EP2122290B1

EP2122290B1 - Wärmetauscher zum wärmetausch zwischen einem ersten fluid und einem zweiten fluid

Info

Publication number: EP2122290B1
Application number: EP07856501.7A
Authority: EP
Inventors: Hermann Knaus; Christian Saumweber; Markus Reck; Claus Augenstein
Original assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2027-12-10
Also published as: DE102007059673A1; WO2008071362A9; EP2122290A1; WO2008071362A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. So ein Wärmetauscher ist aus US 5 092 397 bekannt. Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung eines solchen Wärmetauschers als Ladeluftkühler zur direkten oder indirekten Kühlung von Ladeluft in einem Ladeiuftzuführsystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Wärmetauscher sind insbesondere bei der eingangs genannten mobilen Anwendung zumeist als Rohr-Wellrippen-Systeme aufgebaut und insbesondere in dem genannten Fall einer besonders hohen stochastischen Druck- und Temperaturwechselbeanspruchung ausgesetzt. Die genannten Wechselbeanspruchungen sind maßgeblich für die Lebensdauer eines Wärmetauschers. Insbesondere die Temperaturwechselbeanspruchung ist bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art aufgrund der sich im Bereich der Rohrenden ergebenden besonders hohen mechanischen Spannungsamplituden die dominierende Belastungsart. Es hat sich gezeigt, dass es innerhalb des Blockes praktisch immer zu einer inhomogenen Temperaturverteilung mit einer dieser direkt zugeordneten inhomogenen Verteilung von Wärmedehnungen kommt; letzteres resultiert in einer Verspannung des Blockes. Hierbei können Wärmedehnungsunterschiede innerhalb des Blockes nicht nur in einer Rohrlängsrichtung auftreten, sondern existieren in der Regel auch quer dazu.
Grundsätzlich ist es, beispielsweise aus GB 169,855 , bekannt, Rohrenden bei einem Wärmetauscher in einem Durchzug zu halten. Dazu offenbart GB 169,855 einen Durchzug mit einem Kragen, welcher an seinem von einer Bodenplatte abgewendeten Ende eine durch Zungen gebildete zahnförmige Kontur aufweist, in welcher ein Rohrende flexibel und federnd gehalten ist. Die genannten Zungen dienen einer lokalen Verlängerung des Durchzugs, um einer etwaigen plötzlich auftretenden Querschnittsänderung eines Rohres Rechnung zu tragen. Zwar lässt sich dadurch eine flexiblere und nachgiebigere Halterung von Rohren im Bereich des Durchzugs erreichen - letzteres führt jedoch lediglich zu einer pauschalen Entlastung einer Rohr-Boden-Verbindung, ohne den konkreten Spannungen im Bereich der Rahr-Baden-Verbindung entgegenzuwirken.
Desgleichen sind in DE 33 16 960 , US 4,150,556 und JP 11051592 A weitere Möglichkeiten eines Durchzugs mit stufenartiger, abschnittsweise geradlinig verlaufender Kragenkontur zur Aufnahme eines Flachrohres angegeben, welche wiederum nur eine pauschale mechanische Verbesserung der Halterung für ein Flachrohr erreichen können.
In DE 39 10 357 A1 ist ein Durchzug offenbart, der zur Aufnahme eines Wärmetauscherrohres bestimmte hochgestellte Kragen mit ovalem Querschnitt aufweist. Zur Vermeidung von Rissen im Kragen, insbesondere bei großen Verhältnissen des größten Durchmessers zum kleinsten Durchmessers desselben, weist der Kragen im Bereich seiner kleinen Radien eine kleinere Höhe als im Bereich seiner größeren Radien auf. Dadurch soll das Einreißen des Kragens weitgehend ausgeschaltet werden, ohne dass dadurch eine wesentliche Leistungsverminderung des dort ebenfalls beschriebenen Wärmetauschers in Kauf genommen werden müsste.
Auch dort ist eine im Wesentlichen stufenartige, abschnittsweise geradlinig verlaufende Kragenkontur vorgeschlagen, wobei eine Kragenhöhe auch in Übergangsbereichen zwischen dem kleinsten und dem größten Radius des ovalen Kragens zunimmt, wie insbesondere die Fig. 4, 7 und 9 der DE 39 10 357 A1 zeigen. Ein solcher Wärmetauscher ist insbesondere hinsichtlich der bei einem Innendruckwechsel und/oder Temperaturwechsel auftretenden Probleme infolge der zug- und biegeverursachenden Spannungen verbesserungswürdig.
Wünschenswert wäre es, die Dauerhaltbarkeit bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu verbessern.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, einen Wärmetauscher anzugeben, bei dem die Dauerhaltbarkeit verbessert ist.
Die Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei einem Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung sind Spannungen im Bereich des Übergangs verringert Vorteilhafterweise ist dabei mindestens an der Rohrbreitseite und im Übergang eine Änderung des Abstandswertes kontinuierlich.
Die Spannungen im Bereich des Überganges können insbesondere dadurch verringert werden, dass der Abstandswert im gesamten Übergangsbereich zwischen der Rohrschmalseite und der Rohrbreitseite minimal ist. Bei den in der DE 39 10 357 A1 vorgeschlagenen Wärmetauschern ist der Abstandswert höchstens in Teilbereichen des Überganges zwischen kleinstem und größtem Durchmesser der ovalen Durchgangsöffnung minimal. In den übrigen Übergangsbereichen nimmt der Abstandswert hingegen zu, so dass die Durchzüge dort höhere Steifigkeiten aufweisen und dementsprechend Spannungen in den ovalen Rohren induzieren, die deren Dauerhaltbarkeit beeinträchtigen.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die durch Dehnungsunterschiede im Block hervorgerufenen Biegedeformationen besonders stark im Bereich einer Rohr-Boden-Verbindung bzw. einer Rohr-Kasten-Verbindung sind und entsprechend besonders dort zu hohen mechanischen Spannungen führen. Dabei hat die Erfindung erkannt, dass sich die höchsten Spannungen entlang des Rohrumfangs feststellen lassen, und zwar im Bereich des Übergangs zwischen der Rohrschmalseite und der Rohrbreitseite. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine Verringerung, insbesondere Minimierung, der Spannungen speziell im Bereich des Übergangs zu einer Vergrößerung der Lebensdauer des Wärmeübertauschers führt. Demgemäß sieht das Konzept der Erfindung vor, dass ein Abstandswert wenigstens an einem Übergang zwischen der Rohrschmalseite und der Rohrbreitseite derart geringer als ein Abstandswert an der Rohrbreitseite ist, dass Spannungen im Bereich des Übergangs verringert sind. Vorteilhaft ist dabei mindestens an der Rohrbreitseite und am Übergang eine Änderung des Abstandswerts kontinuierlich, so dass Spannungskonzentrationen durch Kerbwirkungen verringert oder vermieden werden. Einer gemäß der Erkenntnis der Erfindung vor allem im Übergangsbereich auftretenden Spannung wird durch die gezielte Verminderung des Abstandswerts am Übergang gemäß dem Konzept der Erfindung Rechnung getragen. Im Unterschied zu dem im Stand der Technik dargestellten Ansatz einer lediglich pauschalen Entlastung des gesamten Rohr-Boden-Verbindungsbereichs, sieht das Konzept der Erfindung vielmehr vor, in kontrollierter Weise, die Belastung des Übergangs als Bereich besonders hoher Spannung zu verringern. Vor allem wird durch das Konzept der Erfindung erreicht, dass die genannte hohe Spannung in einen Bereich niedriger Spannung verlagert wird, beispielsweise in den Seitenbereich eines Rohres.
Hieraus ergibt sich vorteilhaft eine einfachere Geometrie einer Durchgangsöffnung. Bevorzugt lässt sich ein Boden bzw. ein Kasten gemäß dem Konzept der Erfindung auch mit sehr viel verringertem Aufwand im Vergleich zum Stand der Technik herstellen und die Prozesssicherheit beim Kassetieren von Kühlernetzen wesentlich verbessern. Insgesamt ist die Dauerhaltbarkeit eines Wärmetauschers gemäß dem Konzept der Erfindung verbessert. Die genannten Vorteile haben sich insbesondere bei gelöteten Wärmetauschern ergeben. Gleichwohl hat sich das Konzept der Erfindung auch bei geschweißten, geklebten oder in weiterer vorteilhafter Weise gefügten Wärmetauschern als wirksam erwiesen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept der Erfindung im Rahmen der Aufgabenstellung, sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Als besonders vorteilhaft hat sich das Konzept bei einem Block erwiesen, in welchem die Strömungskanäle durch eine von dem zweiten Fluid durchströmbare Kammer aufgenommen sind. Darüber hinaus kann das Konzept gemäß der Erfindung im Hinblick auf einen Kasten Anwendung finden, welcher einen Deckel aufweist, wobei der Deckel am Boden festgelegt ist. Das Konzept der Erfindung ist auch bezüglich eines integral mit dem Kasten gebildeten Bodens vorteilhaft. Bei einer solchen integralen, insbesondere einstückigen, Ausbildung von Boden und Kasten kann eine Formgebung der Einheit im Zuge der Herstellung besonders günstig durch ein Innenhochdruck-Umformverfahren erfolgen.
Erfindungsgemäß bei einem mit einem Deckel gebildeten Kasten ist eine Durchgangsöffnung als ein Durchzug gebildet, insbesondere als ein Durchzug mit einem Kragen, mit einem zum Block hin orientierten Kragen. Diese Art eines Bodens hat sich als besonders leicht herstellbar erwiesen.
Vorzugsweise ist der Boden im Wesentlichen flach ausgebildet und/oder die genannte Ebene bezeichnet im Wesentlichen die Bodenebene. Mit anderen Worten, es weist die Durchgangsöffnung mindestens eine, von einer zur Rohrachsrichtung im Wesentlichen senkrechten Bodenebene weg gewölbte und in Abstand zu der genannten Bodenebene verlaufende Begrenzungskontur auf.
Der Abstandswert lässt sich je nach Bedarf im Hinblick auf die zu erwartenden Spannungen im Bereich des Übergangs gemäß dem Konzept der Erfindung darstellen.
Vorzugsweise ist der Abstandswert, ausgehend von der Rohrbreitseite, erstmals im Übergang zwischen der Rohrschmalseite und der Rohrbreitseite, geringer als in dem Bereich der Rohrbreitseite. Vorzugsweise ist der Abstandswert auch im Bereich der Rohrschmalseite geringer, insbesondere konstant, als im Bereich der Rohrbreitseite. Dies führt zu einer besonders effektiven Verlagerung der am Übergang auftretenden Spannungen in den Bereich einer Rohrbreitseite.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Verlaufskurve der Begrenzungskontur eine Funktion einer umfänglichen Abmessungen der Durchgangsöffnung ist. Als Abmessung einer Durchgangsöffnung kann insbesondere eine Länge einer Durchgangsöffnung - entsprechend der Rohrbreitseite - und/oder eine Breite einer Durchgangsöffnung - entsprechend einer Rohrschmalseite - dienen. Das Konzept der Erfindung sieht vor, dass die Polynomfunktion derart gebildet ist, dass Spannungen im Bereich des Übergangs verringert, vorzugsweise minimiert, sind. Es hat sich gezeigt, dass eine Verlaufskurve in Form einer Polynomfunktion mindestens des zweiten Grades vorteilhaft ist. Damit kann am Übergang eine Änderung des Abstandswertes gemäß dem Konzept der Erfindung kontinuierlich sein. Vorzugsweise liegt der Grad der Polynomfunktion unterhalb von 5, das heißt die Polynomfunktion hat nicht mehr als 4 Extrema.
Konkret können unterschiedlichste Begrenzungskonturen gemäß dem Konzept der Erfindung zur lokalen Verringerung der Spannungen im Bereich des Übergangs dienen. Vorzugsweise nimmt der Abstandswert im Bereich der Rohrbreitseite, bevorzugt genau, einen Maximalwert an, vorzugsweise in der Mitte der Rohrbreitseite.
Dadurch ergibt sich ein besonders großes Spannungsverlagerungsmoment. In einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Weiterbildung kann im Bereich einer Rohrbreitseite genau ein Minimalwert durch einen Abstandswert angenommen werden, insbesondere in der Mitte der Rohrbreitseite. Mit anderen Worten, hat der Abstandswert in diesem Fall genau zwei Maxima auf einer Seite, insbesondere jeweils zwischen der Seitenmitte und dem Übergang zur Rohrschmalseite. Darüber hinaus kann der Maximalwert des Abstandswertes je nach zu erwartender Spannungsbelastung festgelegt werden. Vorzugsweise liegt ein Maximalwert des Abstandswerts im Bereich des 0,2- bis 1,5-fachen der lichten Breite der Durchgangsöffnung - entsprechend der Rohrschmalseite. Besonders vorteilhaft sind hier Maximalwerte im Bereich des 0,5- bis 1,0-fachen der lichten Breite.
Darüber hinaus können unterschiedliche Varianten von Begrenzungskonturen bei einer Durchgangsöffnung kombiniert werden. Nach einer nicht erfindungsgemäßen Ausführung weist eine Durchgangsöffnung auf gegenüberliegenden Seiten unterschiedliche Varianten von Begrenzungskonturen auf. Beispielsweise kann eine erste nicht erfindungsgemäße Variante einer Begrenzungskontur genau einen Maximalwert eines Abstandswertes aufweisen, während eine zweite nicht erfindungsgemäße Variante einer Begrenzungskontur genau einen Minimalwert eines Abstandswerts aufweist oder einen konstanten Wert eines Abstandswertes. Darüber hinaus kann eine erste nicht erfindungsgemäße Variante einer Begrenzungskontur genau einen Minimalwert eines Abstandswertes aufweisen und die zweite nicht erfindungsgemäße Variante einer Begrenzungskontur einen konstanten Wert eines Abstandswertes aufweisen. Derartige asymmetrische Ausbildungen einer Durchgangsöffnung haben sich als vorteilhaft erwiesen, wenn auch die zu erwartende Spannungsbelastung eine Asymmetrie aufweist.
So hat sich beispielsweise gezeigt, dass das Konzept der Erfindung besonders wirksam für Eckrohre und/oder für in einem Randbereich eines Blockes angeordnete Rohre ist.
Die Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich von Wärmetauschern als so genannte Rohr-Wellrippen-Systeme erwiesen. Vorzugsweise weist dazu ein Strömungskanal ein Wärmeleitelement in Form einer an einer Kanalinnenseite angebrachten, insbesondere angelöteten Innenrippe und/oder ein Wärmeleitelement in Form einer an einer Kanalaußenseite angebrachten, insbesondere angelöteten Außenrippe auf. Die Rippen werden auch als Wellrippen bezeichnet. Vorzugsweise kann der Block darüber hinaus eine Strömungsleiteinrichtung, insbesondere eine Turbulenzeinrichtung aufweisen.
Die Erfindung führt in besonders bevorzugter Weise auf einen Wärmetauscher in Form eines direkten oder indirekten Ladeluftwärmetauschers, insbesondere Kühlers oder in Form eines Abgas-Wärmetauschers, insbesondere Kühlers.
In besonders bevorzugter Weise lässt sich das Konzept der vorliegenden Erfindung im Rahmen der Verwendung des Wärmetauschers der oben beschriebenen Art für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, also ganz allgemein im mobilen Bereich, einsetzen.
Bevorzugt ist eine Gesamtbegrenzungskontur der Durchgangsöffnung bzw. Durchgangsöffnungen wenigstens im gesamten Übergangsbereich zwischen einer Rohrschmalseite und einer Rohrbreitseite knickfrei. Damit wird vermieden, dass Spannungen durch Kerbwirkungen erhöht werden.
Erfindungsgemäß ist die Gesamtbegrenzungskontur im Bereich der Rohrbreitseite im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet. Solche Durchgangsöffnungen sind besonders einfach herzustellen. Darüber hinaus weisen entsprechende Wärmetauscher eine hohe Dauerhaltbarkeit sowie eine gute Kassetierbarkeit auf.
Als besonders günstig haben sich dabei Flanken mit einem Steigungswinkel im Bereich von 5° bis 75°, insbesondere im Bereich von 10° bis 60° und ganz besonders im Bereich von 15° bis 45° erwiesen. Sie stellen einen optimalen Kompromiss zwischen einer ausreichenden Abstützung der Strömungskanäle und einer Reduzierung der in diesen induzierten Spannungen dar.
Der Abstandswert der Gesamtbegrenzungskontur zu einer zur Rohrachsrichtung im wesentlichen senkrechten Ebene stellt längs des Umfanges der Durchgangsöffnung allgemein eine Funktion y(x) einer Koordinate x in Umfangsrichtung der Durchgangsöffnung dar.
Sowohl aus fertigungstechnischen als auch aus festigkeitstheoretischen Gründen hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn diese Funktion y(x) abschnittsweise definiert ist, wobei für jeden Abschnitt k gilt: $y (x) = {\sum_{i = 0}}^{nk} [a_{ik} • x^{i} + b_{ik} \sin (ω_{ik} • x + ϕ_{ik})] \Leftrightarrow x_{0 k} \leq x \leq x_{1 k}$
Dabei bezeichnet Σ_i=0 ^nk in üblicher Weise die Summe von i = 0 bis nk und nk die Ordnung des Polynoms im Abschnitt k. Vorteilhafterweise können sich diese Ordnungen in den verschiedenen Abschnitten unterscheiden. So können gerade bzw. schräge Abschnitte, die Polynomen nullten bzw. ersten Grades entsprechen, mit Abschnitten höheren Grades abwechseln. Umgekehrt hat es sich als günstig erwiesen, dass die Polynome jeweils höchstens den fünften Grad aufweisen, da ansonsten die Begrenzungskontur zu wellig wird.
Besonders vorteilhaft gehen die abschnittsweise definierten Funktionen an den Abschnittsgrenzen stetig, bevorzugt ein- oder mehrfach stetig differenzierbar ineinander über, wie dies beispielsweise bei kubischen oder B-Splines der Fall ist.
xⁱ bezeichnet in üblicher Weise die ite Potenz von x, x_0k die Koordinate am Beginn eines Abschnittes k und x_1k die Koordinate am Ende des Abschnittes k. Die Koeffizienten a_ik, b_ik, ω_ik, ϕ_ik sind konstant und für jeden Abschnitt k vorgegeben.
Dabei stellt der Term E_i=0 ^nk b_ik sin(ω_ik•x + ϕ_ik) eine Fourier-Reihe nk-ten Grades dar, durch die vorteilhaft sanfte, knickfreie Konturen angenähert werden können.
Natürlich können einige oder alle Koeffizienten des Polynom- oder des Fourier-Anteils in einem oder mehreren Abschnitten identisch null sein, insbesondere also die Funktion wenigstens abschnittsweise auch eine reine Polynomfunktion bzw. reine Fourierreihe sein.
Flachrohre eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers können beispielsweise einen im Wesentlichen rechteckigen oder ovalen Querschnitt aufweisen. Gleichermaßen können beispielsweise die Rohrschmalseiten gekrümmt und die Rohrbreitseiten gerade sein.
Bei Flachrohren mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt wird als Übergangsbereich zwischen Rohrschmalseite und Rohrbreitseite insbesondere eine Ecke bzw. ein Eckradius bezeichnet, wo Rohrschmalseite und Rohrbreitseite einander treffen. Bei gekrümmten Rohrschmal- und/oder Rohrbreitseiten kann der Übergangsbereich insbesondere den Bereich bezeichnen, in dem sich Rohrschmal- und Rohrbreitseite einander senkrecht zu ihrer jeweiligen Erstreckungsrichtung annähern. So kann bei einem Flachrohr mit im Wesentlichen ovalen Querschnitt im Wesentlichen der Bereich zwischen dem kleinsten und dem größten Durchmesser oder, bevorzugt, der Bereich als Übergangsbereich betrachtet werden, in dem der Durchmesser geringer als 80% des größten und größer als 120% des kleinsten Durchmessers ist.
Während sich die Erfindung als besonderes nützlich zur Verwendung des Wärmetauschers gemäß der oben beschriebenen Art erweist und in diesem Sinne zu verstehen und während die Erfindung im Folgenden im Detail anhand von Beispielen aus dem mobilen Bereich beschrieben ist, so versteht sich, dass die vorliegende Erfindung ebenfalls nützlich im Rahmen von nicht mobilen Anwendungen ist oder bei Anwendungen im mobilen Bereich, die hier vorliegend nicht konkret beschrieben sind und welche außerhalb der hier explizit genannten Bereiche liegen. Beispielsweise kann das vorgestellte Konzept ebenso Anwendung finden für einen Wärmetauscher als Zuheizer zur Innenraumerwärmung eines Kraftfahrzeugs oder als Ölkühler, insbesondere zur Kühlung von Motoröl und/oder Getriebeöl, oder als Kältemittelkühler oder Kältemittelkondensator in einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend Form und Details einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder Details der im Folgenden gezeigten und beschriebenen Ausführungsform. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sind ausschließlich auch alle innerhalb der genannten Grenzen liegenden Werte als Grenzwerte offenbart und beansprucht.
In vorteilhafter Detailgestaltung der Erfindung ist im Bereich der Begrenzungskontur eine Einführschräge zum vereinfachten Einsetzen des Flachrohres vorgesehen. Durch solche Einführschrägen, die von Durchzügen nach dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt sind, kann das Einsetzen des Tauscherrohrs vereinfacht und insbesondere eine Beschädigung der Begrenzungskontur im Zuge des Einsetzens vermieden werden.
Weiterhin vorteilhaft ist im Bereich der Begrenzungskontur eine Berührfläche zur flächigen Verlötung mit dem Flachrohr vorgesehen. Hierdurch wird die Verlötung insgesamt verbessert und Ausschuss durch fehlerhafte Lötstellen deutlich verringert.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung springt ein die Begrenzungskontur aufweisender Durchzug vom Boden ausgehend nach innen zum Kasten hin vor. Eine solche Orientierung des Durchzugs ist besonders gut geeignet, im Sinne einer einfachen Herstellung mit einer integrierten oder einstückigen Ausführung von Boden und Kasten kombiniert zu werden. Zur weiter vereinfachten Herstellung der Durchzüge mit erfindungsgemäßer Begrenzungskontur ist es dabei vorteilhaft vorgesehen, dass der Durchzug in einem Endbereich eine Abwinkelung des Bodens übergreift.
Zum weiteren Verständnis der Erfindung werden nun in Bezug auf die Figuren der Zeichnung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1:: das Beispiel eines Bodens mit einem Durchzug bei einem Wärmetauscher gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2:: das Beispiel eines Bodens mit einem Durchzug nicht gemäß dem Konzept der Erfindung bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Wärmetauschers;
Fig. 3:: eine perspektivische Darstellung eines Kastens mit Boden und eingesetzten Flachrohren bei einem Wärmetauscher gemäß der in Fig. 2 gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 4A:: das Beispiel einer Vergleichsberechnung einer Spannungsverteilung bei einem Durchzug gemäß Fig. 1 (Ansicht A) im Vergleich zu Fig. 2 (Ansicht B), wobei die Durchzüge gezeigt sind;
Fig. 4B:: das Beispiel von Fig. 4A ohne Durchzüge.
Fig. 5:: ein weiteres Beispiel eines Bodens mit einer abgewandelten Ausführung eines Durchzugs gemäß einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Wärmetauschers;
Fig. 6:: ein weiteres Beispiel eines Bodens mit einer abgewandelten Ausführung eines Durchzugs bei einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Wärmetauschers;
Fig. 7:: ein Beispiel eines gekrümmten Bodens bei einem Wärmetauscher gemäß einer alternativen nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8:: ein weiteres Beispiel eines gekrümmten Bodens, welcher vorliegend integral mit einem Kasten bei einer alternativen nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Wärmetauschers gebildet ist;
Fig. 9:: ein weiteres Beispiel eines Bodens mit einer abgewandelten Ausführung eines Durchzugs gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Wärmetauschers;
Fig. 10:: ein weiteres Beispiel eines Bodens gemäß einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
Fig. 11:: ein weiteres Beispiel eines Bodens gemäß einer weiteren Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßen Wärmetauschers; und
Fig. 12:: ein weiteres Beispiel eines Bodens gemäß einer weiteren Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Ein Wärmetauscher gemäß dem Konzept der Erfindung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in Form eines Ladeluftkühlers zur direkten Ladeluftkühlung realisiert und dient zum Wärmetausch zwischen einer Ladeluft und einem Kühlmittel, vorzugsweise Luft. Dazu weist der Wärmetauscher einen ein Kühlernetz umfassenden Block zur voneinander getrennten wärmetauschenden Führung der Ladeluft und des Kühlmittels auf. Der Block hat dazu eine Anzahl mit Ladeluft durchströmbarer Strömungskanäle, welche zusätzlich ein Wärmeleitelement in Form einer an einer Kanalinnenseite angebrachten Innenrippe und ein Wärmeleitelement in Form einer an einer Kanalaußenseite angebrachten Außenrippe aufweisen. Eine solche in der Regel aus einer wechselnden Übereinanderanordnung von Rohren und wärmeübertragenden Wellrippen bestehende Anordnung wird auch als Kühlernetz bezeichnet. Ein mit den Strömungskanälen strömungsverbundener Kasten ist dem Block zugeordnet, wobei ein Boden zwischen dem Block und dem Kasten mit einer oder mit mehreren Durchgangsöffnungen zur Durchführung der Strömungskanäle zwischen dem Block und dem Kasten versehen ist.
Ein so genannter Durchzug mit zum Kühlernetz orientierten Kragen 17' - wie er in Fig. 1 gezeigt ist - kann vor allem für mobile Anwendungen wie dem diskutierten Ladeluftkühler für Nutzfahrzeuge eingesetzt werden. Grundsätzlich kann hierdurch die im Stand der Technik bekannte Verbesserung des Kraftschlusses durch Reduzierung des sog. Bodenüberstandes - angegeben als halbe Differenz zwischen Rohrtiefe t und Bodentiefe T - vorteilhaft zur Steigerung der Innendruckwechselfestigkeit genutzt werden. Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Spannungen im Bereich des Übergangs 27' von der Rohrschmalseite 13 zur Rohrbreitseite 15 lässt sich dadurch erreichen, dass am Übergang 27' - wie in Fig. 2 beispielhaft erläutert und anhand von Fig. 4A, Fig. 4B demonstriert - zwischen der Rohrschmalseite 13 und der Rohrbreitseite 15 ein Abstandswert derart geringer als ein Abstandswert 25 an der Rohrbreitseite 15 gewählt ist, dass Spannungen (Fig. 4A, Fig. 4B, Ansicht A) im Bereich des Übergangs 27', 27 verringert sind (siehe im Vergleich Fig. 4A, Fig. 4B, Ansicht B).
Dementsprechend ist eine Anordnung eines nicht näher dargestellten Wärmetauschers 10 in Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Fig. 3 zeigt dazu den Deckel 5 des Kastens 3, wobei der Deckel 5 am genannten Boden 1 festgelegt ist. Der Boden sieht mehrere in Fig. 2 näher bezeichnete Durchgangsöffnungen 7 vor, welche zur Durchführung der Strömungskanäle zwischen dem nicht weiters dargestellten Block 9 und dem Kasten 3 vorgesehen sind. Wie in Fig. 3 zu erkennen, sind Strömungskanäle in Form von Flachrohren 11 gebildet, wobei ein Flachrohr 11 eine Rohrschmalseite 13 und eine Rohrbreitseite 15 aufweist. Bei der Ausführungsform der Fig. 2 und Fig. 3 ist an den Rohrenden der Rohre 11 ein Boden 1 mit mehreren Durchgangsöffnungen 7 jeweils in Form eines Durchzugs zur Aufnahme eines Rohres 11 angeordnet, die den Block 9 mit den beidseits des Blockes 9 angeordneten Sammelkästen 3 - von denen hier nur einer gezeigt ist - verbinden.
Ein alternatives nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Rohrbodens ist in Fig. 7 und eines Kastens ist in Fig. 8 gezeigt, welche weiter unten beschrieben werden.
Bei allen Ausführungsformen sind Flachrohre vorgesehen. Vorliegend ist ein Flachrohr 11 als Rechteckrohr ausgebildet. Darüber hinaus kann in einer anderen Ausführungsform der Querschnitt eines Rohres variiert sein. So kann ein Querschnitt annähernd rechteckig sein, annähernd oval oder beispielsweise auch ein rechteckiger Querschnitt mit gekrümmter Schmalseite sein.
Der in Fig. 2 in Ansicht A perspektivisch und in Ansicht B als Schnitt nochmals dargestellte Rohrboden 1 weist die Durchgangsöffnung 7 in Form eines Durchzuges mit einem zum Block 9 orientierten Kragen 17 auf. Der Kragen 17 der Durchgangsöffnung 7 ist zum Block 9 hin durch eine Begrenzungskontur 19 begrenzt, wobei die Begrenzungskontur 19 von einer zur Rohrachsrichtung 21 im Wesentlichen senkrechten Ebene 23 weg gewölbt ist und in Abstand 25 zu der genannten Ebene 23 verläuft. Der Abstand 25 ist in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform vorliegend der entsprechend der Durchgangsöffnungslänge t in der Mitte der Rohrbreitseite 15 gebildete Maximalabstand. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform nimmt der Abstand 25 somit im Bereich der Rohrbreitseite 15 genau einen Maximalwert als Maximalabstand 25 an.
Gemäß dem Konzept der Erfindung ist der Abstandswert am Übergang 27 zwischen der Rohrschmalseite 13 und der Rohrbreitseite 15 derart geringer als ein Abstandswert 25 an der Rohrbreitseite 15, dass Spannungen im Bereich des Übergangs 27 verringert sind. Wie in Fig. 2, Ansicht A, besser zu erkennen, ist auch vorgesehen, dass an der Rohrbreitseite 15 und im Übergang 27 eine Änderung des Abstandswertes 25 kontinuierlich verläuft. Mit anderen Worten, es wird der Rohrdurchzug in Form des Kragens vorliegend lokal, vom Übergang 27 ausgehend, kontinuierlich derart erhöht, dass die Maximalspannung am Übergang 27 minimiert ist.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform hat die in Ansicht B von Fig. 4A, Fig. 4B grafisch, als Ergebnis einer Finite-Elemente-Berechnung für den unteren Rohrabschnitt wiedergegebene Spannungsverteilung zur Folge. Fig. 4A zeigt das Ergebnis mit Boden 1, 1', Fig. 4B ohne. Die Spannungsverteilung in Ansicht B ist das Ergebnis der hinsichtlich der Minimierung der Spannungsverteilung ausgelegten Verlaufskurve der Begrenzungskontur 19 und zwar konkret der Minimierung der Spannung im Bereich des Übergangs 27. Fig. 4A, Fig. 4B ist deutlich zu entnehmen, dass die Spannungen im Bereich des Übergangs 27 - dort um die Verlaufskurve der Begrenzungskontur 19 herum - überwiegen, während sie im Bereich des Maximalabstandes 25 vergleichsweise gering sind.
Vor allem aber zeigen Fig. 4A, Fig. 4B in Ansicht B, dass sich durch eine Auslegung der Verlaufskurve der Begrenzungskontur 19 die Spannungsverteilung im Vergleich zu einer Ausführung nach dem Stand der Technik in Ansicht A, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist - minimieren lässt. Im vorliegenden Fall wird dies erreicht durch eine kreisbogenartige Begrenzungskontur 19, die - bzw. deren Abstandswerte - am Übergang 27 kontinuierlich abnehmend in den Umfangsbereich entlang der Rohrschmalseite 13 - d.h. den Bereich der Breite der Durchgangsöffnung 7 - einläuft. Grundsätzlich kann durch eine gesamtumfängliche kontinuierliche Änderung der Abstandswerte ein auf die konkrete Spannungsverteilung angepasster Konturverlauf erreicht werden und dadurch die Spannung minimiert werden. Vorliegend ist in Fig. 2, Ansicht A, zu erkennen, dass ein Abstandswert entlang der Breite der Durchgangsöffnung 7 ebenfalls geringer als ein Abstandswert 25 an der Rohrbreitseite 15 ist. Auch dieser Umstand ging in die Berechnungen, wie sie in Fig. 4A, Fig. 4B, Ansicht B, gezeigt sind, ein.
Grundsätzlich ist es möglich, je nach zu verringerndem Spannungsfeld eine mit einer beliebigen Anzahl lokaler Maxima versehene Verlaufskurve vorzusehen - dies mit der Maßgabe, dass der Abstand 25 zwischen einer Verlaufskurve der Begrenzungskontur 19 und der Bodenebene 23 zwischen den Durchzügen auch noch im Bereich des Übergangs 27 kontinuierlich abnimmt und minimal ist. Die in allen Figuren gemäß dem Konzept der Erfindung dargestellten Begrenzungskonturen 19 lassen sich über ihre Verlaufskurve formal durch ein oder mehrere, dann abschnittsweise definierte Polynome und/oder Fourierreihen der Ordnung nk beschreiben. Bei reinen Polynomfunktionen gibt (nk - 1) = m die Zahl der lokalen Maxima in einem Abschnitt k an: $y = a_{nk} . x^{nk} + a_{nk - 1} . x^{nk - 1} \dots + a_{1} . x + b .$
Durch eine geeignete Wahl der Koeffizienten a_i (mit i = 1...nk) und b lässt sich die angestrebte Position der lokalen Maxima der Verlaufskurve der Begrenzungskontur 19 und deren Ausdehnung in Richtung der Koordinate y je nach zu reduzierendem Spannungsfeld festlegen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die genannten Parameter derart angepasst, dass der maximale Abstand 25 zwischen der Verlaufskurve der Abstandskontur 19 und der Bodenebene 23 im Bereich zwischen dem 0,2-fachen bis 1,5-fachen der lichten Breite der Durchgangsöffnung 7 liegt. Die Breite h ist in Fig. 1, Ansicht A, beispielhaft dargestellt. Mit Hilfe einer derartig speziell angepassten Durchzugsgeometrie wird erreicht, dass die aus dem Temperaturwechsel resultierende Biegelast - wie in Fig. 4A, Fig. 4B dargestellt - im Vergleich zu einer in Fig. 1 dargestellten Ausgangsgeometrie zu größeren Anteilen entlang der Rohrbreitseite und zu einem geringeren Anteil im Bereich der am höchsten belasteten Übergänge 27 angreift. Somit wird eine insgesamt gleichmäßigere Verteilung der Belastung entlang des Rohrumfanges, d.h. der Rohrschmalseiten 13 und der Rohrbreitseiten 15 erreicht.
Es hat sich gezeigt, dass eine derartige belastungsangepasste Auslegung des Konturverlaufs vor allem im Hinblick auf unterschiedliche Rohrlängen (wie z.B. 64 mm oder 50 mm), insbesondere im Verhältnis zu einer Rohrbreite (wie z. B. 8 mm), oder Kühlerbreiten (abhängig von der Anzahl der Rohre), effektiv zu einer Minimierung von Spannungen im Bereich des Übergangs 27 führt. Abstandswerte oberhalb von 1 mm oder 2 mm sind bevorzugt.
Fig. 5 zeigt eine nicht erfindungsgemäße variierte Ausführungsform. In der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform weist eine Durchgangsöffnung 7 auf gegenüberliegenden Seiten 31, 33 unterschiedliche Varianten von Begrenzungskonturen 19A, 19B auf. Eine erste Variante einer Begrenzungskontur 19A entspricht der in Fig. 2 diskutierten, welche genau einen Maximalwert eines Abstandswertes 25 aufweist. Eine zweite Variante einer Begrenzungskontur 19B hat einen konstanten Wert eines Abstandswertes, welcher unterhalb der des Abstandswertes 25 liegt und im Wesentlichen dem der Rohrschmalseite 13 entspricht. Am Übergang 27 zwischen der Rohrschmalseite 13 und der Rohrbreitseite 15 ist der Abstandswert 25 wiederum derart geringer als ein Abstandswert an der Rohrbreitseite 15, dass Spannungen im Bereich des Übergangs 27 verringert sind. Zudem ist eine Änderung des Abstandswertes 25 an der Rohrbreitseite 15 als auch am Übergang 27 kontinuierlich.
Fig. 6 zeigt noch eine weitere variierte nicht erfindungsgemäße Ausführungsform eines Bodens 1 mit Durchgangsöffnung 7, bei der auf gegenüberliegenden Seiten 31, 33 unterschiedliche Varianten von Begrenzungskonturen 19C, 19D vorgesehen sind. Die erste Variante 19C ähnelt der in Fig. 2 beschriebenen, weist jedoch keine kontinuierliche Änderung des Abstandswertes 25 am Übergang 27 auf. Dagegen hat die zweite Variante der Begrenzungskontur 19D genau einen Minimalwert eines Abstandswertes, und zwar in der Mitte 35 der Rohrbreitseite 15. Mit anderen Worten, die zweite Variante der Begrenzungskontur 19D hat genau zwei Maxima 37A, 37B auf einer Seite 33, nämlich zwischen der Seitenmitte 35 und dem Übergang 27. Auch dadurch lässt sich eine erhebliche Reduzierung der Spannungsverteilung erreichen. Sowohl die in Fig. 5 als auch in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform weist also eine einseitige Ausführung einer Begrenzungskontur 19A, 19D auf. Die in Fig. 5 gezeigte Begrenzungskontur 19B könnte in einer anderen Ausführungsform ebenso durch eine Begrenzungskontur 19D ersetzt werden. Die in Fig. 6 gezeigte Begrenzungskontur 19C könnte ebenso durch eine Begrenzungskontur 19a ersetzt werden.
Die in Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 5 und Fig. 6 gezeigten Ausführungsformen weisen einen zum Block 9 hin orientierten Durchzug mit Kragen 17 auf. Aus diesem Grund wird der Durchzug auch als ein "umgedrehter Durchzug" bezeichnet. Charakteristisch für die Geometrie des Durchzuges ist, dass ein Kragen 17 "nach außen", also zum Block 9 hin orientiert ist. Im Unterschied zum Stand der Technik (Fig. 1) ist hier eine gewölbte Begrenzungskontur 19, 19A, 19B, 19C, 19D vorgesehen, d.h. eine Begrenzungskontur, welche nicht parallel zur Bodenebene 23 verläuft. Vielmehr ist ein Abstandswert 25 der Begrenzungskontur 19 des jeweils dargestellten Durchzugs 17 von der Bodenebene des Bodens 1 eine Funktion einer Umfangskoordinate X, vorliegend der Längenkoordinate der Rohrbreitseite 15. Die Verlaufskurve der Begrenzungskontur 19 ist ihrerseits eine Funktion der Längenkoordinate X (Fig. 2). Charakteristisch für den Durchzug 17 ist weiterhin, dass der Abstand 25 des Kragens 17 von der Bodenebene 23 zwischen den Durchzügen im Bereich des Übergangs 27 zwischen Rohrschmaiseite 13 und Rohrbreitseite 15, d.h. im Bereich der "Eckradien" der Durchzüge sich kontinuierlich verringernd am kleinsten ist und der maximale Abstand 25 entlang der Breitseite 15, vorliegend in der Mitte derselben, ganz allgemein jedoch irgendwo entlang der Breitseite 15 - je nach zu reduzierendem Spannungsfeld - zu liegen kommt. Vorteilhaft ist in der Regel die Mitte der Breitseite 15. Der in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dargestellte Kurvenverlauf der Begrenzungskontur 19 ist gekennzeichnet durch ein lokales Maximum des Abstandes 25 von der Bodenebene 23 zwischen den Durchzügen.
Fig. 7 zeigt eine alternative nicht erfindungsgemäße Realisierung, welche einen gekrümmten Boden 41 für ein Flachrohr 11 vorsieht. Auch in dem in Fig. 7 gezeigten Fall weist die Durchgangsöffnung 7 eine von einer zur Rohrachsrichtung 21 im Wesentlichen senkrechten Ebene 23 weg gewölbte und in Abstand zu der genannten Ebene 23 verlaufende Begrenzungskontur 19E, 19F auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten 31, 33 einer Rohrlängsseite 15 identisch als Kontur des insgesamt kreisförmig gebildeten Rohrbodens vorliegt. Bei dieser besonders einfachen Ausführungsform entfällt somit die Notwendigkeit, einen Kragen 17 wie bei den in Fig. 2, Fig. 3, Fig. 5 und Fig. 6 gezeigten Ausführungsformen vorzusehen.
Fig. 8 zeigt eine weitere besonders einfach herzustellende nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Bodens 51, welcher vorliegend integral mit einem Luftkasten 53 für ein Flachrohr 11 gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform entfällt vor allem die Notwendigkeit, einen in Fig. 2, Fig. 3, Fig. 5, Fig. 6 gezeigten Boden 1 mit einem Deckel 5 eines Kastens 3 verlöten zu müssen. Somit kann bei den in Fig. 7 und Fig. 8 gezeigten Ausführungsformen eine gesteigerte Dauerhaltbarkeit eines Ladeluftkühlers und der Entfall von Mehrkosten verursachenden Zusatzmaßnahmen, wie Eckrohrhülsen oder Verstärkungsschuhen, mit einem besonders verringerten Herstellungsaufwand kombiniert werden.
Variierte Ausgestaltungen wie in Fig. 5 oder Fig. 6 können also auch nur entlang einer einzigen Rohrbreitseite 15 mit einem Durchzug in Form eines Kragens versehen werden. Insbesondere ist in Fig. 6 ein Durchzug zu sehen, bei dem die die Begrenzungskontur kennzeichnende Verlaufskurve mehr als ein lokales Maximum aufweist. Fig. 7 zeigt einen, wie erläutert, gekrümmten Boden 1, bei dem der zuvor beschriebene hinsichtlich Biegebelastung vorteilhafte Kurvenverlauf im Boden selbst realisiert ist. In prinzipiell ähnlicher Weise wirkt auch die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform, bei welcher ein Kasten 53 und ein Boden 51 ein integrales Bauteil bilden. Sämtlichen Darstellungen ist gemein, dass die gekrümmten Kurvenverläufe durch ein Polynom, wie oben dargestellt, beschrieben bzw. angenähert werden können und dabei gewährleisten, dass im Übergang ein Abstandswert kontinuierlich abnimmt und gegebenenfalls seinen niedrigsten Wert annimmt. Insbesondere für die in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellten Lösungen aber auch für die in den anderen vorherigen Figuren dargestellten Lösungen sind deutlich komplexere Verlaufskurven als die in den Bildern dargestellten Kreisbögen denkbar. Die in Bezug auf Fig. 1 ausgeführten Nachteile werden vermieden.
Fig. 9 zeigt in Fig. 2 entsprechender Weise eine weitere variierte Ausführungsform eines Bodens 1 mit Durchgangsöffnung 7. Der in Fig. 2 gezeigten Ausführung entsprechende Merkmale sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede zu dieser Ausführung eingegangen wird.
Die in Fig. 9 gezeigt Ausführung weist eine Gesamtbegrenzungskontur 19 auf, die, wie in Ansicht B der Fig. 9 gut zu erkennen, im Bereich der Rohrbreitseite 15 im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist.
In einem mittleren Abschnitt der Rohrbreitseite 15 verläuft die Kontur 19 daher im Wesentlichen parallel zu der zur Rohrachsrichtung 21 senkrechten Ebene 23, so dass ein Abstand y(x) zwischen der Kontur 19 und der Begrenzungslinie in diesem Abschnitt durch ein Polynom nullten Grades der Koordinate x in Umfangsrichtung beschrieben wird.
Vor den Übergangsbereichen 27, die bei dem im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt der Durchgangsöffnung 7 durch die kleinen Eckradien gebildet werden, in denen Rohrbreit- und Rohrschmalseiten aufeinander treffen, geht die Kontur 19 jeweils stetig differenzierbar in einen sinusförmigen Verlauf über und läuft aus diesem wiederum stetig differenzierbar in einen ebenfalls im Wesentlichen zur Ebene 23 parallelen Abschnitt aus, der sich über einen Teil der einen Rohrbreitseite, die ganze daran angrenzende Rohrschmalseite und einen Teil der gegenüberliegenden anderen Rohrbreitseite erstreckt, so dass der Abstandswert y(x) in diesem gesamten Abschnitt und damit insbesondere im gesamten Übergangsbereich zwischen Rohrschmal- und Rohrbreitseite minimal ist. Unter einem stetig differenzierbaren Übergang wird hier ein Übergang zwischen Funktionen mit gleichem Steigungswinkel verstanden.
Die durch die sinusförmigen Abschnitte gebildeten Flanken 100 der im Wesentlichen trapezförmigen Begrenzungskontur 19 weisen im Mittel einen Steigungswinkel σ von ungefähr 20° auf. Der Abstand 101 zwischen dem Übergangsbereich 27 und dem Maximalwert des Abstandswertes 25 entspricht im Ausführungsbeispiel der lichten Höhe h des Durchzuges.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 9 darstellt. In der gezeigten seitlichen Draufsicht ist hierbei die Begrenzungskontur 19 nicht sichtbar, sondern als gestrichelte Linie eingezeichnet. Der in der seitlichen Draufsicht den Durchzug einhüllende und die Begrenzungskontur 19 etwas überragende Rand 102 ist keine Begrenzungskontur im Sinne der Erfindung, sondern ein äußerer Rand einer Einführschräge 103, die zur besseren Einsetzbarkeit der Tauscherrohre im Zuge der Herstellung des Wärmetauschers vorgesehen ist. Die Einführschräge 103 hat als in Einsetzrichtung der Rohre untere Begrenzung die Begrenzungskontur 19 und bildet eine nach außen vom Rohr weg geneigt verlaufende Fläche oder Phase, deren äußere Berandung der Rand 102 ist.
Eine solche Einführschräge 103 kann in der gezeigten oder ähnlichen Form zweckmäßig bei jedem der vorstehend und nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele vorgesehen sein. Als Begrenzungskontur 19 im Sinne der Erfindung ist dabei die Berührlinie des Durchzugs zu verstehen, mit der der Durchzug an der Rohrwandung anliegt und verlötet ist. Durch den Verlauf dieser das Tauscherrohr berührenden Begrenzungskontur 19 ist somit die Krafteinleitung vom Tauscherrohr in den Boden, zum Beispiel bedingt durch thermische Ausdehung, maßgeblich beeinflusst.
Zur Sicherstellung einer guten und insbesondere flächigen Verlötung schließt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Berührfläche 104 an die Begrenzungskontur 19 an, wie sie allgemein aus der Gestaltung von herkömmlichen Durchzügen für Wärmetauscher bekannt ist. Eine solche Berührfläche 104 kann je nach Anforderungen bei jedem der vorstehend und nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgesehen sein. Eine Breite der Berührfläche 104 kann dabei zweckmäßig über den Verlauf der Begrenzungskontur 19 variieren, je nachdem welche lokalen Kräfte im verlöteten Zustand während des Betriebs an der jeweiligen Position zu erwarten sind. Ebenso kann die Breite der Berührfläche je nach Position unterschiedlich ausgelegt sein, um auch an kritischen Stellen ein zuverlässiges Verteilen des Lots während des Lötprozesses zu gewährleisten.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist in Fig. 10 die senkrecht zur Rohrachse orientierte Bezugsebene 23 auf Höhe des Endes des in den Durchzug eingesetzten Tauscherrohrs 15 positioniert. Durch eine solche Definition der Position der Bezugsebene 23 ist auch für in umgekehrter Richtung orientierte Durchzüge (siehe etwa nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 11 und Fig. 12) eine korrekte Definition des Abstandswertes 25 im Sinne der Erfindung gewährleistet.
Der geometrische Verlauf der Begrenzungskontur 19 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 10 entspricht derjenigen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels nach Fig. 9.
Fig. 11 zeigt ein weiteres nicht erfindungsgemäßes Beispiel, bei dem ein Boden 1 einen vom Block weg nach innen vorspringenden Durchzug 105 aufweist.
Der Durchzug hat ausgehend von einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche 106 des Bodens 1 zunächst eine Einführschräge 103, die zur Vereinfachung des Einführens der Tauscherrohre insbesondere in den Bereichen der kurzen Seiten besonders breit ist.
Das Ende der Einführschräge 103 wird durch eine Begrenzungskontur 19 gebildet, die an der Rohrwand eines eingesetzten Tauscherrohrs berührend anliegt analog den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist die Begrenzungskontur einen Bereich 27 in der Nähe des Übergangs von den langen Seiten des Durchzugs zu den kurzen Seiten auf, in dem ein Abstandswert von einer (nicht dargestellten) Bezugsebene stetig monoton kleiner wird. Die Bezugsebene verläuft senkrecht zu der Rohrachse durch das Ende des in den Durchzug eingesetzten Rohrs.
Ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 schließt sich an die Begrenzungskontur 19 eine Berührfläche 104 an, die sich von der Begrenzungskontur 19 in Richtung des Rohrendes erstreckt und eine verbesserte flächige Verlötung des Durchzugs mit dem Rohr ermöglicht.
Der in Fig. 11 gezeigte Boden kann ein Ausschnitt aus einer integrierten, insbesondere einstückigen Ausführung von Boden und Kasten sein. Insbesondere kann die integrierte Einheit aus Kasten und Boden mittels eines Innenhochdruck-Umformverfahrens hergestellt werden. Dabei kann in einem ersten Schritt ein Rohling mittels Innenhochdruck-Umformung bearbeitet werden, wonach in einem zweiten Schritt die Durchzüge 105 von außen eingeschossen werden. Gerade bei einer solchen Ausführung von integriertem Kasten und Boden ist es im Interesse einer einfachen Herstellung entsprechend zweckmäßig, dass die Durchzüge nach innen vorspringen.
Fig. 12 zeigt eine Abwandlung des nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels aus Fig. 11, bei dem ebenfalls ein nach innen gerichteter Durchzug 105 mit einer Einführschräge 103, einer geformten Begrenzungskontur 19 und einer an die Begrenzungskontur 19 anschließenden Berührfläche 104 vorliegt.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ist der Durchzug nicht in einem ebenen Bereich des Bodens 1 angeordnet, sondern durchgreift zwei Abwinkelungen 107. Die Abwinklungen 107 des Bodens überdecken dabei mit den geneigten Bereichen 27 der Begrenzungskontur 19 und entsprechen auch in ihrem Winkel diesen Bereichen 27. Durch das Vorsehen solcher abgewinkelter Bereiche 107 wird daher die Herstellung der Durchzüge mit Verlauf der Begrenzungskontur 19 vereinfacht und ein Ausschuss der Produktion reduziert. Zudem unterstützen die Abwinkelungen 107 die Steifigkeit und Druckfestigkeit des Bodens.
Ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ist der Boden des Beispiels nach Fig. 12 besonders geeignet, als integrierte einstückige Einheit mit einem Kasten ausgebildet zu sein und kann auf die gleiche vorstehend beschriebene Weise hergestellt werden.
Sämtliche der in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Formgebungen und Verläufe insbesondere der Begrenzungskonturen 19 beziehen sich auf einen unverlöteten Zustand der Bauteile.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere Ladeluftkühler, zum Wärmetausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, mit
einem Block (9) zur voneinander getrennten und wärmetauschenden Führung des ersten und zweiten Fluids, der wenigstens einen von dem ersten Fluid durchströmbaren Strömungskanal aufweist;
einen Kasten (3), der mit dem Strömungskanal strömungsverbunden ist und einen Boden (1) umfasst, der eine Durchgangsöffnung (7) zur Durchführung des Strömungskanals zwischen dem Block (9) und dem Kasten (3) aufweist;
wobei der Strömungskanal in Form eines Flachrohrs (11) mit einer Rohrschmalseite (13) und einer Rohrbreitseite (15) ausgebildet ist, wobei die Durchgangsöffnung (7) eine Gesamtbegrenzungskontur (19) längs des gesamten Umfangs der Durchgangsöffnung (7) mit einem Abstand (25) zu einer zur Rohrachsrichtung (21) im Wesentlichen senkrechten Ebene (23) aufweist;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Durchgangsöffnung in Form eines Durchzugs mit einem zum Block hin (9) orientierten Kragen (17) gebildet ist und die Gesamtbegrenzungskontur (19) im Bereich der Rohrbreitseite (15) im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist und
vor den Übergangsbereichen (27), die bei dem im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt der Durchgangsöffnung (7) durch die kleinen Eckradien gebildet werden, in denen Rohrbreit- und Rohrschmalseite aufeinander treffen, die Kontur (19) jeweils stetig differenzierbar in einen sinusförmigen Verlauf übergeht und aus diesem wiederum stetig differenzierbar in einen im Wesentlichen zur Ebene (23) parallelen Abschnitt ausläuft.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtbegrenzungskontur (19) wenigstens im gesamten Übergangsbereich (27) zwischen der Rohrschmalseite (13) und der Rohrbreitseite (15) knickfrei ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der im Wesentlichen trapezförmigen Gesamtbegrenzungskontur einen Steigungswinkel (σ) im Bereich von 5° bis 75°, bevorzugt im Bereich von 10° bis 60° und besonders bevorzugt im Bereich von 15° bis 45° aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandswert des Abstandes (25) der Gesamtbegrenzungskontur (19) zu der zur Rohrachsrichtung (21) im wesentlichen senkrechten Ebene (23) längs des Umfanges der Durchgangsöffnung (7) eine Funktion (y(x)) einer Koordinate (x) in Umfangsrichtung der Durchgangsöffnung (7) bildet, wobei diese Funktion (y(x)) abschnittsweise definiert ist und für jeden Abschnitt (k) gilt: $y (x) = {\sum_{i = 0}}^{nk} [a_{ik} • x^{i} + b_{ik} \sin (ω_{ik} • x + ϕ_{ik})] \Leftrightarrow x_{0 k} \leq x \leq x_{1 k}$
wobei Σ_i=0 ^nk die Summe von i = 0 bis nk, nk die Ordnung des Polynoms im Abschnitt k, xⁱ die ite Potenz von x, x_0k die Koordinate am Beginn des Abschnittes k, x_1k die Koordinate am Ende des Abschnittes k, und a_ik, b_ik, ω_ik, ϕ_ik konstante, für jeden Abschnitt (k) vorgegebene Koeffizienten bezeichnet.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Block (9) eine den bzw. die Strömungskanäle aufnehmende, von dem zweiten Fluid durchströmbare Kammer aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kasten (3) einen Deckel (5) aufweist und der Deckel (5) am Boden (1) festgelegt ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (1) integral mit dem Kasten (3) gebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (1) im Wesentlichen flach ausgebildet ist und/oder sich im Wesentlichen in der zu der zur Rohrachsrichtung (21) im Wesentlichen senkrechten Ebene (23) erstreckt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandswert, ausgehend von der Rohrbreitseite (15), erstmals am Übergang (27) zwischen der Rohrschmalseite (13) und der Rohrbreitseite (15), geringer ist als im Bereich der Rohrbreitseite (15).
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandswert im Bereich der Rohrschmalseite geringer, insbesondere konstant, ist als im Bereich der Rohrbreitseite (15).
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verlaufskurve der Begrenzungskontur (19) eine Funktion einer umfänglichen Abmessung der Durchgangsöffnung (7) ist, insbesondere einer Länge der Durchgangsöffnung (7) (Rohrbreitseite) und/oder einer Breite der Durchgangsöffnung (7) (Rohrschmalseite), insbesondere die Verlaufskurve eine Polynomfunktion mindestens des 2-ten Grades ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandswert im Bereich einer Rohrbreitseite (11) einen Maximalwert annimmt.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandswert im Bereich einer Rohrbreitseite (11) in einem Abstand (101) von einem Übergangsbereich zwischen Rohrschmalseite und Rohrbreitseite einen Maximalwert annimmt, wobei der Abstand (101) zwischen Maximalwert und Übergangsbereich im Bereich des 0.2- bis 2.5-fachen, insbesondere im Bereich des 0.25- bis 2.0-fachen der lichten Breite der Durchgangsöffnung (7) liegt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandswert im Bereich einer Rohrbreitseite (15) genau einen Maximalwert annimmt, insbesondere in der Mitte der Rohrbreitseite.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximalwert des Abstandswertes im Bereich des 0.2- bis 1.5-fachen, insbesondere im Bereich des 0.5- bis 1.0-fachen der lichten Breite der Durchgangsöffnung (7) (Rohrschmalseite) liegt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachrohr (11) als ein Rohr in einem Randbereich, insbesondere einem Eckbereich, des Blockes (9) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungskanal ein Wärmeleitelement in Form einer an einer Kanalinnenseite angebrachten, insbesondere angelöteten Innenrippe, und/oder ein Wärmeleitelement in Form einer an einer Kanalaußenseite angebrachten, insbesondere angelöteten Außenrippe aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Strömungsleiteinrichtung, insbesondere eine Turbulenzeinrichtung.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Form eines direkten oder indirekten Ladeluftwärmetauschers, insbesondere -Kühlers.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Form eines Abgas-Wärmetauschers, insbesondere -Kühlers.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (1) zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (1) und der Deckel (5) eine Baueinheit bilden.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die integrale Einheit aus Boden und Kasten mittels Innenhochdruck-Umformung ausgebildet wird.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Begrenzungskontur (19) eine Einführschräge (103) zum vereinfachten Einsetzen des Flachrohres (11) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Begrenzungskontur (19) eine Berührfläche (104) zur flächigen Verlötung mit dem Flachrohr (11) vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Begrenzungskontur (19) aufweisender Durchzug (105) vom Boden (1) ausgehend nach innen zum Kasten hin vorspringt.
Wärmetauscher nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchzug in einem Endbereich eine Abwinkelung (107) des Bodens übergreift.
Verwendung des Wärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.