DE10354382A1

DE10354382A1 - Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluftkühler für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE10354382A1
Application number: DE10354382A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Heine; Reinhard Kull
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-16
Also published as: US7413005B2; EP1687583A1; BRPI0416772A; US20070144718A1; CN1882818A; JP4460583B2; WO2005050120A1; CN1882818B; JP2007511733A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluftkühler (5) für Kraftfahrzeuge, mit einem Wärmeübertragerblock, bestehend aus Flachrohren (6) mit Flachrohrenden und Rippen (7) sowie Rohrböden (8) mit Durchzügen (9), in welchen die Flachrohrenden aufgenommen und verlötet sind, und mit auf die Rohrböden (8) aufsetzbaren Sammelkästen sowie mit Mitteln zur Umlenkung der Strömung im Einlaufbereich der Flachrohrenden. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass die Mittel zur Strömungsumlenkung (Umlenkmittel 2) und Mittel zur Verstärkung der Flachrohrenden (Verstärkungsmittel) als integriertes Bauteil (1) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Ladeluftkühler für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 – bekannt durch die DE-A 198 57 435.
Bei bekannten Wärmeübertragern münden die von einem Wärmeübertragermedium durchströmten Rohre in einen Rohrboden, der üblicherweisqe mit einem Sammelkasten verbunden ist. Die Rohr/Boden-Verbindung ist vielfach so gestaltet, dass der Rohrboden als nach innen gerichtete Durchzüge ausgebildete Durchbrüche aufweist, in welche die Rohre eingesteckt sind und nach innen über die Durchzüge überstehen. Die Rohre, vielfach Flachrohre sind mit den Durchzügen bzw. dem Boden verlötet. Diese Geometrie der Rohr/Boden-Verbindung ist für die Einströmung des Wärmeübertragermediums aus dem Sammelkasten in die Rohrenden strömungsungünstig, insbesondere bei Ladeluftkühlern, wo die Ladeluft eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Es ergibt sich somit im Einlaufbereich der Rohrenden das Problem eines relativ hohen Druckabfalls. Man hat daher in der DE-A 198 57 435 eine so genannte Umlenkplatte vorgeschlagen, die auf den Rohrboden aufgelegt wird und die Bereiche zwischen den Durchzügen bzw. Rohrenden abdeckt. Die Umlenkplatte weist abgerundete -Profile auf, sodass die Strömung, d. h. die Strömung der Ladeluft umgelenkt wird und die Druckverluste verringert werden. Vorzugsweise ist diese Umlenkplatte aus Kunststoff hergestellt, wird auf den metallischen Rohrboden aufgelegt und durch mechanische Mittel gehalten. Aufgrund der relativ hohen Ladelufttem peratur und der hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist diese Lösung nicht problemfrei.
Ein anderes Problem bei derartigen Wärmeübertragern, insbesondere auch bei Ladeluftkühlern mit Flachrohren besteht darin, dass die Eckbereiche und Schmalseiten der Flachrohre besonders hohen Beanspruchungen unterliegen, die sich aus dem Innendruck innerhalb des Sammelkastens und der Ausbildung des Rohrbodens ergeben. Diese Spannungsspitzen im Bereich der Rohr/Boden-Verbindungen können zu Rissen im Rohr, d. h. zu Undichtigkeiten des Wärmeübertragers führen. Es wurde daher von der Anmelderin für Kühlmittelkühler vorgeschlagen, die Rohrenden von Flachrohren durch einsteckbare und mit den Flachrohrenden verlötbare Klammerelemente zu verstärken. Diese Klammerelemente weisen vier Seitenschenkel auf, die in zwei benachbarte Flachrohre eingesteckt und mit diesen verlötet werden. Durch dieses Klammerelement werden also nur zwei Rohre, d. h. die am stärksten beanspruchten, in der Regel die äußersten Rohre des Wärmeübertragers verstärkt. Darüber hinaus ist der Durchflussquerschnitt des betreffenden Kühlmittelrohres erheblich reduziert, sodass es dort zu einem erhöhten Druckabfall kommt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Wärmeübertrager der eingangs genannten Art einerseits den Druckverlust im Einlaufbereich der Rohre gering zu halten und andererseits eine Verstärkung der Rohr/Boden-Verbindung in deren kritischen Bereichen zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patenanspruches 1. Erfindungsgemäß ist ein einheitliches integriertes Bauteil vorgesehen, welches sowohl eine günstige Beeinflussung der Strömung im Einlaufbereich der Rohre als auch eine Verstärkung der Rohrenden bewirkt. Dieses Bauteil erfüllt somit zwei Funktionen und kann einfach, d. h. in einem Arbeitsgang montiert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist das integrierte Bauteil aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem Aluminium werkstoff oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, wobei die Verstärkungsmittel mit den Flachrohrenden verlötet werden. Damit ergibt sich eine stoffschlüssige Versteifung bzw. Verstärkung der Rohr/Boden-Verbindung, und die Gefahr der Rissbildung ist erheblich reduziert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das integrierte Bauteil mit Umlenk- und Verstärkungsmitteln aus einer Blechplatine hergestellt, d. h. vorteilhafterweise durch Stanzen, Prägen und Abkanten. Damit wird der Vorteil geringer Herstellkosten erreicht, ohne dass die beiden Funktionen der Strömungsumlenkung und der Rohrverstärkung beeinträchtigt werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das integrierte Bauteil Finger oder „Zinken" nach Art eines Rechens auf, welche in die Flachrohre im Bereich deren Schmalseiten eingesteckt werden. Die Finger bzw. Zinken sind untereinander, d. h. von Rohr zu Rohr durch Längsstege verbunden, die wiederum durch Querstege körperlich miteinander in Verbindung stehen, wobei diese Querstege die Bereiche zwischen den Schmalseiten der Flachrohre abdecken und somit als Umlenkorgane für die Strömung wirken. Jeweils zwei benachbarte Querstege bilden somit eine Art Einlauftrichter für ein Flachrohrende. Damit ergibt sich ein geringer Druckabfall.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich das integrierte Bauteil über den gesamten Rohrboden, sodass die Einlaufverluste für jedes Rohr gleichmäßig reduziert werden, was einen geringeren Druckabfall für den gesamten Wärmeübertrager bedeutet. Gleichzeitig werden durch Einführen der integrierten Finger bzw. „Zinken" die Rohre verstärkt. Das Bauteil kann jedoch auch so gestaltet werden, dass Finger nur für die kritischen Rohr/Boden-Verbindungen vorgesehen sind, z. B. die äußersten Rohre. Damit würde man eine unnötige Verstärkung von nicht gefährdeten Rohren vermeiden und somit Gewicht sparen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 ein integriertes Bauteil zur Strömungsumlenkung und Rohrverstärkung in perspektivischer Darstellung,
2 das Bauteil gemäß 1 in einer Seitenansicht,
3 das Bauteil in einem Schnitt entlang der Linie III-III in 2,
4 eine Ansicht von oben auf das Bauteil gemäß 1,
5 ein Schnitt durch das Bauteil entlang der Linie V-V in 4,
6 einen Ausschnitt eines Ladeluftkühlers mit montiertem integrierten Bauteil gemäß 1,
7 eine Seitenansicht des Ladeluftkühlers gemäß 6,
8 einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in 7,
9 eine Ansicht von oben auf den Ladeluftkühler mit integriertem Bauteil und
10 einen Schnitt entlang der Linie X-X in 9.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines integrierten Bauteils 1, welches für einen in den 6 bis 10 dargestellten Ladeluftkühler bestimmt ist sowie einerseits der Beeinflussung der Ladeluftströmung und andererseits der Verstärkung der Rohre des Ladeluftkühlers dient. Das integrierte Bauteil 1 besteht im Wesentlichen aus drei Elementen, nämlich Querstegen 2, Längsstegen 3 und Fingern 4. Die Zahl der Querstege 2 und Finger 4 ist beliebig, d. h. mindestens ein Quersteg 2 und mindestens zwei Finger 4 auf jeder Seite, die jeweils durch einen Längssteg 3 miteinander verbunden sind. Das gesamte integrierte Bauteil 1 wird vorzugsweise aus einem Aluminiumblech hergestellt, d. h. zunächst aus einer Platine ausgestanzt, geprägt und abgekantet. Die Querstege 2 dienen der Beeinflussung der Ladeluftströmung, und die Finger 4 werden zur Verstärkung in die Rohre eingesetzt.
2 zeigt das Bauteil 1 von der Seite, d. h. mit Blick auf die vier Finger 4, welche durch den Längssteg 3 miteinander verbunden sind. Wie erwähnt, ist die Zahl der Finger beliebig, und damit verbunden, die Länge der Längsstege 3 variabel. Die Finger 4 weisen Spitzen 4a auf, die zur besseren Einführung in die hier nicht dargestellten Rohre leicht abgeschrägt sind.
3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III in 2, d. h. der Schnitt verläuft durch einen der Querstege 2 und zeigt seitliche abgewinkelte Bereiche 2a, die über eine 180-Grad-Abkantung 2b in die Längsstege 3 übergehen. Die Finger 4 weisen ein abgeschrägtes U-Profil mit seitlichen Schenkeln 4b auf, wobei das U-Profil dem Innenquerschnitt der hier nicht dargestellten Rohre angepasst ist.
4 zeigt eine Ansicht von oben auf das Bauteil 1 mit Querstegen 2, wobei die Schenkel 4b des U-Profils erkennbar sind, die sich von den profilierten Längsstegen 3 nach innen erstrecken. Die Längsstege 3 sind im Bereich der Querstege 2 infolge der 180-Grad-Abkantungen 2b etwas nach außen versetzt – insofern ergibt sich der profilierte Verlauf der Längsstege 3.
5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie V-V, wobei die abgekanteten Flächen 2a der Querstege 3 als Ansicht erscheinen. Die Querstege 2 weisen Längsseiten 2c auf, die leicht nach unten, d. h. in Richtung der Finger 4 abgekantet sind. Dadurch ergibt sich ein leicht nach außen gewölbtes Profil, d. h. ein konvexes Profil der Querstege 2.
6 zeigt einen Ausschnitt eines Ladeluftkühlers 5, ohne Sammelkasten mit. Flachrohren 6, zwischen denen Wellrippen 7 angeordnet sind. Die Flachrohre 6 münden in einen Rohrboden 8, welcher zur Aufnahme der Rohre 6 nach innen gerichtete Durchzüge 9 aufweist. Der Rohrboden 8 ist zwischen den Durchzügen 9 durch das oben beschriebene integrierte Bauteil 1 durch seine Querstege 2 teilweise abgedeckt, während dessen hier nicht sichtbare Finger 4 in den Rohren 6 stecken. Im Inneren der Rohre 6 sind einlötbare Turbulenzeinlagen 10 angeordnet. Die Rohre 6 werden von komprimierter, d. h. heißer Ladeluft durchströmt, während über die Wellrippen 7 Umgebungsluft strömt, welche der Kühlung der Ladeluft dient.
7 zeigt den Ladeluftkühler 5 in einer Ansicht von vorn, d. h. mit Blick auf die Stirnfläche, welche durch Schmalseiten 6a der Flachrohre 6 und die Wellrippen 7 gebildet wird. Der Rohrboden 8 weist eine Randleiste 11 mit Längsschlitzen 12 auf, welche der Befestigung eines hier nicht dargestellten Luft- oder Sammelkastens dienen. Das integrierte Bauteil 1 ragt etwas über diese Randleiste 11 nach oben hinaus.
8 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in 7, d. h. durch ein Flachrohr 6 mit einem Flachrohrende 6b, welches mit dem Durchzug 9 des Bodens 8 verlötet ist. Die Schmalseiten des Durchzuges 9 gehen nach außen in eine umlaufende Rinne 13 über, an welche sich die nach oben aufgestellte Randleiste 11 anschließt. Die Rinne 13 dient der Aufnahme einer gestrichelt dargestellten Dichtung, auf welche der gestrichelt dargestellte Ladeluftkasten 14 aufgesetzt und dann mittels der Randleiste 11 verbördelt wird. Aufgrund dieser Boden- und Durchzugsgeometrie ergeben sich die eingangs bereits erwähnten Spannungsspitzen, im Bereich der Schmalseiten 6a der Rohr/Boden-Verbindungen. Daher sind im Bereich der Schmalseiten der Rohrenden 6b die Finger 4 des integrierten Bauteiles 1 eingesetzt. Sie liegen – wie aus der Zeichnung ersichtlich – dicht an der Innenwandung der Rohrenden 6b, d. h. auch im Bereich des Durchzuges 9 an. Die Finger 4 des integrierten Bauteiles 1 werden mit der Innenwand der Rohrenden 6b verlötet und ergeben somit in diesen Eckbereichen der Rohrenden 6b eine stoffschlüssige Verstärkung, d. h. eine partielle Erhöhung der Wandstärke der Flachrohre 6.
9 zeigt eine Ansicht von oben, d. h. in Richtung auf den Rohrboden 8. Die Zwischenräume zwischen den Längsseiten der Flachrohrenden 6b sind durch die Querstege 2 des integrierten Bauteiles 1 abgedeckt. Aufgrund des zuvor beschriebenen konvexen Profils der Querstege 2 ergibt sich eine Beeinflussung der Ladeluftströmung in Richtung der Rohrenden 6b, was besonders aus der nächsten Figur ersichtlich wird.
10 zeigt einen Schnitt entlang der Linie X-X in 9. Man erkennt hier das konvexe Profil der Querstege 2 mit ihren abgekanteten Längsseiten 2c. Die Längsseiten 2c bilden somit für jedes Rohrende 6b eine Art Einlauftrichter oder Einlaufdüse, wodurch die Strömungsverluste beim Einströmen der Ladeluft in die Rohrenden 6a erheblich vermindert werden. Dies wird besonders deutlich, wenn man sich den Rohrboden 8 mit nach innen gerichteten Durchzügen 9 ohne die Querstege 2 vorstellt. Zwischen zwei benachbarten Durchzügen 9 befindet sich jeweils eine in Querrichtung des Bodens verlaufende Sicke 15, die aufgrund der Längsseiten der Durchzüge 9 etwa U-förmig ausgebildet ist. Diese Quersicken 15 würden eine erhebliche Verwirbelung der Ladeluft bei der Einströmung in die Rohrenden 6b verursachen. Dies wird jedoch durch die Abdeckung der Quersicken 15 mittels der Querstege 2 unterbunden. Es ergibt sich somit eine strömungsgünstige Abdeckung, wobei die abgekanteten Längsseiten 2c der Querstege auf den Oberkanten der Durchzüge aufliegen und sich seitlich gegen die überstehenden Rohrenden 6b abstützen. Durch die Verlötung der Finger 4 in den Rohrenden 6b ergibt sich auch eine feste Verbindung, d. h. eine sichere Positionierung des integrierten Bauteiles 1 auf dem Boden 8, sodass Vibrationen, verbunden mit möglichen Geräuschen, aufgrund der hohen Ladeluftgeschwindigkeiten ausgeschlossen sind.
Wie bereits erwähnt, ist die Länge des integrierten Bauteiles, d. h. die Zahl der Querstege und der Finger variabel – sie richtet sich nach der Zahl der zu verstärkenden Rohrenden. Die am höchsten beanspruchten Rohrenden liegen in der Regel in den äußeren bzw. äußersten Bereichen des Rohrbodens, sodass ein integriertes Bauteil mit beispielsweise drei bis fünf Querstegen ausreichend wäre. Es ist jedoch ebenso möglich – falls dies aufgrund der Beanspruchung des Rohrbodens erforderlich ist – den gesamten Rohrboden mit einem integrierten Bauteil abzudecken, sodass jeweils zwischen zwei benachbarten Rohrenden ein strömungsgünstiger Quersteg angeordnet ist. Bei einer Gesamtabdeckung des Rohrbodens können im mittleren Bereich des integrierten Bauteils die Finger entfernt, d. h. bei der Herstellung abgeschnitten werden, sodass die mittleren, weniger stark beanspruchten Rohre nicht verstärkt sind. Insofern kann das erfindungsgemäße integrierte Bauteil variabel gestaltet und den jeweiligen Beanspruchungen des Ladeluftkühlers bzw. Wärmeübertragers angepasst werden.

1: integriertes Bauteil
2: Quersteg
2a: Abkantfläche
2b: 180-Grad-Abkantung
2c: abgekantete Längsseite
3: Längssteg
4: Finger
4a: Fingerspitze
4b: Seitenschenkel
5: Ladeluftkühler
6: Flachrohr
6a: Schmalseite
6b: Rohrende
7: Wellrippe
8: Rohrboden
9: Durchzug
10: Turbulenzeinlage
11: Randleiste
12: Längsschlitz
13: Rinne
14: Ladeluftkasten
15: Quersicke

Claims

Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluftkühler für Kraftfahrzeuge mit einem Wärmeübertragerblock, bestehend aus Flachrohren (6) mit Flachrohrenden (6b) und Rippen (7) sowie Rohrböden (8) mit insbesondere als Durchzüge (9) ausgebildeten Durchbrüchen, in welchen die Flachrohrenden (6b) aufgenommen und verlötet sind, und mit insbesondere auf die Rohrböden (8) aufsetzbaren Sammelkästen (14) sowie mit Mitteln zur Umlenkung der Strömung im Einlaufbereich der Flachrohrenden (6b), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsumlenkung (Umlenkmittel 2) und Mittel zur Verstärkung der Flachrohrenden (Verstärkungsmittel 4) als integriertes Bauteil (1) ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel (2) und die Verstärkungsmittel (4) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem Aluminiumwerkstoff hergestellt und dass die Verstärkungsmittel (4) mit den Flachrohrenden (6b) verlötet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenk- und Verstärkungsmittel (2, 4) aus einer Blechplatine hergestellt sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenk- und Verstärkungsmittel (2, 4) aus einem Blech durch Stanzen, Prägen und Abkanten hergestellt sind.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (4) in die Flachrohrenden (6b) eingesteckt sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (4) der Innenkontur der Flachrohrenden (6b), insbesondere im Bereich deren Schmalseiten (6a) angepasst sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel als Finger (4) mit U-Profil (4b) ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (4) untereinander durch Längsstege (3) verbunden sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel als Querstege (2) ausgebildet, zwischen den Flachrohrenden (6b) angeordnet und mit den Längsstegen (3) verbunden sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Querstege (2) ein nach außen gewölbtes Profil aufweisen und Einlauftrichter (2c) für die Flachrohrenden (6b) bilden.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das integrierte Bauteil (1, 2, 3, 4) in mindestens zwei Flachrohrenden (6b) einsteckbar ist.