DE4220823C2 - Heizungswärmetauscher für Personenkraftwagen mit mindestens zwei Teilwärmetauschern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizungswärmetauscher für Personenkraftwagen mit mindestens zwei Teilwärmetauschern mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Ein solcher Heizungswärmetauscher ist aus der FR 14 73 992 bekannt.

Die unabhängig voneinander einzeln ansteuerbaren Teilwärmetau­ scher eines solchen Heizungswärmetauschers dienen dazu, ver­ schiedene Bereiche des Personenkraftwagens, beispielsweise die Fahrerseite und die Beifahrerseite, unabhängig voneinander tem­ perieren zu können.

Schon bisher hat man, beispielsweise auch bei Konstruktionen des Stands der Technik der Anmelderin selbst, auf Minimierung der Herstellungskosten geachtet und deshalb beispielsweise den Teilwärmetauschern gemeinsame Sammler zugeordnet, die auf der Einlaßseite der Heizflüssigkeit durch eine Trennwand unterteilt sind. Da die Sammler einschließlich der genannten einlaßseiti­ gen Trennwand regelmäßig aus schlecht leitendem Kunststoff her­ gestellt werden und da ferner bei Drosselung des Heizfluidzu­ laufs zu einem Teilwärmetauscher verhältnismäßig große Trägheit der Abkühlung der im zulaufseitigen Sammelrohr des gedrosselten Teilwärmetauschers verbliebenen Heizflüssigkeit besteht, ist im zulaufseitigen Sammelrohr die Temperatur der Heizflüssigkeit bei allen Teilwärmetauschern nahezu gleich, und zwar gleich oder in der Nähe der Vorlauftemperatur. Selbst bei längerfri­ stig ausgeschaltetem Teilwärmetauscher hält die verbliebene Wärmeleitfähigkeit längs des Sammlers die im zulaufseitigen Sammler verbliebene Heizflüssigkeit des abgeschalteten Teil­ wärmetauschers noch auf relativ hoher Temperatur, ohne daß es zu großen Wärmeenergieverlusten kommt. Im Sammlerbereich, und zwar auch gerade im zulaufseitigen Sammlerbereich, besteht da­ her kein nennenswertes Bedürfnis, eine besondere Wärmedämmung zwischen den einzelnen Teilwärmetauschern auszubilden.

Anders ist dies zwischen den Lamellenverrippungen der einzelnen Teilwärmetauscher, da über das Metall der Lamellen mit guter Wärmeleitfähigkeit bei dem ganzen Heizungswärmetauscher ein großer Querwärmeaustausch bei gemeinsamer Lamellenverrippung besteht.

Bei einer bekannten Bauart von Heizungswärmetauschern mit mindestens zwei gesondert ansteuerbaren Heizungswärmetauschern hat man die Wärmetauschrohre jedes einzelnen Teilwärmetauschers gemeinsam mit Lamellen verrippt, zwischen den Lamellenverrippungen der einzelnen Teilwärmetau­ scher aber eine gut wärmedämmende Trennwand eingebaut, die zu­ gleich die einzelnen Teilwärmetauscher auf der Anströmseite der aufzuheizenden, als äußeres Wärmetauschfluid dienenden Luft voneinander trennt.

Diese bekannte Konstruktionsweise ist funktionell voll befrie­ digend. Der Herstellungs- und Montageaufwand ist jedoch immer noch relativ groß. Denn es müssen für jeden Teilwärmetauscher gesonderte Lamellenverrippungsblöcke hergestellt werden. Außer­ dem entstehen Zusatzkosten durch die genannte Trennwand. Schließlich ergeben sich aus beiden Gesichtspunkten Montage­ kosten.

Bei dem bekannten Heizungswärmetauscher nach der FR 14 73 992, von dem die Erfindung ausgeht, hat man die Herstellungs- und Montagekosten demgegenüber reduziert.

Durch verschiedenen Teilwärmetauschern nunmehr gemeinsamen Lamellen der jeweiligen Lamellenverrippung der einzelnen Teil­ wärmetauscher reicht es aus, einen einzigen Lamellenverrip­ pungsblock für alle Teilwärmetauscher des Heizungswärmetauschers herzustellen. Es werden lediglich die Lamellen in der Grenzzone zwischen den Teilwärmetauschern des Heizungswärmetauschers als Lappen ausgestellt und eine einzige, dadurch gebildete, langgestreckt gerade Öffnung beim sowieso erfor­ derlichen Stanzvorgang der Lamellen vorbereitet. Diese Lappen und die ihnen zugeordneten Öffnungen übernehmen dabei sowohl die Funktion der wärmeleitmäßigen als auch der luftsei­ tigen Trennung der gemeinsamen Lamellenverrippung in Querrich­ tung zwischen den einzelnen Teilwärmetauschern, bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft. Dadurch läßt sich die bei der vorgenannten bekannten Bauart ver­ wendete Trennplatte gänzlich einsparen. Außerdem entfallen die Montagearbeiten im Zusammenhang mit dem Zu­ sammenfügen von einzeln vorgefertigten Teilwärmetauschern und dem Einbau der Trennplatte. Wird die Öffnung mit den dazugehörigen Lappen in Strömungsrichtung der Umgebungsluft im Vergleich zur Lamellentiefe in gleicher Richtung ausreichend lang demensioniert, so kann der Verlust an Wärmedämmung in Querrichtung kleingehalten werden, so daß nennenswerte Auswirkungen einer gegenseitigen thermischen Beeinflussung der Teilwärmetauscher im Fahrzeugbetrieb kaum beobachtbar sind. Es fehlt aber an mechanischer Stabilität an der Grenzzone. Bei der Wärmetauschermontage nach dem Stanzvorgang besteht ferner die Gefahr eines Verbiegens oder gar Abknickens der Lamellen an den beiden nur lokalen Verbindungsstellen der Lamellen benachbarter Teilwärmetauscher an beiden Schmalseiten der einen Öffnung. Diese mechanische Schwäche erfordert relativ lange Montagezeiten, komplizierte Montagearten und/oder eine relative hohe Lamellenstärke.

Es ist bereits an sich bekannt (US 18 70 457), zur Herstel­ lungs- und Montagevereinfachung von Wärmetauschern für zwei unterschiedliche Fluide, bei denen jeder Wärmetauscher ver­ rippte Rohre aufweist, gemeinsame stirnseitige Halteplatten vorzusehen und diese durch eine Folge von Öffnungen pro Wärme­ tauscher wärmeleitmäßig zu entkoppeln (Öffnungen 21 in Fig. 2 der US 18 70 457). Diese Öffnungen sind jedoch nicht in den Lamellen vorgesehen. Außerdem haben sie keine Trennfunktion für ein den einzelnen Wärmetauschern gemeinsames äußeres Wärme­ tauschfluid.

Aus der EP 04 01 752 A2 der Anmelderin selbst ist es auch schon bekannt, bei einem Verflüssiger für ein Kältemittel einer Fahr­ zeugklimaanlage quer zur Strömungsrichtung von als äußerem Wärmetauschfluid dienender Luft einzelne Rohrreihen durch Öff­ nungen wärmeleitmäßig zu entkoppeln, um den Wirkungsgrad des ganzen Heizungswärmetauschers zu erhöhen. Zusätzlich sind aus derselben Vorveröffentlichung auch Öffnungen bildende Aussteller aus der Lamellenebene bekannt, die ebenfalls zur Erhöhung des Wirkungs­ grades turbulenzerzeugend wirken. In diesen beiden Fällen ist jedoch keine Wirkung der ausgestellten Lappen als zusätzliche Trennung auf der Seite der anströmenden Luft vorgesehen, um den Wärmetauscher funktionell quer zur Strömungsrichtung der an­ strömenden Luft in Teilwärmetauscher zu unterteilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellungs- und Montagekosten auch im Vergleich mit der FR 14 73 992 ohne bedeutsame funktionale Einbuße noch weiter zu reduzieren.

Diese Aufgabenstellung ist von besonderer Bedeutung, da es sich bei den erfindungsgemäßen Heizungswärmetauschern um Großserienerzeugnisse nach Art von Massenartikeln handelt, bei denen der Wettbewerb unter den verschiedenen Anbietern sehr stark ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem Heizungswärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Nach der Erfindung wird somit eine linienhafte Anordnung von Lappen und mehreren zugeordneten Öffnungen vorgesehen, die im Hinblick auf die Stabilität in einem Polybonzug angeordnet sind, bei dem pro Polygonschenkel nur ein Lappen angeordnet ist. Man kann so einen optimalen Kompromiß zwischen der Stabilität der jeweiligen Einzellamelle in deren Grenzzone und der verbleibenden thermischen Querleitung zwischen den Teilwärmetauschern bzw. deren luftseitiger Trennung erreichen.

Bei sachgerechter Ausbildung und Anordnung der Lappen und der ihnen zugeordneten Öffnungen erhält man dabei auch noch völlig ausreichende mechanische Stabilität der einzelnen Lamellen bei ihrer Fertigung. Im fertigen Heizungswärmetauscher ist die Stabilität noch höher als bisher, weil nunmehr die Lamellenpakete benachbarter Teilwärmetauscher über die Lamellen selbst miteinander über den Polygonzug stabiler als bisher mechanisch verbunden sind. Der Rationalisierungseffekt bei Herstellung und Montage ist dabei für Massenartikel der vorliegenden Art außerordentlich hoch.

Die Anordnung nach Anspruch 2 stellt sicher, daß auch bei Ver­ teilung der Lappen längs eines Polygonzuges der luftseitige Druckverlust nur unwesentlich erhöht wird und insbesondere luftseitig Strömungstoträume vermieden werden können.

Ebenfalls aus Stabilitätsgründen wird zweckmäßig gemäß An­ spruch 3 die Ausbildung eines Polygonzuges für die Anordnung der Lappen und der ihnen zugeordneten Öffnungen an die Rohr­ teilung in Luftströmungsrichtung angepaßt. Dabei kann man ins­ besondere sogar gemäß Anspruch 7 die Rohrteilung quer zur Luftrichtung im ganzen Heizungswärmetauscher konstant halten, eine Maßnahme, die bisher bei der Einpassung der Trennplatte besondere Anpassungsmaßnahmen erforderte; denn es ist auch bei dem bekannten Heizungswärmetauscher, von dem die Erfindung aus­ geht, üblich, erst die einzelnen Teilwärmetauscher vorzumontie­ ren und dann die Rohre durch Aufweiten in den blockartig zusam­ mengefaßten Lamellen mechanisch zu fixieren. Eine entsprechende Herstellungsart läßt der erfindungsgemäße Heizungswärmetauscher wegen der den Teilwärmetauschern gemeinsamen Lamellenverrippung völlig problemlos zu, ohne daß es zu Positionierungsproblemen der Teilwärmetauscher bei der Aufweitung der Rohre kommt, die für alle Rohre der Teilwärmetauscher gemeinsam durchgeführt wird.

Die Maßnahme nach Anspruch 4 gewährleistet allgemein eine luft­ seitige Trennung der Teilwärmetauscher über die ganze Höhe, so daß nur im Brückenbereich zwischen den Lappen noch geringfügige Kurzschlußstrecken in Querrichtung verbleiben, die jedoch strö­ mungsmäßig wenig wirksam sind.

Praktisch zweckmäßig ist dabei die Anordnung nach Anspruch 5. Hierbei kann man je nach Grad der Anstellung der Lappen unter­ schiedliche Lamellenabstände ausgleichen und zugleich durch den federnden Eingriff in Rohrrichtung zuverlässige Abdichtverhält­ nisse erhalten.

Anspruch 6 bezeichnet das vorzugsweise angestrebte Ausmaß der wärmemäßigen und luftseitigen Trennung. Bereits bei 30% ver­ bleibendem Querkurzschluß erhält man funktionell befriedigende Verhältnisse. Diese können bei Reduzierung auf höchstens 15% noch deutlich verbessert werden. Am günstigsten ist der Bereich zwischen 5 und 12%, bei dem die Stabilität gerade noch ausrei­ chend ist, während andererseits die wärmemäßige und luftseitige Entkopplung optimal erscheint.

Brückenverbindungen unter 2%, die an sich auch möglich er­ scheinen, sind jedoch für die Praxis riskant wegen der dann doch bei der geringen Lamellendicke bestehenden Abrißgefahr so­ wohl bei der Montage als auch im Dauerbetrieb. Eine Untergrenze von 3% mag demgegenüber schon eher vertretbar sein. Der Be­ reich von 5% oder mehr erscheint nach derzeitiger Einschätzung schon fast optimal. Derzeit wird ein Wert von 8 bis 10% als optimal eingeschätzt.

Bei dem Heizungswärmetauscher, von dem die Erfindung gattungs­ gemäß ausgeht, hat man die einzelnen Teilwärmetauscher an ihren beiden Enden jeweils durch einen Wasserkasten bzw. ein Sammel­ rohr, was synonym ist, mechanisch zusammengehalten.

Gemäß Anspruch 8 läßt die Erfindung nunmehr zu, eine Wasser­ kasten- oder Sammelrohranordnung nur noch an einem Rohrende vorzusehen und dafür die anderen Rohrenden in an sich bekann­ ter Weise jeweils paarweise haarnadelförmig zusammenzufassen. Dabei kann der Zusammenhalt der Teilwärmetauscher im Bereich der kommunizierenden Haarnadelenden wenigstens zum Teil über die gemeinsame Lamellenverrippung der Teilwärmetauscher erfol­ gen. Anspruch 9 betrifft dabei den bevorzugten Grenzfall, bei dem auf der Haarnadelseite völlig auf eine zusätzliche mecha­ nische Verbindung zwischen den Teilwärmetauschern verzichtet wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnun­ gen an zwei Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht mit teilweiser wegge­ brochener Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizungswärmetauschers;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine zwei benachbarten Teilwärme­ tauschern gemeinsame Lamelle der Lamellenverrippung eines erfindungsgemäßen Heizungswärmetauschers, bei­ spielsweise dem der Fig. 1 oder der Variante nach Fig. 4;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Lamellenverrippung bei einem erfindungsgemäßen Heizungswärmetauscher, zum Beispiel dem der Fig. 1, 2 bzw. 4, im Bereich der Grenzzone zwischen zwei benachbarten Teilwärmetauschern; sowie

Fig. 4 eine Variante zu Fig. 1, bei der bei sonst gleich­ bleibender Lamellenverrippung und Rohranordnung, etwa der nach Fig. 2, die Anschlußverhältnisse im Bereich der einen Rohrenden und die Ausbildung der anderen Rohrenden mitsamt dem Zusammenhalt der Teilwärmetau­ scher in diesem Bereich abgeändert sind.

Claims (9)

1. Heizungswärmetauscher für Personenkraftwagen mit minde­ stens zwei Teilwärmetauschern (8a, 8b), von denen jeder Wärmetauschrohre (2) aufweist, deren Durchströmung durch eine innere Heizflüssigkeit für die einzelnen Teilwärmetauscher gesondert einstellbar ist und die in den einzelnen Teilwärmetauschern jeweils eine gemeinsame Lamellenverrippung (4) haben, wobei zwischen den Lamellenverrippungen benachbarter Teilwärmetauscher eine Trenneinrichtung (34, 36) sowohl für den Wärmefluß zwischen den Lamellenverrippungen (4) dieser Teilwärmetauscher (8a, 8b) als auch für die den einzelnen Teilwärmetauschern (8a, 8b) jeweils als äußeres Wärmetauschfluid zugeführte Luft angeordnet ist,
die Wärmetauschrohre (2) verschiedener Teilwärmetauscher (8a, 8b) mit gemeinsamen Lamellen (6) verrippt sind,
in den benachbarten Teilwärmetauschern (8a, 8b) gemeinsamen Lamellen (6) in der Grenzzone (32) der Lamellenverrippungen (4) beider Teilwärmetauscher (8a, 8b) Lappen (34) des Lamellenmaterials aus den Lamellen (6) ausgestellt sind,
die dabei gebildeten Öffnungen (36) im Lamellenmaterial unter Bildung einer Trennlinie für Wärmefluß quer zur Strömungsrichtung (24) der Luft zwischen den benachbarten Teilwärmetauschern (8a, 8b) angeordnet sind und
die Lappen (34) zwischen den gemeinsamen Lamellen (6) der benachbarten Teilwärmetauscher (8a, 8b) gemeinsam jeweils eine Trennwand gegen Luftströmung zwischen den benachbarten Teilwärmetauschern bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Folge von Lappen (34) zwischen zwei benachbarten Teilwärmetauschern (8a, 8b) längs einer einzigen fortlaufenden Linie verteilt ist, die ein Polygonzug ist, bei dem pro Polygonschenkel (38) ein Lappen (34) angeordnet ist, neben dem je eine Öffnung (36) angeordnet ist.

2. Heizungswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anstellwinkel α der Polygonschenkel (38) gegen die Strömungsrichtung (24) der Luft abwechselnd plus und minus 10° bis 20°, vorzugsweise 15°, beträgt.

3. Heizungswärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß b sin |α| ≧ cist, wobei
α der Anstellwinkel des Polygonschenkels (38) gegen die Luftströmungsrichtung (24),
b der Abstand benachbarter Scheitel des Polygonzugs und
c die Rohrteilung in Luftströmungsrichtung (24) ist.

4. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lappen (34) an die gegen­ überliegende Lamelle (6) anstoßen.

5. Heizungswärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lappen (34) schräg aus der Lamellenebene mit einem kleineren Ausstellwinkel als 90° abgewinkelt sind, in die von dem entsprechenden Lappen (34) der gegenüberliegenden Lamelle (6) gebildete Öffnung (36) hineinragen und an dem Fußbereich (42) des Lappens (34) dieser Öffnung (36) federnd anliegen.

6. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellenbrücken (40) zwi­ schen den Lappen (34) höchstens 30%, vorzugsweise höchstens 15%, höchstvorzugsweise 5 bis 12% der Bautiefe der Lamellenverrippung (4) in Luftströmungsrichtung (24), ausmachen.

7. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung der Wärmetauschrohre (2) jeweils einer Rohrreihe quer zur Luftströmungsrichtung (24) im Heizungswärmetauscher über die Grenzzone(n) (32) zwischen den Teilwärmetauschern (8a, 8b) hinweg konstant ist.

8. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende der Wärmetausch­ rohre (2) des Heizungswärmetauschers ein sowohl zur Zuleitung als auch zum Abfluß der Heizflüssigkeit zu bzw. von den einzelnen Teilwärmetauschern (8a, 8b) dienender Wasserkasten (46) mit entsprechender Trennwandunterteilung angeordnet ist und daß die anderen Enden der Wärmetauschrohre paarweise als Haarnadeln (44) verbunden sind.

9. Heizungswärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwärmetauscher (8a, 8b) im Bereich der Haarnadeln (44) alleine über die gemeinsame Lamellenverrippung (4) zusammengehalten sind.