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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil für einen Wärmeübertrager mit einem Rand, an dem parallel zu diesem verlaufende Öffnungen mit einer randnahen und einer randfernen Längsseite vorgesehen sind, die über ausgerundete Schmalseiten ineinander übergehen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Wärmeübertrager mit einem Sammelkasten und einem solchen Bauteil, welches über eine Wellschlitzbördelung mit dem Sammelkasten verbunden ist.
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In modernen Kraftfahrzeugen sind stetig steigende Anforderungen an Kühler in Bezug auf einen Druck, eine Temperatur und eine Schwingfestigkeit zu erfüllen, wobei insbesondere auch stetig steigende Belastungen an Schnittstellen zwischen gelöteten Aluminium-Wärmeübertragern und angeschlossenen Sammelkästen aus Kunststoff zu berücksichtigen sind.
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Zur Verbindung eines Rohrbodens oder eines Wärmeübertragerblocks mit einem solchen Sammelkasten sind oftmals Wellschlitzbördelungen vorgesehen, die den großen Vorteil bieten, vergleichsweise einfach und zuverlässig herstellbar zu sein und im Bedarfsfall auch wieder geöffnet werden zu können. Wellschlitzbördelungen bieten darüber hinaus den großen Vorteil, unterschiedlichste Materialien, wie beispielsweise Aluminium und Kunststoff, formschlüssig miteinander verbinden zu können. Hierbei wird beispielsweise ein entsprechender Flansch eines Sammelkastens aus Kunststoff auf eine sich in einer Bodensicke eines Rohrbodens befindliche Dichtung, insbesondere eine O-Ringdichtung, gedrückt, wodurch die Dichtung komprimiert wird. Anschließend wird der die parallel zum Rand verlaufenden Öffnungen aufweisende Rand im Bereich seiner über die Öffnungen verlaufenden Stege über den Flansch des Sammelkastens gebogen und dieser dadurch in Position gehalten.
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Nachteilig bei derartigen Wellschlitzbördelungen ist jedoch, dass bei einem Überdruck in dem Sammelkasten die über den Flansch des Sammelkastens geschobenen, wellenförmigen Stege stark beansprucht werden, wodurch über die Stege vergleichsweise große Zugspannungen auf die Schmalseiten der länglichen Öffnungen des Rohrbodens übertragen werden. Spannungsspitzen treten dabei insbesondere in den Radien der Schmalseiten der Öffnungen auf, die aufgrund der schlitzartigen Gestalt vergleichsweise klein sind. Da kleine Radien entsprechend der Kerbspannungsgesetze größere Spannungen verursachen, kann es zu einer Rissbildung zwischen zwei benachbarten Öffnungen kommen, wobei sich die Risse von einer Schmalseite des einen Schlitzes zur benachbarten Schmalseite des benachbarten Schlitzes ausbreiten, was wiederum langfristig zu einem Versagen der Wellschlitzbördelung führt, insbesondere unter einer Druckwechselbelastung.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Bauteil der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere bei einer Wellschlitzbördelung eine erhöhte Druckwechselfestigkeit aufweist.
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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, bei parallel zu einem Rand eines Bauteils eines Wärmeübertragers verlaufenden Öffnungen eine Schmalseite mit einem deutlich vergrößerten Radius auszurunden und zugleich Ausbuchtungen vorzusehen, wodurch eine im Bereich der Schmalseiten auftretende Kerbwirkung reduziert und eine Wechseldruckfestigkeit gesteigert werden können. Das Bauteil, welches beispielsweise als Wärmeübertragerblock oder als Rohrboden eines derartigen Wärmeübertragerblocks ausgebildet sein kann, besitzt dabei einen Rand, an dem parallel zu diesem verlaufende Öffnungen mit einer randnahen Längsseite Lo und einer randfernen Längsseite Lu vorgesehen sind, die über ausgerundete Schmalseiten B1, B2 ineinander übergehen. An jedem Längsende der randnahen Längsseite Lo der Öffnung ist eine in Richtung eines freien Endes des Randes gerichtete ausgerundete Ausbuchtung vorgesehen, die über die jeweils zugehörige Schmalseite B1, B2 ausgerundet in die randferne Längsseite Lu übergeht. Bislang wurden die Schmalseiten derartiger für eine Wellschlitzbördelung vorgesehener Schlitze mit einem Radius ausgerundet, der der Hälfte eines Abstandes zwischen der randnahen Längsseite Lo und der randfernen Längsseite Lu entsprach, was aufgrund des dann vergleichsweise kleinen Radius bei einer Wechseldruckbelastung, insbesondere bei einer Innendruckwechselbelastung, zu einer erhöhten Kerbwirkung im Bereich der Schmalseiten B1, B2 und damit zu einer erhöhten Rissgefahr führte. Mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Öffnung mit den Ausbuchtungen lassen sich sowohl die Kerbwirkung als auch die Rissgefahr deutlich reduzieren, wodurch die über die Öffnungen hergestellten Wellschlitzbördelungen deutlich stabiler, robuster und langlebiger ausgebildet werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils gehen die Schmalseiten B1, B2 über einen Radius Rs in die randferne Längsseite Lu übergehen, wobei der Radius Rs größer ist als die Hälfte eines Abstandes A der randnahen Längsseite Lo von der randfernen Längsseite Lu, vorzugsweise gleich dem Abstand A ist. Hierdurch kann der Radius Rs im Bereich der Schmalseiten deutlich vergrößert werden, wobei gleichzeitig die Kerbwirkung reduziert werden kann, was insbesondere bei einer Innendruckwechselbelastung dazu beiträgt, Spannungsspitzen zu reduzieren. Durch die Ausbuchtung kann darüber hinaus auch eine vereinfachte Verformung der Öffnung im Bereich deren Schmalseiten B1, B2 erreicht werden, wodurch sich das Risiko eines Risses zwischen zwei benachbarten Schmalseiten B1, B2 senken lässt.
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Zweckmäßig weist die Ausbuchtung einen Radius RA auf, der gleich groß ist wie der Abstand A der randnahen Längsseite Lo von der randfernen Längsseite. Durch eine derart gestaltete Ausbuchtung kann die bislang nur über den Radius R = 0,5 x A ausgerundete Schmalseite nun deutlich größer ausgestaltet werden, was ebenfalls dazu beiträgt, Spannungsspitzen und damit eine Rissgefahr zu reduzieren.
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Zweckmäßig schließen sich die Ausbuchtungen an die randnahe Längsseite Lo an. Da insbesondere ein zwischen dem freien Ende des Randes und der Öffnung gelegener Steg bei einer Wechseldruckbelastung quer zur Längsrichtung des Schlitzes bewegt wird, bietet es sich an, die Ausbuchtungen an die randnahe Längsseite Lo, das heißt an die Längsseite, die direkt benachbart zu dem freien Ende des Randes liegt, anzuschließen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils weist der Radius RA der Ausbuchtung einen Mittelpunkt auf, der um eine Höhe H versetzt zur randnahen Längsseite Lo in Richtung des freien Endes des Randes angeordnet ist. Hierdurch lässt sich nochmals eine Vergrößerung der Schmalseiten B1, B2 und damit eine deutliche Spannungsreduzierung bei der Wechseldruckfestigkeit im Bereich der Schmalseiten B1, B2 erreichen.
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Zweckmäßig ist das Bauteil aus Aluminium ausgebildet. Aluminium besitzt nicht nur ein geringes Gewicht, sondern auch eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit, wodurch es insbesondere für Anwendungen im Kühlerbereich bzw. im Bereich von Wärmeübertragern besonders geeignet ist.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Wärmeübertrager, beispielsweise einem Kühler mit einem in den vorherigen Absätzen beschriebenen Bauteil und einem Sammelkasten auszustatten, wobei das Bauteil über eine einen Flansch des Sammelkastens hintergreifende Wellschlitzbördelung mit dem Sammelkasten verbunden ist. In diesem Fall kann das Bauteil beispielsweise als Rohrboden oder als Wärmeübertragerblock ausgebildet sein, wodurch es möglich ist, die im Sammelkasten im Betrieb auftretenden Wechseldruckspannungen aufgrund der Ausbuchtungen aufzunehmen und dadurch eine Rissgefahr zu minimieren.
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Zweckmäßig ist der Sammelkasten aus Kunststoff ausgebildet. Im Unterschied zu einem Sammelkasten aus Aluminium, welcher beispielsweise mit einem Bauteil, insbesondere einem Rohrboden, aus Aluminium auch verlötet werden könnte, stellt ein Sammelkasten aus Kunststoff nicht nur eine vergleichsweise kostengünstige und leichte Alternative dar, sondern es ist auch eine Verbindung über eine Wellschlitzbördelung mit dem erfindungsgemäßen Bauteil möglich. Um dabei den Sammelkasten abzudichten ist zwischen einem Flansch des Sammelkastens und dem Bauteil eine Dichtung, beispielsweise eine O-Ringdichtung, eingeklemmt.
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Ein wesentlicher Vorteil des in den vorherigen Absätzen beschriebenen Wärmeübertragers ist, dass sich die mit der vorliegenden Erfindung erreichten Vorteile ohne grundsätzliche Konzeptänderungen auch auf einen konventionellen Wärmeübertrager mit einer Wellschlitzbördelung übertragen lassen. Weder ein Sammelkasten, noch eine Dichtung oder andere Komponenten des Wärmeübertragers müssten dementsprechend geändert werden. Lediglich die Öffnungen müssten modifiziert werden, so dass sich die vorliegende Erfindung in Bezug auf ein heutiges Design von Rohrböden bzw. Wärmeübertragern nahezu kostenneutral aber mit deutlich höherer Lebenszeiterwartung umsetzen lässt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 ein Bauteil für einen Wärmeübertrager mit einem Rand, in dem parallel zu diesem verlaufende Öffnungen vorgesehen sind, entsprechend dem Stand der Technik,
- 2 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Bauteil im Bereich einer erfindungsgemäß ausgestalteten Öffnung,
- 3 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Bauteil im Bereich einer erfindungsgemäß ausgestalteten Öffnung,
- 4 eine Darstellung wie in 3, jedoch unter Belastung und aus einer anderen Perspektive.
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Entsprechend der 1, weist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Bauteil 1' für einen Wärmeübertrager 2', beispielsweise einen Kühler, einen Rand 3' auf, an dem parallel zu diesem verlaufende Öffnungen 4' vorgesehen sind. Zwischen den Öffnungen 4' und einem freien Ende 5' des Randes 3' verlaufen Stege 6', die Teile einer Wellschlitzbördelung sind, so dass diese Stege 6' zur Herstellung der Wellschlitzbördelung über einen Flansch 7' eines Sammelkastens 8' elastisch verformt werden. Die Stege 6' schlängeln sich in diesem Fall wellenförmig über den Flansch 7' des Sammelkastens 8' und drücken dadurch den Flansch 7' gegen eine nicht gezeigte Dichtung.
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Jede der Öffnungen 4' besitzt eine randnahe Längsseite LO' sowie eine randferne Längsseite LU', die über Schmalseiten B1' B2' ausgerundet ineinander übergehen.
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Da es im Betrieb des Wärmeübertragers 2' in dem Sammelkasten 8' je nach Betriebspunkt zu hohen Drücken sowie zu hohen Wechseldruckbelastungen kommen kann, wirken auf die Stege 6' Kräfte in Richtung 9', das heißt in diesem Fall nach oben in Richtung des freien Endes 5' des Randes 3', wodurch es bei entsprechenden Innendruckwechselbelastungen zu einem Riss 10' zwischen zwei benachbarten Öffnungen 4' kommen kann, was letztendlich zu einem Versagen der Wellschlitzbördelung führt.
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Im Folgenden sollen nun die Vorteile der Erfindung dargestellt werden, wobei die gleichen Komponenten in den 2 bis 4 mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind, jedoch ohne Apostroph.
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Um eine höhere Innendruckwechselfestigkeit und damit auch eine längere Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 2 erreichen zu können, bei dem ein Bauteil 1 über eine Wellschlitzbördelung mit beispielsweise einem Sammelkasten 8 verbunden ist, sind die Öffnungen 4 insbesondere im Bereich ihrer Schmalseiten B1 und B2 gänzlich anders ausgestaltet als die Schmalseiten B1', B2' bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Bauteil 1'.
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Erfindungsgemäß besitzt nun die Öffnung 4 gemäß den 2 bis 4 eine randnahe Längsseite Lo sowie eine randferne Längsseite Lu, die über jeweils eine ausgerundete Schmalseite B1 bzw. B2 ineinander übergehen, wobei an jedem Längsende der randnahen Längsseite Lo eine in Richtung eines freien Endes 5 des Randes 3 gerichtete ausgerundete Ausbuchtung 12a, 12b vorgesehen ist, die über die jeweils zugehörige Schmalseite B1, B2 ausgerundet in die randferne Längsseite Lu übergeht.
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Bei bislang aus dem Stand der Technik bekannten Öffnungen 4' betrug der Radius, mit dem die Schmalseiten B1', B2' in die Längsseiten LO', LU' übergingen ca. die Hälfte des Abstandes A' zwischen den beiden Längsseiten LO', LU' wodurch die Schmalseiten B1', B2' mit sehr kleinem Radius ausgerundet waren und wodurch hohe Kerbspannungen und dadurch eine hohe Rissgefahr bestanden. Durch die an jedem Längsende der randnahen Längsseite Lo in Richtung des freien Endes 5 des Randes 3 gerichtete ausgerundete Ausbuchtung 12a, 12b lassen sich sowohl die Kerbspannungen als auch die Rissneigung reduzieren. „Längsende“ bezieht sich dabei auf eine Längsrichtung der Öffnungen 4, also quer zum Abstand A.
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Dabei können die ausgerundeten Schmalseiten B1, B2 einen Radius Rs aufweisen und über diesen in die randferne Längsseite Lu übergehen, der größer ist als die Hälfte des Abstandes A der randnahen Längsseite Lo von der randfernen Längsseite Lu, vorzugsweise gleich dem Abstand A ist. Durch diesen vergleichsweise großen Radius Rs lassen sich die Kerbwirkung an diesen Schmalseiten B1 und B2 und damit eine Rissneigung reduzieren. Die Ausbuchtungen 12a, 12b schließen sich dabei an die randnahe Längsseite Lo an, wodurch gemäß der 2 ein im Wesentlichen U-förmiges Profil der Öffnung 4 entsteht. Durch dieses U-förmige Profil der Öffnung 4 lässt sich eine deutlich verbesserte Spannungsaufnahme erreichen, da bei einer auf den Steg 6 wirkenden Kraft in der Richtung 9 deutlich geringere Zugspannungen in den Schmalseiten B1 und B2' auftreten.
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Der Radius RA der Ausbuchtungen 12a, 12b weist einen Mittelpunkt 11 auf, der um eine Höhe H versetzt zur randnahen Längsseite Lo in Richtung des freien Endes 5 des Randes 3 angeordnet ist. Hierdurch können die jeweiligen Ausbuchtungen 12 weit bis zum freien Ende 5 des Randes 3 reichen.
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Das gemäß den 2 bis 4 gezeigte erfindungsgemäße Bauteil 1 kann beispielsweise aus Aluminium ausgebildet sein, wogegen der Sammelkasten 8 sowie dessen Flansch 13 aus Kunststoff ausgebildet sein können. Hierdurch ist es möglich, durch ein in die Blattebene gerichtetes Hineindrücken des Steges 6 gemäß der 2 den Steg 6 über den Flansch 13 des Sammelkastens 8 zu verbiegen und diesen dadurch zu fixieren. Durch die im Betrieb aufgrund von wechselnden Innendrücken in Richtung 9 auf den Steg 6 einwirkenden Innendruckwechselspannungen kann es bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Öffnung 4 weniger stark zu einer Rissneigung kommen, da die Schmalseiten B1 und B2 mit deutlich größerem Radius Rs ausgerundet und zugleich mit den Ausbuchtungen 12a, 12b versehen sind, wodurch die die Risse begünstigende Kerbwirkung reduziert werden kann.
