EP1887304A1 - Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einem gelöteten, aus Flachrohren (1) und im Wesentlichen eben ausgebildeten Rippen (2, 3) bestehenden Block, wobei die Rippen (2, 3) in einem Abstand t (Rippenteilung) parallel zueinander angeordnet sind und konische Durchzüge (4, 5) aufweisen, welche von den Flachrohren (1) durchsetzt werden und mit diesen Lotspalte (6) bilden. Es wird vorgeschlagen, dass die konischen Durchzüge (4, 5) gegenüber der Ebene der Rippen (2, 3) eine Höhe h aufweisen, für welche folgenden Bemessungsregel gilt: h ‰¥ t.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 - bekannt durch die DE 10 2005 032 812 A1 der Anmelderin.
• Durch die DE 10 2005 032 812 A1 der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager mit einem gelöteten System bekannt, welches aus im Wesentlichen ebenen Rippen und Flachrohren besteht, wobei die Rippen konische Durchzüge aufweisen, welche von den Flachrohren durchsetzt werden und mit diesen einen konischen Lotspalt bilden. Rohre und Rippen bestehen jeweils aus Aluminiumwerkstoffen und werden hart verlötet, wobei das Lot vorzugsweise als Plattierung auf den Flachrohren und/oder den Rippen deponiert ist. Nachteilig bei dem bekannten System ist, dass der konische Lotspalt, der einen etwa dreieckförmigen Querschnitt aufweist, aufgrund des relativ geringen Lotangebotes beim Lötprozess nicht vollständig mit Lot gefüllt und dass damit nicht die gewünschte Festigkeit des Systems erzielt wird. Darüber hinaus können sich im Bereich der Verbindung zwischen Flachrohr und Rippendurchzug Taschen ausbilden, welche aufgrund ihrer Kapillarwirkung zum Ausgangspunkt von Korrosion werden können, insbesondere, wenn die Taschen nach oben offen sind.
• Die Konizität der Durchzüge dient bei der Fertigung des Blockes, d. h. beim Einfädeln der Rohre in die Durchzüge eines Rippenpaketes als Einführhilfe, ohne welche eine automatische Fertigung nicht möglich wäre.
• Durch die US-A 5,501,270 wurde ein gelötetes System mit Flachrohren bekannt, welche in Rippendurchzügen bzw. Kragen von im Wesentlichen ebenen Rippen aufgenommen sind. Die Kragen sind zunächst, d. h. vor dem Einführen der Flachrohre konisch ausgebildet und wirken dabei als Einführhilfe. Nach dem Einführen der Rohre in das Rippenpaket legen sich die Kragenwände, welche auf dem Umfang teilweise geschlitzt oder ausgespart sind, parallel an die Wandung des Flachrohres an, sodass sich ein gleichmäßiger Lotspalt ergibt.
• Durch die EP 1 079 193 A2 wurde ein ähnliches gelötetes System für einen Wärmeübertrager bekannt, wobei Flachrohre in zylindrischen Rippendurchzügen aufgenommen sind. Die Enden der Flachrohre werden zum Einfädeln verquetscht, sodass sie einen geringeren Querschnitt erhalten und mit einem gewissen Spiel in die Durchzüge des Rippenpakete eingefädelt werden können. Anschließend werden die vorher verformten Rohrenden durch einen Dorn wieder auf das ursprüngliche Maß aufgeweitet. Bei dieser Lösung wird also auf konische Durchzüge als Einführhilfe zu Gunsten eines verjüngten Rohrendes verzichtet. Diese Alternativlösung ist verfahrenstechnisch relativaufwändig.
• Durch den Abstract der JP 2003 161 589 A wurde ein Flachrohr bekannt, welches Durchzüge von Rippen eines Wärmeübertragers durchsetzt. Die Durchzüge sind teilweise konisch und teilweise zylindrisch, d. h. an der Wandung des Flachrohres parallel anliegend ausgebildet. Der konische Bereich am Fuße des Durchzuges dient als Einführhilfe für die Flachrohre, während der zylindrische Bereich des Durchzuges der Wärmeübertragung dient und daher mit dem Rohr verlötet ist.
• Durch den Abstract der JP 02154992 A wurde ein gelötetes System mit Flachrohren und ebenen Rippen bekannt, welche Öffnungen mit Kragen zur Aufnahme der Flachrohre aufweisen. Die Öffnungen weisen einen größeren Querschnitt als die Flachrohre auf und erlauben somit ein einfaches Einführen der Rohre. Die Kragenwände legen sich an die flachen Seiten der Flachrohre an und bilden einen Lotspalt für eine feste Verlötung.
• Im Übrigen wird auf weiteren Stand der Technik in der oben genannten DE 10 2005 032 812 A1 verwiesen.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art insbesondere hinsichtlich seiner Lötverbindung zwischen Rohren und Rippen respektive Rippendurchzügen zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Durchzüge mit ihrem Spitzenbereich in den Fußbereich der benachbarten Durchzüge hineinragen. Die Höhe der Durchzüge ist somit größer als die Rippenteilung, d. h. der Abstand der Rippen, in Längsrichtung der Rohre gemessen. Durch die Überlappung der Durchzüge wird der Lotspalt im Fußbereich des Durchzuges verkleinert, d. h. für eine vollständige Füllung des Lotspaltes wird weniger Lot benötigt. Mit der erfindungsgemäßen Verkleinerung des Lotspaltes werden die Vorteile einer besseren Verlötung, einer Erhöhung der Bauteilfestigkeit sowie einer Sicherstellung der thermodynamischen Leistungsfähigkeit des Systems erreicht. Die Erhöhung der Festigkeit wird durch eine Quasi-Wanddickenerhöhung erzielt. Vorteilhaft ist ferner, dass die erfindungsgemäße Lösung kostenneutral ist und weder ein zusätzlicher Prozessschritt noch zusätzlicher Materialaufwand erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass korrosionsanfällige Taschen aufgrund vollständiger Füllung der Lotspalte vermieden werden; die Korrosionsbeständigkeit des Systems wird somit verbessert.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So beträgt die Überlappung zwischen den Durchzügen, d. h. die Differenz zwischen der Höhe h des Durchzuges und der Rippenteilung t weniger als 40 % der Rippenteilung, vorzugsweise weniger als 20 % der Rippenteilung. Damit wird der Vorteil beibehalten, dass sich die Rohre leicht in die Durchzüge einführen lassen und eine automatische Fertigung möglich ist. Andererseits wird durch die verbesserte Verlötung ein Verstärkungseffekt für die Verbindung zwischen Rohr und Rippendurchzug erreicht. Die erfindungsgemäße Überlappung der Durchzüge ist einerseits an die Rohrbreite b_R und andererseits an die Rippenteilung t gekoppelt - es können sich folgende Grenzfälle ergeben: a) die Rohrbreite ist relativ groß und die Rippenteilung relativ gering, d. h. die Rippendichte relativ hoch. In diesem Falle ist zwar eine Überlappung der Durchzüge möglich, allerdings muss auf eine abfalllose Herstellung des Rippendurchzuges (vgl. Stand der Technik) verzichtet werden; b) die Breite des Rohres ist relativ schmal und die Rippenteilung relativ groß. In diesem Falle lässt sich eine Überlappung dann nicht mehr herstellen, wenn die Rippenteilung t größer als die halbe Rohrbreite ist, d. h. t ≥ b_R/2.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
• Die einzige Fig. zeigt einen Schnitt durch eine Verbindung zwischen einem Flachrohr 1 eines nicht dargestellten Wärmeübertragers und zwei benachbarten Rippen 2, 3 eines vollständig nicht dargestellten Rippenpaketes. Rohr 1 und Rippen 2, 3 sind somit Teil eines nicht vollständig dargestellten Rippen/Rohr-Blockes. Im Übrigen wird auf die eingangs zum Stand der Technik genannte Patentanmeldung der Anmelderin, die DE 10 2005 032 812 A1 , Bezug genommen, die hiermit vollständig in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Das Flachrohr 1 weist einen flachovalen Querschnitt mit einer Breite b_R auf (die Breite erstreckt sich quer zur Strömungsrichtung der Luft, welche senkrecht zur Zeichenebene über die Rippen 2, 3 streicht. Die Rippen 2, 3 sind im Wesentlichen eben ausgebildet; sie können - was nicht dargestellt ist - an sich bekannte Kiemenfelder zur Erhöhung des luftseitigen Wärmeüberganges aufweisen. Die Rippen 2, 3 weisen konisch ausgebildete Durchzüge 4, 5 (auch Kragen genannt) mit einer Höhe h, gemessen in Längsrichtung I des Rohres 1, auf. Die konischen Durchzüge 4, 5 bilden mit dem Flachrohr 1 einen umlaufenden Lotspalt 6. Die parallel zueinander angeordneten Rippen 2, 3 weisen einen Abstand t auf, die so genannte Rippenteilung. Die konischen Durchzüge 4, 5 weisen jeweils einen Fußbereich 4a, 5a mit einer maximalen Breite b_D sowie einen Spitzenbereich 4b, 5b auf. Die Breite des Fußbereiches 5a bzw. 4a ist größer als die Breite des Flachrohres 1: b_D > b_R. Der Spitzenbereich 5b des Durchzuges 5 ragt in den Fußbereich 4a des benachbarten Durchzuges 4 hinein und bildet mit diesem eine Überlappung ü, welche der Differenz zwischen Durchzugshöhe h und Rippenteilung t entspricht. Durch dieses "Eintauchen" des oberen Teils 5b des Durchzuges 5 in den unteren Teil 4a des Durchzuges 4 wird der Spalt 6 zwischen der Innenwand des Durchzuges 4 und der Außenwand des Rohres 1 verringert (gleiches gilt für alle Durchzüge). Das Volumen des Lotspaltes 6 wird somit verringert, d. h. es wird weniger Lot zur vollständigen Befüllung des Spaltes 6 benötigt. Das Lot ist - wie in der vorgenannten Anmeldung der Anmelderin beschrieben - als Lotplattierung auf den Rippen 2, 3 oder dem Rohr 1 oder auf Rippen und Rohr deponiert und fließt aufgrund der Kapillarwirkung in den Lotspalt 6, der - aufgrund seiner erfindungsgemäßen Verkleinerung - nunmehr vollständig gefüllt werden kann, sodass ein feste Verlötung erfolgen kann. Dies bringt eine Erhöhung der Festigkeit des Rohres durch eine Quasi-Wandstärkenvergrößerung. Darüber hinaus wird die thermische Leitfähigkeit zwischen Rohr und Rippe verbessert, korrosionsanfällige Taschen werden vermieden.
• Der Durchzug bzw. Kragen muss nicht umlaufend, d. h. über den gesamten Umfang geschlossen sein, sondern kann auch Unterbrechungen in Form von Spalten oder Aussparungen aufweisen.
• Rohr und Rippe sind vorzugsweise aus Aluminiumwerkstoffen hergestellt und werden hartgelötet, zu Einzelheiten bezüglich der Lötverfahren wird auf die oben genannte Anmeldung der Anmelderin verwiesen.
• Die Abstandshaltung der Rippen kann mit aus dem Stand der Technik bekannten Mitteln, z.B. Turbulatoren in den Rippen erfolgen.

Claims (5)

1. Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einem gelöteten, aus Flachrohren (1) und im Wesentlichen eben ausgebildeten Rippen (2, 3) bestehenden Block, wobei die Rippen (2, 3) in einem Abstand t (Rippenteilung) parallel zueinander angeordnet sind und konische Durchzüge (4, 5) aufweisen, welche von den Flachrohren (1) durchsetzt werden und mit diesen Lotspalte (6) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die konischen Durchzüge (4, 5) gegenüber der Ebene der Rippen (2, 3) eine Höhe h aufweisen, für welche folgende Bemessungsregel gilt: $$\mathrm{h}\mathrm{\ge }\mathrm{t}\mathrm{.}$$

   
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchzüge (4, 5) einen Fußbereich (4a, 5a) und einen Spitzenbereich (4b, 5b) aufweisen und dass der Spitzenbereich (5b) eines Durchzuges (5) in den Fußbereich (4a) des benachbarten Durchzuges (4) hineinragt.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung I des Flachrohres (1) benachbarte Durchzüge (4, 5) eine Überlappung (ü) bilden, für welche folgende Beziehung gilt: $$\mathrm{0}\mathrm{\le }\mathrm{ü}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{4}\mathrm{t}\mathrm{,}\mathrm{vorzugsweise}\mathrm{0}\mathrm{\le }\mathrm{ü}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{2}\mathrm{t}\mathrm{.}$$

   
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotspalt (6) im Bereich der Überlappung (ü) durch zwei parallel zueinander angeordnete Schrägflächen (4a, 5b) gebildet wird.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fußbereich (5a) des konischen Durchzuges (5) eine Breite b_D und das Flachrohr (1) eine Breite b_R aufweisen, für welche folgende Beziehung gilt: $${\mathrm{b}}_{\mathrm{D}}\mathrm{>}{\mathrm{b}}_{\mathrm{R}}\mathrm{.}$$

   

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