenden Kühlfluids gekrümmt bzw. gewölbt. Auch derartige komplexe Geometrien können mittels der Erfindung einfach gefertigt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Wärmetauschers ist vorgesehen, dass die Kühlrohre an ihrer Umfangsfläche zumindest teilweise aufgeraut sind. Das Aufrauen der Umfangsflächen vergrößert zum einen die technisch wirksame Kühlfläche des Kühlrohrs, wodurch die Kühlleistung des Wärmetauschers verbessert wird. Zusätzlich können Kühlrohre mit aufgerauter Umfangsfläche deutlich besser und zuverlässiger mit den aufnehmenden Rohrböden verbunden werden, was beispielsweise durch Verkleben, Umspritzen oder Verpressen erfolgen kann, da die raue Oberfläche eine wesentlich verbesserte Verbindung zwischen den Kühlrohren und dem Rohrboden ermöglicht. Insbesondere kann es sinnvoll sein, die Rohre z.B. mittels Sandstrahlen aufzurauen, um die Wärmeübertragung zu verbessern. In jedem Fall sollten aber zumindest die Enden der Rohre eine raue Oberfläche aufweisen, also der Abschnitt der später im Rohrboden stecken wird und mit diesem verbunden ist.
Eine verbesserte Umströmung der Kühlrohre kann zudem erreicht werden, wenn der Wärmetauscher so ausgebildet ist, dass in jeder Lage von Kühlrohren Leerstellen vorgesehen sind. Leerstellen sind Orte oder Positionen in einer regelmäßigen Anordnung von Kühlrohren, die nicht mit Kühlrohren besetzt sind. Hierbei können die Leerstellen ihrerseits regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sein. Kühlrohre können beispielsweise in einer regelmäßigen Matrix angeordnet sein. Leerstellen sind dann Positionen in dieser Matrix an denen Kühlrohre ausgelassen sind. Zur Verbesserung der Durchmischung des kühlenden Fluids können insbesondere die Leerstellen bei mittelbar oder unmittelbar hintereinanderliegenden Lagen, bevorzugt solcher Lagen deren Kühlrohre gleich ausgerichtete sind, in der Ebene der jeweiligen Lage versetzt zueinander angeordnet werden. So kann es bei bestimmten Ausführungsformen des Wärmetauschers wünschenswert sein die Dichte der pro Volumeneinheit angeordneten Kühlrohre zu reduzieren. In diesen Fällen ist es günstiger, wenn der Abstand zwischen zwei Kühlrohren in der Richtung des durchströmenden Kühlmediums (gemeint ist das kühlende Medium, welches die abzuführende Wärme aufnimmt), wie beispielsweise der Kühlluft, vergrößert ist. Das durchströmende Kühlmedium wird dabei besser durchmischt, bevor es in Kontakt mit den hintereinander angeordneten und vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kühlrohre gelangt.
Insbesondere können die Leerstellen in den jeweiligen Lagen beispielsweise durch den gezielten Entfall von Kühlrohren in einem vorgegebenen Muster dargestellt werden. So können beispielsweise bei einer ersten Lage mit vertikalen Kühlrohren jeweils an den Positionen 1., 3., 5.usw. Kühlrohre verbaut werden. Danach folgt eine zweite Lage mit horizontalen Kühlrohren, auf die an dieser Stelle zunächst nicht weiter eingegangen wird. In der dahinterliegenden dritten Lage, die wiederum vertikalen Kühlrohre aufweist, können dann Kühlrohre an den Positionen 2., 4., 6.usw. angeordnet werden. Bei der nächsten Lage aus vertikalen Kühlrohren können dann wieder an den Positionen 1., 3., 5.usw. Kühlrohre verbaut werden. Hierdurch ergibt sich in Richtung der hintereinander angeordneten Lagen ein deutlich größerer Abstand zwischen den vertikalen Kühlrohren. Dadurch kann eine verbesserte Umströmung mit durchmischtem Kühlmedium und letztendlich eine verbesserte Kühlwirkung erzielt werden.
Insbesondere kann der Wärmetauscher so ausgebildet werden, dass zumindest ein Sammelkasten das Rohrpaket derart an einem Außenumfang umfasst, dass dieser gleichzeitig leitungstechnisch mit wenigstens zwei unterschiedlich ausgerichteten Gruppen von Kühlrohren verbunden ist. Der Sammelkasten bildet auf diese Weise einen Rahmenabschnitt, der das Rohrpaket des Wärmetauschers zumindest teilweise umschließt, nach außen hin gegen mechanische Beschädigungen schützt und die strukturelle Festigkeit des Wärmetauschers erhöht Dazu können insbesondere die beiden Sammelkästen an ihren direkt aneinander angrenzenden Enden miteinander verbunden (z.B. verschraubt, vernietet, etc.) werden, sodass aus den Rahmenabschnitten ein in sich geschlossener stabiler Rahmen für das Rohrpaket entsteht.
Ein solcher Rahmen bzw. Rahmenabschnitt kann auch als Kühlerzarge bezeichnet werden. Indem der Sammelkasten gleichzeitig mit zwei unterschiedlich ausgerichteten Gruppen von Kühlrohren verbunden ist, kann die Kühlwirkung des Wärmetauschers nochmals verbessert werden, da der zur Kühlung zur Verfügung stehende durchströmte Querschnitt in verbesserter Weise ausgenutzt wird. Bei einer besonders bevorzugten, weil einfachen, Ausführungsform sind die Gruppen von Kühlrohren unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Auf diese Weise werden die von der ersten Gruppe ungenutzten Luftspalten zwischen den Kühlrohren von den dazu rechtwinklig angeordneten Kühlrohren der zweiten Gruppe überdeckt und nutzen zusätzlich die bislang ungenutzten Querschnitte der Längsspalten der ersten Gruppe von Kühlrohren, um eine zusätzliche verbesserte Kühlleistung zu erzeugen.
Besonders günstige Eigenschaften erreicht man auch, wenn der Sammelkasten einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweist und die Schenkel des Sammelkastens unter einem Winkel von 45° bis 90°, vorzugsweise von 75° bis 90°, zueinander angeordnet sind. Ein solcher beispielsweise rechtwinklig ausgebildeter Sammelkasten kann das Rohrpaket gleichzeitig an einer Oberseite und einer Seitenfläche überdecken. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform kann dazu ein komplementär geformter zweiter Sammelkasten entsprechend die jeweils gegenüberliegenden Seiten, sprich die Unterseite und die gegenüberliegende Seitenfläche des Rohrpakets überdecken. Auf diese Weise kann das einströmende und zu kühlende Medium durch den ersten Sammelkasten gleichzeitig in die horizontalen und vertikalen Kühlrohre einströmen und nach dem Durchströmen der Kühlrohre im zweiten Sammelkasten wieder zusammengeführt werden, der ebenfalls mit den vertikalen und den horizontalen Kühlrohren verbunden ist.
Die Gruppen von Kühlrohren können ein rautenförmiges Rohrpaket ausbilden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass der Sammelkasten keinen konstanten Strömungsquerschnitt für das zu kühlende Medium benötigt. Vielmehr ist es ausreichend, wenn sich der Strömungsquerschnitt des Sammelkastens auf dem Weg von der Einlassöffnung hin zu den entfernt liegenden Auslassöffnungen der Kühlrohre in zunehmendem Maße verkleinert. Unter Ausnutzung dieses Wissens kann der Sammelkasten kompakter gebaut werden.
So können sich beispielsweise die beiden Bereiche eines Sammelkastens zu den jeweiligen Enden hin verjüngen und sind so dem idealen Volumenstrom (der zu den Rändern hin abnimmt, da das Kühlwasser in das Kühlernetz geleitet wird) angepasst. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform ist der Sammelkasten ein einziges relativ großes Bauteil. Alternativ können Sammelkästen aber auch in mehrere einzelne und dafür kleinere Bauteile aufgeteilt sein.
Das zuvor mit Bezug auf den Sammelkasten an der Einlassseite des Wärmetauschers gesagte, gilt entsprechend auch für den Sammelkasten an der Auslassseite des Wärmetauschers. Hierbei ist lediglich zu beachten, dass sich dort die Strömungsquerschnitte von der Auslassseite der Kühlrohre hin zu der Auslassöffnung des Sammelkastens entsprechend vergrößern sollen, anstatt wie beim Sammelkasten auf der Einlassseite zu verkleinern. Behält man nun eine rechteckige Grundform für den Wärmetauscher bei, ergibt sich bei Sammelkästen mit sich verjüngend Strömungsquerschnitten eine rautenförmige Geometrie für das von den Sammelkästen umfasste Rohrpaket.
Als kostengünstige und technisch besonders gut beherrschbare Verbindungsmittel können gemäß einer Ausgestaltung die Kühlrohre durch thermisches Fügen, Kleben und/oder Löten mit dem Rohrboden verbunden werden.
Bei einer anderen ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Sammelkasten eine Trennwand aufweist, die innerhalb des Sammelkasten wenigsten zwei Kammern ausbildet. Durch die Sammelkästen strömt bei einfacher Ausführungsform das zu kühlende Fluid an der Einlassseite ein, um danach über die Kühlrohre wieder abzuströmen.
Entsprechendes gilt umgekehrt für die Auslassseite. Bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zu kühlende Fluid einen Sammelkasten mehrfach durchströmt oder mehrere Sammelkästen durchströmt. Hierdurch kann erreicht werden, dass das zu kühlende Fluid beim Durchlaufen des Wärmetauschers wenigstens zweimal durch die Länge eines Kühlrohrs geleitet wird, wodurch die Kühlleistung zusätzlich verbessert wird.
Um die Montage zu erleichtern, kann zudem in vorteilhafter Weise vorgesehen werden, dass sämtliche zu einem Sammelkasten zugehörigen Rohrböden eine gemeinsame Montagerichtung aufweisen, so dass der Sammelkasten gleichzeitig und besonders einfach mit zwei oder mehr Rohrböden verbunden werden kann.
Die Verbindung zwischen den Sammelkästen und den Rohrböden könnte über eine Verschraubung, einen Schnappverschluss oder mittels Verschweißens erfolgen. Insbesondere vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist es, ist die gleiche Montagerichtung für alle mit ein und demselben Sammelkasten verbundenen Rohrböden vorzusehen, da hierdurch der Produktionsprozess stark vereinfacht werden kann.
Um den Wärmetauscher möglichst robust und langlebig zu gestalten, kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass dieser eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist und an der Vorderseite zumindest die ersten Lage der Kühlrohre teilweise oder ganz aus einem verstärkten Material, vorzugsweise einem Vollmaterial, hergestellt sind. So können beispielsweise die ersten beiden Lagen verstärkt werden, wenn diese unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Der Wärmetauscher wird hierdurch widerstandsfähiger gegen mechanische Einwirkungen, wie sie beispielsweise durch Steinschlag verursacht werden.
Unter bestimmten Einsatzbedingungen und Anordnungen ist es zudem vorteilhaft, wenn an der Rückseite zumindest die letzte Lage wenigstens teilweise aus Kühlrohren aus einem verstärkten Material, vorzugsweise einem Vollmaterial, hergestellt ist. Unter Kühlrohren mit einem verstärkten Material sind hierbei solche Kühlrohre zu verstehen, die eine erhöhte Wandstärke aufweisen oder aus einem Vollmaterial gefertigt sind. Alternativ dazu können die Kühlrohre auch aus einem Werkstoff gefertigt werden, der eine höhere mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit aufweist.
Die ist insbesondere dann sinnvoll, wenn damit zu rechnen ist, dass Steine durch die Räder aufgewirbelt werden und den Wärmetauscher von hinten treffen könnten. Optional könnten an einigen wenigen Stellen solche Elemente aus Vollmaterial auch weiter innen im Rohrpakte, anstelle der einfachen Kühlrohre verbaut werden. Hierdurch kann die Stabilität des Rohrpakets weiter gesteigert werden. Denkbar wäre auch Rohre unterschiedlicher Wandstärken oder Außendurchmesser zu verwenden. So könnten beispielsweise die in Y-Richtung verlaufenden Kühlrohre andere Wandstärken oder Außendurchmesser (Dicke) aufweisen als die in Z-Richtung angeordneten.
Die Kühlrohre sind vorzugsweise aus Aluminium, Stahl oder deren Legierungen gefertigt. Grundsätzlich werden aufgrund der Wärmeleitfähigkeit Metalle bevorzugt verwendet. Rohrböden können auch aus Kunststoff, wie beispielsweise einem Polyamid PA66 gefertigt sein. Derartige Kunststoffe sind für das thermische Direktfügen geeignet.
Grundsätzlich sollten Sammelkästen aus dem gleichen Werkstoff gefertigt sein wie Rohrböden. Bei alternativen Ausführungsformen können aber beispielsweise die Sammelkästen auch aus einem Metall, wie Aluminium oder Stahl gefertigt sein.
Als besonders günstig hat es sich zudem erwiesen, wenn Abstandshalter zwischen den Lagen vorgesehen sind, die gleichzeitig als Halterungen für Anbauteile ausgebildet sind. Dies erleichtert den Montageprozess im Rahmen der Großserienfertigung und senkt damit die Herstellungskosten.
Bevorzugt wird, aus Gründen der Einfachheit, ein Rohrpaket ohne Abstandshalter. Sollte ein größerer Abstand zwischen den einzelnen Lagen erforderlich sein, ist es aber auch denkbar entsprechende Abstandshalter zu verwenden. Diese Abstandshalter könnten z.B. als Federklemme ausgebildet sein und die einzelnen Lagen durch eine entsprechende Einrastung (in X-Richtung) aufnehmen, wobei immer ein gewisser definierter Abstand zwischen den einzelnen Lagen gewahrt bleibt. Bei der Verwendung solcher Abstandshalter, können diese gleichzeitig noch zusätzliche Funktionen erfüllen. Hierzu können die Abstandshalter beispielsweise (bei entsprechender Einbaurichtung) auf der Rohrpaket-Rückseite über Anschraubpunkte verfügen, an die später z.B. ein Kühlerlüfter, Kühlerhutzen, Temperatursensoren oder ähnliches montiert werden können.
Besonders vorteilhaft kann ein beschriebener Wärmetauscher in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Dort kann der Wärmetauscher eine besonders gute Kühlleistung bei gleichzeitig nur sehr geringem Bauraumbedarf erzielen. Derartiger Kühlbedarf entsteht beispielsweise bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren aber auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, deren Komponenten unter bestimmten Einsatzbedingungen ebenfalls Wärme erzeugen.
Weiterhin trägt zur Lösung der genannten Aufgabenstellung ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines Mikrokanalkühlers, mit den nachfolgend erläuterten Schritten bei:

a) Anordnen der Lagen von Kühlrohren in einer Richtform;
b) Verbinden der Lagen zu einem Rohrpaket;
c) Verbinden der Rohrpakete mit Rohrböden;
d) Verbinden der Rohrböden mit Sammelkästen.

Der nach diesem Verfahren hergestellte Wärmetauscher ist einfach, kostengünstig und mit sehr geringen Toleranzen zu fertigen.
Die Richtform dient zur Unterstützung bei der vorgesehenen Ausrichtung von Kühlrohren in den jeweiligen Lagen. Weiterhin kann in der Richtform in besonders einfacher Weise eine Mehrzahl von Lagen mit sehr hoher Maßhaltigkeit übereinander zu einem Rohrpaket angeordnet werden.
Hierzu wird eine Richtform vorgeschlagen, die über entsprechende Aussparungen an den Stellen verfügt, an denen sich die Kühlrohre befinden sollen. Prinzipiell kann die Richtform als Kasten ausgebildet sein, dessen Innenmaße den Außenabmessungen des Rohrpakets entsprechen. Hierbei ist ein geringer Spalt zwischen der Richtform und den Kanalrohren vorzusehen, damit sich das Rohrpaket hinterher problemlos entnehmen lässt. Im inneren Bereich der Richtform ragen zahlreiche stiftförmige Säulen in die Höhe, die die Abstände bzw. Lücken der Rohre in Y- und Z-Richtung definieren.
Sowohl der Rand des Kastens als auch die Säulen haben im oberen Bereich Fasen bzw. Einführschrägen. Die Kühlrohre können zum Aufschichten des Rohrpakets in einfacher Weise einzeln an den dafür vorgesehenen Positionen von oben in die Richtform eingelegt werden.
Für die Verbindung der Kühlrohre bzw. Lagen mittels eines Lötprozesses, sollten die Kühlrohre noch am Außenrand (entweder am gesamten Außenrand oder zumindest an den Kreuzungspunkten mit anderen Kühlrohren) mit einem geeigneten Lot beschichtet sein. Dies kann bereits vorab, d.h. bei der Herstellung der Kühlrohre passieren oder auch während des Positioniervorgangs der Kühlrohre in der Richtform. Dazu können beispielsweise Lot-Dosierautomaten verwendet werden.
Im Anschluss an das Verlöten erfolgt das Einpressen der Rohrböden. Damit die Verbindung stabil und dicht ist, sollen beide Materialen miteinander verschweißt werden. Dies kann beispielsweise durch das Verfahren des thermischen Direktfügens geschehen. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zum Verschweißen von Metallen mit Kunststoffen. Idealerweise wird dieser Verfahren direkt im Anschluss an das Löten ausgeführt, weil somit die Restwärme des Rohrpakets noch für das Aufschmelzen des Kunststoffes, dessen Schmelztemperatur unterhalb der Löttemperatur liegt, ausreichen hoch ist. Andernfalls ist es auch vorstellbar das Rohrpaket zu einem späteren Zeitpunkt beispielsweise in einem Ofen oder durch das Anlegen einer elektrischen Spannung erneut zu erhitzen.
Beim Einpressen der Kühlrohre in den Rohrboden wird der Kunststoff des Rohrbodens lokal aufgeschmolzen und in Einpressrichtung verdrängt. Die oben beschriebene Durchmesseraufweitungin Gestalt einer Fase an der Innenseite der Rohrbodenwand kann das überschüssige Material dann aufnehmen. Damit kein Material die Kühlrohre verstopft, wird vorgeschlagen, die Aufnahmevorrichtung der Rohrböden so zu gestalten, dass sie die Rohrböden nach außen hin abdichtet und im Inneren der Rohrböden einen gewissen Unterdruck erzeugt, sodass über die Kühlrohre Luft angesaugt wird und der aufgeschmolzenen Kunststoff verdrängt wird. Denkbar ist auch eine Montage, bei der das Rohrpaket von oben in den Rohrboden eingepresst wird, wobei die Schwerkraft verhindert, dass Material nach oben in das Kühlrohr fließt. Zudem kann ein eingestecktes bzw. eingepresstes Kühlrohr auch wieder etwas zurückgezogen werden, um Vertiefungen im Rohrboden am Randbereich des Kühlrohres zu vermeiden, in denen sich sonst Spritzwasser und andere unerwünschte Anlagerungen ansammeln könnten.
Alternativ können auch verschlossene Kühlrohre in die Rohrböden eingesteckt werden, um deren verschlossen Enden erst nach der Montage, beispielsweise durch Abkürzen, Abschneiden oder Abbrechen zu entfernen und so einen Fluidkanal auszubilden.
Grundsätzlich können auch mehrere Kühlrohre gleichzeitig oder versetzt und nacheinander in den Rohrboden eingesteckt und montiert werden, wodurch sich die für die Montage erforderlichen Kräfte reduzieren lassen. Dies kann beispielsweise durch unterschiedlich lange Kühlrohre erreicht werden, die nacheinander in denselben Rohrboden eingesteckt werden.
Zur schnelleren Montage kann auch mehr als nur ein Rohrboden gleichzeitig montiert werden, ggf. sogar alle vier auf einmal. Sollte jedoch ein hoher Luftstrom erforderlich sein, um ein Verstopfen der Rohre durch den Kunststoff zu vermeiden, können immer nur max. zwei Rohrböden gleichzeitig montiert werden, und zwar immer zwei direkt benachbarte Rohrböden und nie zwei gegenüberliegende (also solche die dieselben Rohre verbinden), somit ist jederzeit ein freies Ansaugen von Luft möglich.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme zur Kompensation von Fertigungstoleranzen besteht darin, dass die Richtform beim Anordnen der Lagen (in Schritt a)) um wenigstens eine Achse geneigt wird.
Vorzugsweise kann die Richtform dabei auch um zwei Achsen gekippt werden. Die Kippwinkel sind dabei relativ klein und sollen im Bereich von 0°-45°, vorzugsweise von 0°-25° und ganz besonders bevorzugt von 0°-10°° liegen. Legt man nun Kühlrohre in die um eine oder zwei horizontale Achsen geneigte Richtform, gelangen Sie innerhalb der Richtform allein durch die Schwerkraft in eine definierte Anlageposition.
Insbesondere sinnvoll ist es auch hierbei, die Form um eine der diagonalen Achsen des Quaders leicht zu verkippen. Dies hätte den Effekt, dass alle Kühlrohre schwerkraftbedingt immer definiert an den Säulen bzw. am Innenrand des Kastens anliegen würden und dabei sowohl in ihrer Y- als auch der Z-Richtung definiert anliegen, wodurch die Fertigungstoleranzen deutlich reduziert werden können.
Zur Verbesserung der Haltbarkeit, insbesondere gegen Korrosion, ist vorgesehen, dass nach dem Verbinden der Lagen zu Rohrpaketen (nach Schritt b)) eine Oberflächenbehandlung durchgeführt wird. Hierzu können im Stand der Technik bekannte Beschichtungen aufgebracht werden oder die Oberfläche beispielsweise durch Eloxieren dauerhaft gegen Korrosion geschützt werden
Je nach Art der Oberflächenbehandlung kann es erforderlich sein dies vor der Montage der Rohrböden durchzuführen, sofern die Beschichtung oder der Beschichtungsprozess das Rohrboden-Material angreifen sollte. Danach wird noch eine Dichtheitsprüfung empfohlen, anschließend können die beiden Sammelkästen befestigt werden und eine erneute abschließende Dichtheitsprüfung direkt an den Einlass- bzw. Auslass-Öffnungen bzw. - Stutzen durchgeführt werden.
Um einen besonders kompakten Wärmetauscher eng aneinander anliegenden Kühlrohren bereitzustellen, kann bei dem Verfahren vorgesehen werden, dass die Lagen in der ersten Richtung verpresst werden bevor diese zu einem Rohrpaket verbunden werden. Dies kann also insbesondere vor Schritt b) geschehen. Hierdurch ist zum einen sichergestellt, dass die Kühlrohre der verschiedenen Lagen miteinander in Kontakt stehen, bevor sie beispielsweise durch Verlöten miteinander verbunden werden. Gleichzeitig können gegebenenfalls auftretende Fertigungstoleranzen auf diese Weise kompensiert werden. Sollte ein Verpressen erforderlich sein, muss diese Kraft auch während der Lötprozesses aufrechterhalten werden.
Nachdem das Rohrpaket (im Schritt a) komplett aufgebaut ist und ggf. zurechtgepresst worden ist erfolgt das Verlöten, z.B. in einem Ofen. Das Verlöten muss also auf jeden Fall innerhalb der Form passieren, damit die Rohre ihre Position behalten. Es sollte dabei sichergestellt werden, dass entweder kein Lot an die Form gelangt oder dass die Form aus einem Material besteht, das sich während des Lötvorgangs nicht mit dem Rohrpaket verbinden kann.
Mittels der Richtform können auch Wärmetauscher hergestellt werden, deren Kühlrohre nicht zwangsweise gleichmäßig und parallel in den Lagen angeordnet sind. Vielmehr kann die Dichte der Kühlrohre variiert werden. So können beispielsweise in einem Bereich eines vor oder hinter dem Wärmetauscher angeordneten Lüftermotors geringere Kühlrohrdichten vorgesehen werden, indem die Abstände zwischen den Kühlrohren variiert werden oder die Kühlrohre nicht parallel ausgerichtet werden.
Weiterhin können auch gekrümmte Kühlrohre in einer entsprechend gestalteten Richtform angeordnet werden, um diese dann anschließend mit den Kühlrohren anderer Lagen zu verbinden.
Insbesondere können auch die vordersten Kühlrohre geringfügig dicker, das heißt mit einem größeren Außendurchmesser ausgebildet werden, um die dahinterliegenden Kühlrohre vor einem Zusetzen des Kühlers zu schützen. Insbesondere können die vorderen Kühlrohre dabei auch aus Vollmaterial und nicht fluidführend ausgebildet sein.
Der Wärmetauscher sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten des Wärmetauschers zeigen, auf die sie jedoch nicht beschränkt ist. In der Zeichnung zeigt:

1: eine Schrägansicht eines beschriebenen Wärmetauschers;
2: eine Frontansicht zweier unterschiedlicher Lagen;
3: einen Rohrboden mit seinen Öffnungen inkl. Einführschräge aus Sicht des Rohrpakets ;
4: eine Schnittdarstellung eines Rohrbodens mit unmontierten Kühlrohren;
5: einen Sammelkasten mit zwei unmontierten Rohrböden;
6: eine schräge Ansicht eines Abstandshalters;
7: einen rechteckigen Wärmetauscher mit einem Parallelogramm-förmigen Rohrpacket;
8: einen Wärmetauscher mit Mehrkammersammelkästen;
9: eine Richtform zur Herstellung eines Wärmetauschers mit zwei Achsen;
10: die Richtform nach 9 in einer teilweise dargestellten Schnittansicht;
11: die vergrößerte Detailansicht der Richtform nach 9;
12: eine erste mögliche Anordnung der Kühlrohre; und
13: eine zweite mögliche Anordnung der Kühlrohre.

In 1 ist ein beschriebener Wärmetauscher 1 in einer Schrägansicht dargestellt.
Der Wärmetauscher 1 ist vorliegend als Mikrokanalkühler 2 ausgebildet und weist eine Vorderseite 32 und Rückseite 33 auf. Ein Rohrpaket 3 ist von zwei Sammelkästen 4 eingerahmt. Der rechte Sammelkasten 4 weist einen Einlassöffnung 5 für ein strömendes zu kühlende Fluid auf. Der linke Sammelkasten 4 weist eine Auslassöffnung 6 für das abströmende zu kühlende Fluid auf. Jeder Sammelkasten 4 weist einen ersten Schenkel 21a und einen zweiten Schenkel 21b auf, wobei die Schenkel 21a und 21b unter einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Das Rohrpaket 3 ist aus Kühlrohren 7 gebildet und an einem Außenumfang 31 von den Sammelkästen 4 umfasst. Die Kühlrohre 7 sind dabei in eine erste Gruppe 8 von vertikal verlaufenden Kühlrohren 7 und eine zweite Gruppe 9 von horizontal verlaufenden Kühlrohren 7 unterteilt. Die Kühlrohre 7 der ersten Gruppe 8 und der zweiten Gruppe 9 kreuzen sich unter einem rechten Winkel bezogen auf die in der Figur angegebene YZ-Ebene.
In einer ersten Richtung, die der X-Achse in 1 entspricht, sind mehrere Lagen 10 von Kühlrohren 7 hintereinander angeordnet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bildet jede erste Gruppe 8 und jede zweite Gruppe 9 jeweils eine Lage 10 aus.
Die 2 zeigt beispielhaft zwei mögliche Anordnungen von Kühlrohren 7 zu Lagen 10. Auf der linken Seite der 2 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die horizontalen und vertikalen Kühlrohre 7, ähnlich einem gewebten Textil verwoben sind. Die so miteinander verwobenen Kühlrohre 7 bilden eine gemeinsame Lage 10, die bei der Fertigung in einem Stück handhabbar ist.
Auf der rechten Seite der 2 ist eine andere Ausführungsform gezeigt, bei der eine erste Gruppe 8 von vertikalen Kühlrohren 7 in X-Richtung gesehen hinter einer zweiten Gruppe 9 von horizontalen Kühlrohren 7 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform bilden die Kühlrohre 7 der ersten Gruppe 8 und die Kühlrohre 7 der zweiten Gruppen 9 jeweils eine eigene Lage 10. Die X-Richtung, wie sie in 2 dargestellt ist entspricht der Richtung, in der die Kühlrohre 7 im eingebauten Zustand vom kühlenden Medium angeströmt werden. Die 2 zeigt somit eine Ansicht des für die Kühlung zur Verfügung stehenden wirksamen Querschnitts des Wärmetauschers 1.
Die auf der rechten Seite dargestellte Variante ist hierbei besonders bevorzugt, da sie besonders einfach herzustellen ist. Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird auf diese Variante Bezug genommen, die zudem ohne Abstandshalter ausgebildet ist. Diese bevorzugte Variante hat zudem den Vorteil, dass sich hierbei auf sehr einfache Art und Weise ein größerer Abstand zwischen den Rohren realisieren lässt ohne auf Lösungen mit den Abstandshaltern zurückgreifen zu müssen: Indem beim Einlegen der Kühlrohre immer jedes zweite Kühlrohr innerhalb einer Ebene weggelassen wird (sowohl in Y- als auch in Z-Richtung) und die Leerstelle (jeweils für die in Y- und Z-Richtung verlaufenden Rohre) bei jeder gleichgerichteten Lage um eine Position geändert wird, ergibt sich ein Abstand (in X-Richtung) zwischen zwei Kühlrohren von vier Rohrdurchmessern, bezogen auf den Mittelpunkt der Kühlrohre, bzw. eine Leerstelle/Lücke von drei Durchmessern. Vor dem Verlöten des Rohrpakets kann dieses noch mittels einer kleinen Presse etwas zusammengestaucht werden. Idealerweise wird dabei genau das gewünschte X-Maß eingestellt. Das hätte die Vorteile, dass Fertigungstoleranzen korrigiert werden könnten, zudem ließe sich somit der Abstand zwischen den Kühlrohren einstellen, der Wärmetauscher wird (in X-Richtung) kompakter und die Kontaktstellen bzw. Verbindungsflächen an den Kontaktstellen der sich kreuzenden Kühlrohre werden durch das Verpressen vergrößert.
In der 3 ist ein Rohrboden 11 mit seinen Bohrungen 15 und der Fase 13 aus Sicht des Rohrpakets dargestellt. Die Fase 13 dient dabei als Einführschräge für die Kühlrohre 7. Die nicht dargestellten Kühlrohre 7 gehören bei dem gezeigten Beispiel zur ersten Gruppe 8 und sind in vertikaler Richtung angeordnet, was vorliegend der Z-Richtung entspricht. Die Kühlrohre 7 weisen einen Außendurchmesser auf, der kleiner 2 mm ist. Außerdem weisen die Kühlrohre 7 eine Wandstärke von vorzugsweise weniger als 0,4 mm auf. Besonders bevorzugt werden beispielsweise Kühlrohre 7, die eine Wandstärke von weniger als 0,2 mm besitzen. Insbesondere können Wandstärken zwischen 0,025 mm und 0,4 mm, vorzugsweise Wandstärken zwischen 0,05 mm und 0,2 mm verwendet werden, die einen guten Kompromiss zwischen der mechanischen Festigkeit einerseits und der Wärmeleitfähigkeit andererseits bieten.
Gemäß 4 ist ein Rohrboden 11 in einer Schnittansicht dargestellt, bei dem die Kühlrohre 7 noch nicht montiert sind. Zur Montage werden die Kühlrohre 7 in Richtung des Pfeils 12 in den Rohrboden 11 eingesteckt. Der Rohrboden 11 weist dazu an der den Kühlrohren 7 zugewandten Seite Fasen 13 auf, die das Einstecken der Kühlrohre 7 erleichtern. Die Verbindung zwischen den Kühlrohren 7 und dem Rohrboden 11 kann beispielsweise durch thermisches Fügen, Verkleben, Verpressen oder anderen im Stand der Technik bekannten und geeigneten Verbindungsmitteln erfolgen. Der Rohrboden 11 und die Kühlrohre 7 können wahlweise aus Kunststoff oder Metall gefertigt werden. Ist der Rohrboden 11 beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt, so können zweite Fasen 14 verhindern, dass bei einem thermischen Fügen der Kühlrohre 7 abgeschmolzenes Material in die Öffnungen der Kühlrohre 7 gelangt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Rohrboden 11 eine Bohrung 15 aufweist, die gegenüber dem Außendurchmesser der Kühlrohre 7 ein geringes Untermaß aufweist. Während des Prozesses des thermischen Fügens wird die Oberfläche der Bohrung 15 eingeschmolzen und das überflüssige Material kann in die zweite Fase 14 verdrängt werden.
Für die Montage des gesamten Wärmetauschers 1 ist die Ausgestaltung der Rohrböden 11 von besonderer Bedeutung. 3 zeigt den Rohrboden 11 aus der Sicht des Rohrpakets 3 und 4 zeigt eine Schnittansicht durch einen Rohrboden 11. Wie dort zu erkennen ist, verfügt der Rohrboden 11 bereits über kleine Bohrungen 15 für die Kühlrohre 7. Diese Bohrungen 15 haben an ihrer schmalsten Stelle einen Durchmesser, der zwischen dem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser der Kühlrohre 7 liegt. An der Außenseite des Rohrbodens 11 (Außenseite entspricht der Seite, die nicht mit dem Kühlmittel in Kontakt steht) gibt es zudem eine möglichst große Einführfase 13. Diese Fase 13 ergibt in diesem Fall einen Kegel, wobei auch andere Formen denkbaren wären, also z.B. auch ein Einführbereich in Form einer Pyramide. An der Innenseite des Rohrbodens 11 ist eine weitere Fase 14 dargestellt, wobei es sich hierbei einfach nur um eine beliebig ausgeführte Durchmesseraufweitung handelt. Der kleinste Durchmesser dieser Bohrung 15 ist in der Figur zylindrisch dargestellt, jedoch wird im Sinne einer einfachen Herstellbarkeit mittels eines bei Kunststoffen üblichen Spritzguss-Verfahrens empfohlen die Bohrung 15 eher leicht konisch auszuführen, um eine Ausformschräge zu erhalten. Auch wäre es denkbar, anstelle einer glatten Innenfläche eine „Innenverzahnung“ aufzubringen, wobei der Innendurchmesser der Innenverzahnung nicht kleiner als der Innendurchmesser der Kühlrohre 7 sein sollte. Neben solchen Rillen in axialer Richtung der Bohrung 15, wären auch andere Rillen in Umfangsrichtung (ggf. auch ein Gewinde) denkbar, auch wenn diese schwieriger zur fertigen sind.
Die 5 zeigt einen Sammelkasten 4 in einer Ansicht in X-Richtung mit den beiden Schenkeln 21a und 21b und mit der Einlassöffnung 5. Weiterhin zeigt die 5 zwei Rohrböden 11, die in einer Montagerichtung 16 montierbar bzw. demontierbar sind. Die Rohrböden 11 sind vorliegend ohne die zugehörigen Kühlrohre 7 dargestellt. Beachtet man bei der Konstruktion, dass sämtliche Rohrböden 11 ein und dieselbe Montagerichtung 16 aufweisen, so können diese im Rahmen der Serienfertigung besonders einfach und gemeinsam mit dem Sammelkasten 4 montiert und verbunden werden.
Die Schrägansicht nach 6 zeigt einen Abstandshalter 17, der zwischen den Lagen 10 eines Rohrpakets 3 angeordnet werden kann. Durch die Aussparungen 18 gewährleistet der Abstandshalter 17 einen konstanten Abstand zwischen den verschiedenen Lagen 10. Weiterhin weist der Abstandshalter 17 eine Öffnung 19 auf, an/in der im verbauten Zustand weitere Komponenten befestigt werden können. Beispielsweise kann daran ein Lüfter oder ein Thermostat befestigt werden.
Die 7 zeigt eine Frontansicht in X-Richtung eines Wärmetauschers 1 mit einem Parallelogramm-förmigen Rohrpaket 3. Die Kühlrohre 7 der ersten Gruppe 8 kreuzen dabei die Kühlrohre 7 der zweiten Gruppen 9 unter einem Winkel α (Bezugszeichen 20), der kleiner als 90° ist.
Gleichzeitig weisen die beiden Sammelkästen 4 erste Schenkel 21a und zweite Schenkel 21b auf, deren innerer Strömungsquerschnitt von den Einlassöffnungen 5 bzw. Auslassöffnungen 6 hin zu Enden 22 abnimmt. Jeder der beiden Sammelkästen 4 bildet eine Kammer 24 aus, die zusammen mit den Kühlrohren 7 eine Fluidleitung ausbilden. Durch diese Konstruktion wird der zu den Enden 22 hin nicht mehr für die Durchleitung des zu kühlenden Mediums benötigte Strömungsquerschnitt dazu genutzt, um die wirksame Kühlfläche des Rohrpakets 3, betrachtet in X-Richtung, zusätzlich zu vergrößern und damit die Kühlleistung zu verbessern.
Die 8 zeigt eine besonders bevorzugte Weiterbildung des beschriebenen Wärmetauschers, bei der die Sammelkästen 4 innenliegende Trennwände 23 aufweisen, um innerhalb eines Sammelkastens 4 wenigstens zwei Kammern 24a, 24b auszubilden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind für die Sammelkästen 4 zwei Trennwände 23 vorgesehen, welche jeweils die Kammern 24a, 24b und 24c innerhalb der Sammelkästen 4 ausbilden. Die Kammern 24a, 24b und 24c sind durch die Trennwände 23 fluiddicht voneinander getrennt.
So tritt das zu kühlende Fluid bei einem ersten Strömungspfad über die Einlassöffnung 5 in die Kammer 24 a des rechten Sammelkastens 4 ein, wird dann entlang der gestrichelten Linie über Kühlrohre 7 der ersten Gruppe 8 von vertikalen Kühlrohren 7 nach unten in die Kammer 24 c des linken Sammelkastens 4 geleitet. Dort wird das zu kühlende Fluid umgelenkt und durch andere Kühlrohre 7 der ersten Gruppe 8 nach oben in die Kammer 24 c des rechten Sammelkastens 4 geleitet, bevor es von dort wiederum durch vertikale Kühlrohre 7 nach unten in die Kammer 24 b des linken Sammelkastens 4 geleitet wird um dort über die Auslassöffnung 6 abgegeben zu werden. Auf diesen ersten Strömungspfad durchströmt das zu kühlende Fluid damit drei unterschiedliche Kühlrohre 7, bevor es aus dem Wärmetauscher 1 austritt. Gleiches gilt für den mittels der Volllinie dargestellten zweiten Strömungspfad, bei dem das zu kühlende Fluid ebenfalls drei unterschiedliche Kühlrohre 7 durchströmt, bevor es aus dem Wärmetauscher 1 austritt. Das mehrfache Durchlaufen der Kühlrohre erzeugt dabei eine besonders hervorragende und verbesserte Kühlwirkung.
In 9 ist eine Richtform 25 in einer Schrägansicht dargestellt. Die Richtform 25 ist kastenförmig aufgebaut und weist einen umlaufenden geschlossenen Rand auf, der eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten vertikalen Stiften 26 umschließt. In 9 sind ferner zwei rechtwinklig zueinander verlaufende horizontale Achsen 27, 28 dargestellt, um die die Richtform 25 geneigt werden kann.
Die 10 zeigt die Richtform 25 gemäß 9 nochmals in einer teilweise geschnittenen Ansicht, bei der die regelmäßige Anordnung der Stifte 26 innerhalb der Richtform 25 gut erkennbar ist. Die Länge der Stifte 26 begrenzt dabei die spätere Anzahl der maximal hintereinander angeordneten Lagen 10 des Rohrpakets 3. Zur Herstellung des Rohrpakets 3 werden die einzelnen Kühlrohre 7 unter Ausbildung von Lagen 10 in der Richtform 25 aufeinander aufgestapelt. Neigt man zuvor die Richtform 25 geringfügig, beispielsweise um einen Winkel von 20° um die beide Achsen 27 und 28, kann hierdurch sichergestellt werden, dass die eingelegten Kühlrohre 7 stets an einer Seite der Richtform 25 anliegen, wodurch Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. Die Stifte 26 verjüngen sich zu ihrem freien Ende hin, um das Einlegen der Kühlrohre 7 zu erleichtern. Die Richtform 25 ist temperaturbeständig, so dass die Kühlrohr 7 in der Form zu Rohrpaketen 3 verbunden werden können. Hierzu wird das Lot in der Form an den Kontaktstellen zwischen den jeweils benachbarten Kühlrohren 7 aufgebracht und anschließend die Richtform 25 zusammen mit den Kühlrohren 7 aufgeheizt, um die Lötverbindung zu erzeugen. Zusätzlich können die Lagen 10 dabei noch mechanisch miteinander verpresst werden, wodurch einerseits die Maßhaltigkeit des fertigen Rohrpakets 3 besser kontrolliert werden kann und andererseits aufgrund der Hertzschen-Pressung die Kontaktstellen zwischen den vorzugsweise runden Kühlrohren 7 größer werden.
Die 11 zeigt nochmals in einer vergrößerten Darstellung die sich verjüngenden freien Enden der Stifte 26.
In der 12 ist eine mögliche Variante dargestellt, nach der die Kühlrohre 7 zu Lagen 10 gestapelt werden können. Die Kühlrohre 7 sind dabei in einer regelmäßigen Anordnung und ohne Leerstellen aufeinander angeordnet und an Verbindungsstellen 29 durch Verbindungsmittel 30, wie beispielsweise durch Löten, miteinander verbunden. Bei der gezeigten Ausführungsform besteht jede Lage 10 jeweils nur aus vertikalen bzw. nur aus horizontalen Kühlrohren 7. Wie bereits zuvor beschrieben ist es auch möglich die Kühlrohre 7 unter einem anderen Winkel 20, der kleiner als 90° ist, zueinander anzuordnen.
Schließlich zeigt 13 noch eine andere Ausführungsform bei der die Kühlrohre 7 in X-Richtung einen vergrößerten Abstand A zueinander aufweisen. Die Kühlrohre 7 sind dabei wiederum regelmäßig angeordnet, jedoch entfällt in X-Richtung gesehen jedes zweite Kühlrohr 7. Die Leerstellen ohne Kühlrohre 7 sind jeweils mit gestrichelten Linien angedeutet. Gut erkennbar ist auch, dass die Leerstellen alternierend angeordnet sind. So ist in der obersten Lage die Position I eine Leerstelle, während in der mittleren Lage die Position I mit einem Kühlrohr 7 besetzt ist. Die unterste Lage weist an Position I dann wieder eine Leerstelle auf. Diese Ausführungsform kann bei der Herstellung ganz einfach dadurch realisiert werden, dass beim Einlegen der Kühlrohre 7 in die Richtform 25 nur jedes zweite Kühlrohr 7 der jeweiligen Lage 10 eingelegt wird. Auf diese besonders einfacher Art und Weise wird es möglich den Abstand zwischen den Kühlrohren 7 auf den dreifachen Außendurchmesser der Kühlrohre 7 zu vergrößern. Die Leerstellen an denen Kühlrohre 7 entfallen sind mittels der gestrichelten Linien angedeutet.
Der Vorteil des vergrößerten Abstands A liegt darin, dass das die Kühlrohre 7 in X-Richtung durchströmende kühlende Medium besser vermischt wird und somit die Kühlwirkung an den (in Strömungsrichtung dahinterliegenden) Kühlrohren 7 verbessert wird.
Während der Wärmetauscher bevorzugt mit Rohrpakten 3 aus Metall und Rohrböden 11 aus Kunststoff ausgeführt ist, sind auch andere Ausführungsvarianten möglich.
So können durchaus auch Kühlrohre 7 aus Kunststoff und Rohrböden 11 aus Metall oder auch alle Komponenten aus demselben Material gefertigt werden
Zudem kann anstelle des oben beschriebenen thermischen Direktfügens von Kühlrohren und Rohrböden auch ein Klebeprozess verwendet werden, um diese dauerhaft miteinander zu verbinden.
Bei einem anderen Herstellungsverfahren könnten die Rohrböden 11 zunächst ohne die Bohrungen 15 hergestellt werden, sodass die Kühlrohre 7 die Bohrungen 15 erst beim Aufschmelzen erzeugen. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass geringere Anforderungen an die Toleranzen der Kühlrohre 7 innerhalb des Rohrpakets 3 zu stellen sind.
Das Verfahren des thermischen Direktfügens von Kühlrohren 7 und Rohrböden 11 lässt sich zudem auch auf aktuelle konventionelle Wärmetauscher, deren Rohre in nur eine Richtung verlaufen, übertragen, also auf solche Wärmetauscher mit flachen Rohren und auch auf existierende Mikrokanalkühler.
Der Mehrwert dieser Erfindung liegt insbesondere bei der Gestaltung des Rohrpakets, das eine höhere Dichte an Wärmeübertragungsfläche pro Bauraum bietet. Das neue Design ermöglicht zudem ein neuartiges Herstellverfahren mit deutlich niedrigeren Herstellungskosten, im Vergleich zu bisherigen Mikrokanalkühlern und Wärmetauschern. Zudem kann die Anzahl an benötigten unterschiedlichen Bauteilen verringert werden und die Herstellung kann deutlich einfacher und durchgängiger automatisiert werden bei einer gleichzeitigen Reduzierung der Anzahl an Arbeitsschritten.
Die zuvor offenbarten Wärmetauscher können nicht nur als Kühler für Verbrennungsmotoren, sondern beispielsweise auch als Ladeluftkühler für eine Luftzuführung, etwa zusammen mit einem Turbolader, angewendet werden.
Schließlich ist es auch möglich einen der zuvor beschriebenen Wärmetauscher oder auch nur das Rohrpaket oder Teile davon mittels eines 3D-Druckverfahrens, beispielsweise aus Kunststoff oder Metall zu fertigen. Derartige additive Fertigungsverfahren stehen bereits prozesssicher und kostengünstig zur Verfügung.
Schließlich können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Kühlrohre unterschiedlicher Lagen nicht nur hintereinander, sondern auch seitlich versetzt zueinander angeordnet werden, sofern dies erforderlich ist. In den allermeisten Fällen wird jedoch die Anordnung hintereinander bevorzugt werden, um so den Schutz des Wärmetauschers gegen Steinschlag möglichst effektiv zu gestalten.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscher
2: Mikrokanalkühler
3: Rohrpaket
4: Sammelkasten
5: Einlassöffnung
6: Auslassöffnung
7: Kühlrohr
8: erste Gruppe
9: zweite Gruppe
10: Lage
11: Rohrboden
12: Pfeil
13: Fase
14: zweite Fase
15: Bohrung
16: Montagerichtung
17: Abstandshalter
18: Aussparung
19: Öffnung
20: Winkel a
21a: erster Schenkel
21b: zweiter Schenkel
22: Ende
23: Trennwand
24 24a,24b,24c: Kammer
25: Richtform
26: Stift
27: erste Achsen
28: zweite Achse
29: Verbindungsstelle
30: Verbindungsmittel
31: Außenumfang
32: Vorderseite
33: Rückseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012020882 A1 [0003]

Claims

Wärmetauscher (1) für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Sammelkasten (4) sowie einer Mehrzahl von Kühlrohren (7), die jeweils einen Fluidkanal zwischen den Sammelkästen (4) ausbilden, wobei die Kühlrohre (7) wenigsten zwei Gruppen (8,9) bilden und die Kühlrohre (7) einer ersten Gruppe (8) die Kühlrohre (7) einer zweiten Gruppe (9) unter einem Winkel (a) kreuzen, wobei ferner die Gruppen (8,9) in einer ersten Richtung (x) in Lagen (10) hintereinander angeordnet sind und durch Verbindungsmittel (30) verbunden ein Rohrpaket (3) bilden, und wenigstens zwei Rohrböden (11) vorgesehen sind, um die Enden (22) der Kühlrohre (7) des Rohrpakets (3) zu fixieren und unter Ausbildung eines Fluidkanals mit den Sammelkästen (4) zu verbinden.
Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1, wobei die Kühlrohre (7) an ihrem Umfang zumindest teilweise aufgeraut sind.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sammelkasten (4) das Rohrpaket (3) derart an einem Außenumfang (31) umfasst, dass dieser leitungstechnisch mit wenigstens zwei unterschiedlich ausgerichteten Gruppen (8,9) von Kühlrohren (7) verbunden ist.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkasten (4) einen ersten Schenkel (21a) und einen zweiten Schenkel (21b) aufweist, und die Schenkel (21a,21b) unter dem Winkel (a) von 45° bis 90° zueinander angeordnet sind.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen (8,9) ein rautenförmiges Rohrpaket (3) ausbilden.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (7) durch thermisches Fügen, Kleben oder Löten mit dem Rohrboden (11) verbunden sind.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkasten (4) eine Trennwand (23) aufweist, die innerhalb des Sammelkasten (4) wenigsten zwei Kammern (24a, 24b, 24c) ausbildet.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Vorderseite (32) und eine Rückseite (33) aufweist, und an der Vorderseite (32) zumindest die erste Lage von Kühlrohren (7) aus einem verstärkten Material, vorzugsweise einem Vollmaterial oder dickeren Material, hergestellt ist.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abstandshalter (17) zwischen den Lagen (10) vorgesehen sind, die gleichzeitig als Halterungen (19) für Anbauteile ausgebildet sind.
Kraftfahrzeug mit einem Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (1) umfassend die folgenden Schritte: a) Anordnen der Lagen (10) von Kühlrohren (7) in einer Richtform (25), b) Verbinden der Lagen (10) zu einem Rohrpaket (3), c) Verbinden der Rohrpakete (3) mit Rohrböden (11), d) Verbinden der Rohrböden (11) mit Sammelkästen (4).