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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Wärmeübertragerblock mit Flachrohren, die jeweils längsendseitig in zugehörigen Durchgangsöffnungen eines Rohrbodens aufgenommen sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Wärmeübertrager.
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Gattungsgemäße Wärmeübertrager sind hinlänglich bekannt und werden heutzutage in nahezu jedem Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Ein derartiger Wärmeübertrager besitzt dabei eine Vielzahl an Flachrohren, zwischen denen Wärmeübertragerelemente, wie beispielsweise Wellrippen, angeordnet sind, wobei die Flachrohre und die Wärmeübertragerelemente alternierend aufeinander gestapelt sind. Ein auf diese Weise gebildeter Stapel ist dabei üblicherweise beidseitig durch Seitenteile geschlossen, die zusammen mit den Flachrohren jeweils längsendseitig an bzw. in einem Rohrboden festgelegt sind. Der Rohrboden bildet zusammen mit einem Kasten einen Kühlmittelsammler, so dass sich ein Teil eines Kühlmittelpfades vom dem einen Kühlmittelsammler durch die Flachrohre zum anderen Kühlmittelsammler ergibt. Die das Kühlmittel kühlende Luft strömt dabei orthogonal zwischen den Flachrohren hindurch.
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Die Flachrohre selbst werden üblicherweise aus Aluminiumblech gefaltet und/oder geschweißt und weisen in der Regel mindestens eine Oberflächendiskontinuität, beispielsweise einen Falz oder einen Steg, auf, die den Strömungskanal für das Kühlmittel in dem Flachrohr in wenigstens zwei Kammern unterteilt. Fertigungsbedingt weisen die gefalteten, aber auch ggf. die geschweißten Flachrohre an ihrer äußeren Oberfläche somit wenigstens eine Öffnung bzw. Faltung, das heißt eine Oberflächendiskontinuität, auf.
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In bestimmten Betriebszuständen des Wärmeübertragers ist es möglich, dass aufgrund einer Vereisung der mit einem Luftstrom in Kontakt stehenden Oberflächen der Flachrohre erhöhte mechanische Belastungen auftreten. Derart erhöhte Belastungen wirken sich dabei insbesondere auf Schwachstellen der Flachrohre, das heißt auf die Seiten mit den Oberflächendiskontinuitäten, negativ aus.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die im Betrieb auftretenden mechanischen Belastungen reduziert.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine ohnehin mechanische Schwachstelle eines jeden Flachrohrs, nämlich eine Oberflächendiskontinuität, im Einbauzustand der Flachrohre so anzuordnen, dass diese auf einer Unterseite der Flachrohre angeordnet und dadurch im Einbauzustand nach unten in Richtung der Schwerkraft ausgerichtet ist. „Unten“ bedeutet in diesem Fall, dass die Oberflächendiskontinuität bei einem Querschnitt des Flachrohrs unterhalb einer horizontalen Mittelebene liegt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass zunächst flüssiges und dann an den Flachrohren vereisendes Wasser nicht in eventuell vorhandene Spalte bzw. Kavitäten der Oberflächendiskontinuität eindringen und dort beim Gefrieren einen Sprengdruck ausüben kann, wie dies beispielsweise bei einem Flachrohr der Fall wäre, bei welchem die Oberflächendiskontinuität oben angeordnet ist. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager, der beispielsweise für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann, weist dabei einen Wärmeübertragerblock mit den zuvor erwähnten Flachrohren auf, die jeweils längsendseitig in zugehörigen Durchgangsöffnungen eines Rohrbodens aufgenommen sind. Der Rohrboden bildet dabei den Bestandteil eines jeweiligen Kühlmittelverteilers bzw. -sammlers. Die Flachrohre selbst besitzen eine sich in Flachrohrlängsrichtung erstreckende Oberflächendiskontinuität auf, die beispielsweise bei der Herstellung der Flachrohre, insbesondere durch eine Faltung oder eine Löt- oder Schweißnaht, entsteht. Erfindungsgemäß sind nun sämtliche Flachrohre derart ausgerichtet, dass ihre jeweilige Oberflächendiskontinuität im Einbauzustand nach unten gerichtet ist. Im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern, bei welchen die einzelnen Flachrohren mit ihren Oberflächendiskontinuitäten willkürlich nach oben bzw. nach unten ausgerichtet eingebaut wurden, bietet der erfindungsgemäße Wärmeübertrager den großen Vorteil, dass beispielsweise sich auf dem jeweiligen Flachrohr befindliches Wasser, welches anschließend vereist, nicht in eventuell im Bereich der Oberflächendiskontinuität vorhandene Kavitäten bzw. Hohlräume und/oder Spalte bzw. Rillen eindringen und dort durch eine beim Gefrieren erfolgende Volumenvergrößerung zu einem Sprengdruck führen kann. Vielmehr ist bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager die ungestörte Oberfläche nach oben ausgerichtet, so dass darauf angeordnetes Wasser entweder gefahrlos gefrieren oder aber über die Schmalseiten nach unten abtropfen kann. Durch die erzwungene Ausrichtung der Flachrohre mit ihrer jeweiligen Oberflächendiskontinuität nach unten kann somit die mechanische Widerstandsfähigkeit des Wärmeübertragers, insbesondere beim Gefrieren erheblich gesteigert werden, da ein Gefrierprozess im Bereich der mechanischen Schwachstelle der Oberflächendiskontinuität zuverlässig ausgeschlossen werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die Flachrohre im Einbauzustand horizontal angeordnet. Durch die horizontale Anordnung kann gewährleistet werden, dass auch eine Unterseite des jeweiligen Flachrohrs im Wesentlichen horizontal verläuft, wodurch das beispielsweise von einer Oberseite über eine seitliche Schmalseite an die Unterseite laufende Wasser üblicherweise nicht bis zur jeweiligen Oberflächendiskontinuität gelangt, sondern bereits vorher abtropft.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Oberflächendiskontinuität als verschweißte oder verlötete Fügenaht oder als eingefalteter Steg ausgebildet. Bei einem Flachrohr mit einer Fügenaht wird dieses üblicherweise zunächst aus einem Bandmaterial umgeformt, wobei ein derart umgeformtes Flachrohr eine durchgehende Flachrohrbreitseite und eine mit einer Fügenaht versehenen Flachrohrbreitseite aufweist, an welcher zwei Schenkel des Flachrohres aneinanderstoßen und beispielsweise nach innen umgeknickt sind, um hierdurch noch einen zusätzlichen Steg zu bilden, der das Flachrohr in zwei benachbarte Kammern unterteilt. Bei einem derart gefalteten Flachrohr mit einer Fügenaht, weist das Flachrohr im Bereich der Fügenaht einen Falzfuß sowie einen Deltabereich auf, wobei der Falzfuß durch ein dichtes Anliegen der beiden umgebogenen Flachrohrschenkel an der durchgehenden, das heißt keine Oberflächendiskontinuität aufweisenden, Flachrohrbreitseite gekennzeichnet ist. Der Deltabereich stellt dabei die Flachrohrbreitseite dar, auf der die Oberflächendiskontinuität vorhanden ist. Im Deltabereich stoßen die beiden Flachrohrteilabschnitte aneinander und sind über einen Fügewerkstoff, beispielsweise Lot, dicht miteinander verbunden. Ein derartiges Lot ist auch im Bereich des Falzfußes vorhanden und dichtet hier den jeweils umgebogenen Endbereich des Flachrohrschenkels gegenüber der durchgehenden, das heißt keine Oberflächendiskontinuität aufweisenden, Flachrohrbreitseite ab. Ist das Flachrohr in dieser Art ausgebildet, so sollte gemäß der Erfindung der Deltabereich zur Unterseite des Wärmeübertragerblocks, ausgerichtet sein.
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Alternativ kann selbstverständlich die Oberflächendiskontinuität auch als eingefalteter Steg bzw. durch eine Längsnut im Bereich dieses Steges ausgebildet sein, wobei in diesem Fall dieser eingefaltete Steg zur Unterseite des Wärmeübertragerblocks zeigt bzw. gerichtet ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung kann zumindest ein Flachrohr als Falzrohr, insbesondere als J-Shape-Falzrohr oder als Kappnaht-Falzrohr, ausgebildet sein und im Bereich seines Falzes eine Fügenaht aufweisen. Derartige J-Shape-Falzrohre sind bei Wärmeübertragern weit verbreitet und bieten dabei den Vorteil, dass das J-förmig umgefaltete Ende des jeweiligen Flachrohrschenkels einen Steg bildet, welcher das Flachrohr in zwei Kammern unterteilt. In dem Bereich des Falzes ist dabei die zuvor beschriebene Fügenaht, beispielsweise eine Schweißnaht oder eine Lötnaht, vorgesehen, wobei die jeweiligen Falzrohre im Einbauzustand mit dieser Fügenaht zur Unterseite hin ausgerichtet sind.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind Wärmeübertragerelemente, insbesondere Wellrippen, vorgesehen, die insbesondere zwischen zwei Flachrohren angeordnet sind. Über derartige Wärmeübertragerelemente kann ein deutlich verbesserter Wärmeübertrag erreicht werden, wodurch die Leistung des Wärmeübertragers insgesamt gesteigert werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung kann ein derartiges Flachrohr auch auf der einen Flachrohrbreitseite eine Fügenaht und auf der gegenüberliegenden Seite eingefaltete Stege aufweisen. In diesem Fall ist dieses Flachrohr mit seiner Fügenaht (Oberflächendiskontinuität) zur Unterseite des Wärmeübertragerblocks ausgerichtet. Ist ein Flachrohr beispielsweise als Schweißrohr ausgebildet, das heißt mit einem in Umfangsrichtung geschlossenen Rohrmantel, so soll beispielsweise diejenige Flachrohrbreitseite zur Unterseite des Wärmeübertragerblocks ausgerichtet sein, an welcher ein eingefalteter Steg angeordnet ist. Sind an beiden Flachrohrbreitseiten eingefaltete Stege vorgesehen, beispielsweise bei einem vier oder fünf Kammern aufweisenden Flachrohr, so soll vorzugsweise diejenige Flachrohrbreitseite zur Unterseite des Wärmeübertragerblocks ausgerichtet sein, die die größere Anzahl an eingefalteten Stegen aufweist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
- 2 bis 5 unterschiedliche Querschnittsformen eines in dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager eingesetzten Flachrohrs.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1, beispielsweise für eine Brennkraftmaschine 2 eines Kraftfahrzeugs 3 einen Wärmeübertragerblock 4 mit Flachrohren 5 auf, die jeweils längsendseitig in zugehörigen Durchgangsöffnungen 6 eines Rohrbodens 7 aufgenommen sind. Der jeweilige Rohrboden 7 stellt dabei zusammen mit einem nicht näher bezeichneten Kasten einen Kühlmittelverteiler bzw. Kühlmittelsammler dar. Betrachtet man die Flachrohre 5 gemäß den 1 bis 5, so kann man erkennen, dass diese jeweils eine sich in Flachrohrlängsrichtung, das heißt gemäß den 1 bis 5 senkrecht zur Bildebene, erstreckende Oberflächendiskontinuität 8 aufweisen. Erfindungsgemäß sind nun sämtliche Flachrohre 5 derart im Wärmeübertragerblock 4 ausgerichtet, dass ihre jeweiligen Oberflächendiskontinuität 8 im Einbauzustand nach unten gerichtet ist. Dies bietet den großen Vorteil, dass die gegenüber einem Flüssigkeitseintritt, insbesondere gegenüber einem Wassereintritt, anfälligere Flachrohrseite stets nach unten in Wirkungsrichtung der Erdgravitation weist, wodurch das Risiko einer Beschädigung durch Vereisung der Komponenten des Wärmeübertragers 1 vermindert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 werden somit sämtliche Flachrohre 5 gleichförmig so orientiert, dass die die Oberflächendiskontinuität 8, beispielsweise eine Öffnung oder eine Faltung, aufweisende Flachrohrseite beim Betrieb des Kraftfahrzeugs 3 nach unten weist. Falls Flüssigkeit auf der Luftseite des Kühlernetzes vorhanden ist, so sammelt sich diese tendenziell auf der Oberseite der Flachrohre 5, welche durch die beschriebene Anordnung weniger anfällig gegenüber einem Flüssigkeitseintritt in Poren oder sonstige Kavitäten sind.
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Bei den gemäß den 1, 3 sowie 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen der Flachrohre 5, weisen diese jeweils lediglich eine einzige Oberflächendiskontinuität 8 auf, die gemäß den 1, 3 und 4 als Fügenaht 9 ausgebildet ist. Gleichzeitig ist im Bereich dieser Fügenaht 9 ein eingefalteter Steg 10 vorhanden, der das Flachrohr 5 in zwei benachbarte Kammern 11a und 11b teilt.
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Das gemäß der 5 dargestellte Flachrohr 5 kann beispielsweise als Strangpressprofil ausgebildet sein und dadurch keine Fügenaht 9 aufweisen, so dass in diesem Fall die Oberflächendiskontinuität 8 lediglich durch den eingefalteten Steg 10 gebildet ist. In diesem Fall ist das Flachrohr 5 im Einbauzustand so orientiert, dass die Oberflächendiskontinuität 8 im Bereich des Steges 10 ebenfalls nach unten ausgerichtet ist.
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Betrachtet man die Ausführungsform des Flachrohres 5 gemäß der 2, so kann man erkennen, dass dort eine als Fügenaht 9 ausgebildete Oberflächendiskontinuität 8 auf der einen Flachrohrbreitseite angeordnet ist, während auf der gegenüberliegenden Flachrohrbreitseite, hier an der Oberseite, zwei Oberflächendiskontinuitäten 8 vorhanden sind, die jedoch als eingefaltete Stege 10 ausgebildet sind. In diesem Fall gilt der Grundsatz, dass das Flachrohr 5 mit der als Fügenaht 9 ausgebildeten Oberflächendiskontinuität 8 nach unten angeordnet ist, da eine derartige Fügenaht 9 eine größere Schwachstelle darstellt. Wird der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 im Kraftfahrzeug 3 in einer gekippten Position montiert, so sollen die Flachrohre 5 derart orientiert sein, dass die die Oberflächendiskontinuität 8 aufweisende Flachrohrbreitseite in diejenige Richtung weist, welche die größtmögliche Übereinstimmung mit der Wirkrichtung der Erdgravitation besitzt.
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Die als Fügenaht 9 ausgebildete Oberflächendiskontinuität 8 kann beispielsweise eine Lötnaht oder eine Schweißnaht sein, bei der durch gegebenenfalls auftretende Kavitäten oder Spalte ein Eindringen von Wasser nicht gänzlich ausgeschlossen werden kann. Dieses Eindringen von Wasser in flüssigem Zustand mit einem bei einem Vereisen später auftretenden Sprengdruck kann die Lebensdauer des Flachrohrs 5 reduzieren, so dass eine Anordnung der Oberflächendiskontinuität 8 bzw. der Fügenaht 9 an der Unterseite ein Eindringen von Wasser in fügenahtseitige Spalte bzw. Kavitäten verhindert und dadurch die Lebensdauer verlängert.
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Die Flachrohre 5 können beispielsweise als Falzrohre, insbesondere als J-shape Falzrohre oder als Kappnaht-Falzrohre, ausgebildet sein (vgl. 1, 3 und 4) und im Bereich des Falzes die zuvor beschriebene Fügenaht 9 aufweist. Zwischen den einzelnen Flachrohren 5 können im Wärmeübertragerblock 4 nicht näher dargestellte Wärmeübertragerelemente, beispielsweise Wellrippen, vorgesehen sein, die einen Wärmeübertrag und damit eine Kühlleistung des Wärmeübertragers 2 erhöhen.
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Mit der erfindungsgemäßen Orientierung der Flachrohre 5 vermindert sich das Risiko einer Beschädigung durch Vereisung bei im Wesentlichen horizontal durchströmenten Wärmeübertragern 1 erheblich, da ein Eindringen von oberflächlich vorhandenem Kondensat in Kavitäten oder Poren des Flachrohrs 5 zumindest erschwert wird.
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Dabei ist selbstverständlich klar, dass die Flachrohre 5 nicht unbedingt horizontal verlaufen müssen, da beispielsweise Wärmeübetrager 1 in Elektro-Fahrzeugen teilweise auch in Schräglage mit Neigung in Richtung einer Fahrerkabine verbaut werden, so dass in diesen oder ähnlichen Fällen auch die Flachrohre 5 so ausgerichtet werden, dass die Orientierung der Oberflächendiskontinuität, z.B. der Faltung, möglichst gute Übereinstimmung mit der Wirkrichtung der Erdgravitation besitzt.
