EP3336470A1 - Verfahren zum bereitstellen eines eine lamellenanordnung aufweisenden kühlers, kühler und kraftfahrzeug mit einem kühler - Google Patents

Verfahren zum bereitstellen eines eine lamellenanordnung aufweisenden kühlers, kühler und kraftfahrzeug mit einem kühler Download PDF

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EP3336470A1
EP3336470A1 EP17202954.8A EP17202954A EP3336470A1 EP 3336470 A1 EP3336470 A1 EP 3336470A1 EP 17202954 A EP17202954 A EP 17202954A EP 3336470 A1 EP3336470 A1 EP 3336470A1
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EP
European Patent Office
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channel
region
residual stress
compressive residual
radiator
Prior art date
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Application number
EP17202954.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3336470B1 (de
Inventor
Wolfgang Burkhardt
Christopher Schmidt
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MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Truck and Bus SE
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Filing date
Publication date
Application filed by MAN Truck and Bus SE filed Critical MAN Truck and Bus SE
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0037—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements

Definitions

  • the invention relates to a cooler comprising a lamella arrangement with a first channel for guiding a heat-emitting fluid and a second channel adjacent to the first channel for guiding a heat-absorbing fluid, wherein the first channel and the second channel are each bounded by adjacent lamellae of the lamella arrangement.
  • the invention further relates to a method for providing such a radiator and a motor vehicle with such a radiator.
  • the term "fluid" encompasses liquids and gases.
  • Coolers are well known, for example as intercoolers in a vehicle, and regularly use the heat exchange between a heat-emitting and a heat-absorbing fluid.
  • such coolers typically comprise at least a first channel for guiding the heat-emitting fluid and at least one second channel for guiding the heat-absorbing fluid.
  • the first channel and the second channel are each bounded by adjacent lamellae of a lamellar arrangement, wherein the first channel and the second channel adjacent to the second channel share a common lamella, which in turn to one side with the heat-emitting fluid and on the other side is in contact with the heat-absorbing fluid and via which the desired heat exchange between the heat-absorbing and the heat-emitting fluid takes place.
  • a method of providing a fin assembly comprising a radiator.
  • the cooler has at least one first channel for guiding a heat-emitting fluid and at least one second channel for guiding a heat-absorbing fluid.
  • a first channel is in this case arranged adjacent to a second channel.
  • the cooler preferably has an alternating arrangement of first and second channels.
  • the first channel and the second channel are each bounded by adjacent lamellae of the lamella arrangement. The arrangement of the fluid channels thus results from stacking or stacking of the lamellae of the lamellar arrangement.
  • a compressive residual stress is generated in a predetermined region of the lamellar arrangement.
  • a higher compressive residual stress is generated relative to a secondary region of the at least one lamella.
  • the predetermined region of the fin assembly may be a portion of the fin assembly that has a high and / or highest probability of the occurrence of damage due to thermal stress during operation of the cooler.
  • the predetermined range is thus preferably a potential failure location of the radiator.
  • potential points of failure, and thus the location of the predetermined area are generally known to those skilled in the art, or can be determined by experimental stress tests or calculations for a cooler.
  • the predetermined region may be a primary region of the at least one lamella, which has a higher susceptibility to the occurrence of damage due to a thermal load during operation of the radiator as a relative to the primary region spatially offset secondary region. In the following, therefore, the term primary area will also be used for this predetermined area.
  • the inventive method has the advantage that a compressive residual stress in the blade is selectively increased in the predetermined range or primary area.
  • the compressive residual stress generated then has the consequence advantageously that the load capacity of the fins and thus of the entire radiator is increased.
  • the realization of the compressive residual stress is directed to the primary region with its higher susceptibility to damage, ie with a higher probability than the secondary region that damage occurs during operation of the cooler. Examples of said damage are, in particular, a crack, fracture or similar, the damage occurring when an allowable static and dynamic strength stress is exceeded.
  • the said susceptibility to the occurrence of damage caused by changing during operation load requirements to the radiator and concomitant thermally induced expansion changes, whereby the lamella on duration of a mechanical stress occurring during operation can not withstand.
  • the mechanical load may be a tensile load occurring during operation.
  • Such mechanical loads acting on the slats can be z. B. starting from pressure oscillations in the heat-emitting and / or the heat-absorbing fluid.
  • the expert understands a compressive stress or residual stress of the first kind a mechanical stress that prevails in the blade without external forces acting on the blade and the blade is in thermal equilibrium.
  • the compressive residual stress prevailing permanently in the primary region it is then possible to counteract a stress acting on the primary region during operation, preferably tensile stress, so that a resulting maximum stress is reduced.
  • the term "providing” includes both a manufacturing of the radiator and a modification made on the manufactured or partially manufactured radiator with the aim of increasing a load capacity of the radiator. A higher load capacity is noticeable in particular by an average increased life of the cooler with the same operating load.
  • adjacent lamellae of the lamellar arrangement each form the wall for one of the first or second channels.
  • the first channel and the adjacent second channel share a common lamella in the form of a wall, which is arranged between the first channel and the second channel and over which the heat exchange between the heat-emitting fluid and the heat-absorbing fluid takes place.
  • a transport of the heat-emitting fluid or the heat-absorbing fluid through the first and second channel takes place along a flow direction.
  • the radiator may further include ports for fluidically coupling the at least one first channel to a first fluid circuit and fluidly communicating with the at least one second channel couple second fluid circuit.
  • the fins are made of a material having a comparatively high thermal conductivity, for. As aluminum or an aluminum-containing material.
  • heat-emitting or heat-absorbing fluid are gaseous media such as air, or liquid media such. As water, conceivable.
  • the lamellar arrangement is plastically deformed in the predetermined area for producing the compressive residual stress and / or that the lamellae of the lamellar arrangement are plastically deformed in the primary area to increase the compressive residual stress.
  • the compressive residual stress is generated in a targeted manner in the predetermined area or primary area.
  • the first channel or the second channel is widened at the location of the primary area by the plastic deformation, d. H. a distance between the fins bounding the first or the second channel is increased.
  • the arrangement of the fluid channels results from stacking or stacking of the lamellae of the lamellar arrangement.
  • adjacent lamellae can be connected at their end regions in a connection region.
  • the primary area may adjoin and / or be adjacent to the connection area.
  • the connection regions delimit the first and / or the second channel in a direction that is determined by the design, for example, perpendicular to the flow direction.
  • the primary area is preferably located between the secondary area and the connecting area.
  • the lamellae can be curved in the end region and / or the end regions can be connected to one another in a cohesive manner to form the connection region.
  • the primary region furthermore preferably lies outside the curved region or adjoins directly to the curved region in a direction perpendicular to the flow direction.
  • the primary region may comprise a transition region of the lamellae from the curved end region to a planar middle region of the lamellae. It has been found that the areas adjacent to the joint area are particularly vulnerable to said damage.
  • a length of the primary region extending perpendicularly to the flow direction is less than 50%, preferably less than 20%, and particularly preferably less than 10% of a length of the secondary region extending perpendicular to the flow direction.
  • compressive residual stress can be generated in components by means of rolling, inductive surface hardening or solidification jets.
  • these methods require good accessibility of the critical areas where the compressive residual stress is to be generated.
  • These methods are not advantageous for use in coolers due to the poor accessibility of the primary region of a fin arrangement of the radiator, the component dimensions and the materials used.
  • embodiments described below are particularly advantageous in order to generate a residual compressive stress in the primary region of a fin arrangement of a radiator.
  • a pressure acting on the lamellae is adjusted such that a yield point of a lamellar material in the primary region is exceeded.
  • the pressure is the pressure with which the plastic deformation is caused.
  • the fin material is in a flow state intended for the desired plastic deformation. It should be ensured that the pressure is metered in such a way that in the primary area a yield value of the fin material required for the plastic deformation is exceeded without the pressure exceeding a value at which the fin is destroyed in the primary area.
  • the deformation behavior of the lamella with respect to a pressure depending on the design and material of the lamellar assembly, for example by a simulation is detected, and in a second preparation step, a primary region for the lamellae is determined by a simulation.
  • the simulations in the first and second preparation steps are a computer-aided simulation.
  • the results of the first preparation step are compared with the results of the second preparation step. If the deformation detected in the first preparation step coincides spatially with the primary region determined in the second preparation step, the corresponding pressure, in particular with regard to orientation and size, can be used for the plastic deformation in the primary region.
  • a built-in element to be integrated within the at least one first channel and / or the at least one second channel, wherein the primary area adjoins an area with the installation element.
  • the installation element is a radiator network or a turbocharger insert.
  • Such installation elements serve primarily to increase the efficiency of heat exchange.
  • they also advantageously fulfill the purpose that the installation element can control a compressive force acting on the lamella and guide it selectively into the primary area, since the installation part stabilizes the area lying outside the primary area with the installation element by supporting the lamellas in regions.
  • the lamellae are plastically deformed by means of autofrettage to generate the compressive residual stress.
  • autofrettage the skilled person understands a method in which the first and / or the second channel temporarily, ie, during a predetermined time interval, an internal pressure is exposed, wherein the internal pressure above the later operating pressure, ie the pressure of the heat emitting or The heat-absorbing fluid starts in operation, and is above the yield strength of the fin material, so that the primary area plasticized locally.
  • internal compressive stresses then remain in the primary areas, which prevent the formation of cracks during subsequent use and thus permanently increase the load capacity of the lamella.
  • a liquid is introduced or introduced into the first channel or second channel and then the liquid is pressurized by means of a pump or by means of a pressure intensifier in such a way that the desired internal pressure is generated, with which the Yield limit of the fin material is exceeded.
  • the desired internal pressure is caused by a compressed air or compressed gas introduced into the first or second channel.
  • a compressor is used.
  • the internal pressure is generated exclusively in the first channel or a plurality of first channels or exclusively in the second channel or a plurality of second channels. In other words, the desired internal pressure is not generated at the same time in the first channel and the second channel adjacent to the first channel.
  • the Autofrettage also makes it possible to provide primary areas with a compressive residual stress, which are relatively difficult to access because of their location within the cooler or within the fin arrangement.
  • a deformation behavior of composite lamellae is determined under force and to increase the compressive residual stress the composite lamellae are acted upon by the determined deformation behavior with an externally acting force.
  • the deformation behavior for a force acting from the outside on the lamellar arrangement or a force acting on the lamella arrangement from the outside is determined, and then the second and third preparation steps are carried out.
  • the external application of force in the manufacturing process ie. H. z. B. during stacking and soldering of the slats, or on the fabricated fin arrangement or the manufactured cooler is made.
  • the lamellae are connected to one another in the connection region by a thermal process for bonded joining, wherein for generating the compressive residual stress in the predetermined region, a temperature gradient extending over the lamella during the subsequent cooling of the laminae Lamella, z. B. during the solidification of the solder, is controlled to produce a tension of the blade, in particular in the predetermined range.
  • a first subarea of the lamella can be cooled more rapidly than a second subarea of the lamella spatially offset from the first subarea.
  • the fins are soldered in the connection area.
  • the first subregion and the second subregion are arranged offset from each other in a direction perpendicular to the flow direction.
  • the cooling behavior can be influenced for example by the fact that the first partial area or second partial area is provided with a cooling element with a comparatively high thermal conductivity, eg. B. with an iron rod, is brought into contact, so that the heat is dissipated more quickly from the respective portion of the cooling element.
  • the first subregion and the second subregion may be arranged in the primary region.
  • the first partial region is arranged in the connection region, while the second partial region is arranged in the primary region or vice versa.
  • a load element is temporarily arranged on the lamella in the primary area or adjacent to or adjacent thereto.
  • the load element becomes during the manufacturing process of the fin assembly, for example, in stacking or soldering, arranged in the primary area.
  • a plastic deformation is caused by the load element, which leads to a permanent compressive residual stress in the primary area.
  • the load elements are preferably arranged between two lamellae which bound together, for example, the first channel or the second channel.
  • the extent of the load element preferably determines the later distance between the slats in the secondary area.
  • the load element is a ball with a diameter that determines the later distance of the slats in the secondary area. Furthermore, it is preferably provided that the load element is arranged exclusively in the first channel or in first channels or in the second channel or in second channels.
  • the load element is made of a soluble material and is removed by a dissolution time after the plastic deformation in a cleaning step.
  • a solvent is introduced into the first channel or second channel having the load element.
  • the load element is made of a water-soluble material and in the cleaning step, water is introduced as a solvent into the first or second channel, so that the load element dissolves and can be flushed out of the first and second channel.
  • the load element can be relatively easily removed again after the plastic deformation of the lamellae from the primary area.
  • the radiator is a vehicle radiator.
  • it is a charge air cooler with which a charge air of an internal combustion engine is cooled.
  • a charge air cooler with which a charge air of an internal combustion engine is cooled.
  • Such a cooler is exposed during operation by vibrations and pressure oscillations in the heat-emitting or heat-absorbing medium comparatively high stresses and is subject to frequent load-induced temperature fluctuations, so that the compressive residual stress generated in the primary region particularly advantageous effect on the life of the vehicle radiator, in particular a charge air cooler of an internal combustion engine ,
  • a further subject of the present invention is a radiator, in particular a vehicle radiator, having a first channel for guiding a heat-emitting fluid and a second channel adjacent to the first channel for guiding a heat-absorbing fluid, wherein the first channel and the second channel are each bounded by adjacent lamellae of the lamellar arrangement, wherein the lamella in a primary region has a relative to a secondary region of the lamella increased compressive residual stress.
  • the lamella has a permanently elevated, ie, sustained, elevated residual compressive stress lasting substantially over the remaining service life.
  • the cooler is produced by a method according to the invention.
  • the treatment for forming a compressive residual stress in the primary region can be demonstrated by the fact that a damage threshold for a pressure at which the lamella bursts is higher in the case of a cooler treated with the method according to the invention than in a cooler treated without the process according to the invention, if one Liquid or a pressurized gas is introduced into the first channel or the second channel and then a pressure above the operating pressure in the liquid or the compressed gas is generated.
  • the treatment of the lamellar arrangement with the method according to the invention increases a pressure at which the lamellar arrangement breaks down.
  • the invention further relates to a motor vehicle, in particular a commercial vehicle, with the radiator according to the invention.
  • FIG. 3 illustrates a sectional view 10 of a radiator according to the prior art in a sectional view.
  • a radiator is provided for heat exchange between a heat-emitting and a heat-absorbing fluid and serves, for example, in a motor vehicle for intercooling.
  • the cooler comprises a first channel 11 for guiding a heat-emitting fluid and a second channel 12 arranged adjacent to the first channel 11 for guiding a heat-absorbing liquid.
  • the heat-emitting or heat-receiving fluid is guided along a flow direction through the first channel 11 and the second channel 12. It is conceivable here that the flow directions of the heat-emitting and the heat-absorbing fluid are opposite or rectified.
  • first channel 11 and the second channel 12 are in each case formed by lamellae 1 of a lamellar arrangement 10, in each case adjacent lamellae 1 defining the first channel 11 and the second channel 12 as a wall.
  • first channel 11 and the second channel 12 share a common blade 1 between them, which in turn undergoes heat exchange, since this common blade 1 both in contact with the heat-emitting fluid of the first channel 11 and the heat-absorbing fluid of the second channel 12 is.
  • the lamella 1 is made of a material having a comparatively high thermal conductivity coefficient, such as aluminum.
  • the individual slats 1 are designed curved in their end regions.
  • the end regions of the lamellae 1 are curved at the ends viewed in a direction perpendicular to the flow direction.
  • the individual lamellae for forming the lamellar arrangement, in particular of the first channel 11 and the second channel 12, in their curved end regions are materially connected to one another, for example by soldering. If the cooler is operated under changing load requirements, eg. B.
  • the thermally induced expansion of the slats 1 changes permanently and the slats 1 are claimed accordingly, which can ultimately lead to damage, for example in the form of a crack or fracture, when the slats 1 of a mechani Service Are exposed to stress.
  • the lamellae 1 in a primary region 21 are more susceptible to damage than in a secondary region 22, ie a probability of damage is greater in the primary region 21 than in a secondary region 22, if the cooler in FIG Operation is subject to changing load requirements.
  • the primary region 21 adjoins the connection region 23.
  • the primary region 21 is arranged in an end region, viewed in a direction perpendicular to the flow direction, of the first channel 11 or second channel 12.
  • FIG. 10 illustrates a fin assembly 10 for a radiator, wherein the fin assembly 10 has been provided with a method according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • the compressive residual stress in the lamellae 1 has been increased by a plastic deformation by means of an autofrettage.
  • an internal pressure within the first channel 11 or the second channel 12 is temporarily increased so far that a yield strength of a fin material in the primary region 21 is exceeded.
  • an internal pressure is generated in the first channel 11 and / or in the second channel 12 by means of a pressurized fluid, in which the fin material - without tearing - in the primary region 21 is transferred to a flow state.
  • the consequence is a plastic deformation of the lamella 1 in the primary region 21, in which a compressive residual stress in the lamella 1 permanently increases in time after the induced plastic deformation due to autofrettage. It can be seen that the lamella 1 has moved along a direction perpendicular to the main extension plane of the lamella 1 direction by the Autofrettage in the secondary region 22 by a deformation height a.
  • FIG. 10 illustrates a fin assembly 10 for a cooler, wherein the fin assembly 10 has been provided with a method according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • the method essentially corresponds to that of the first embodiment.
  • a difference forms the installation element 15, which is integrated in the first channel 11 and in particular is arranged centrally in the first channel 11.
  • a mounting element 15 may be, for example, a radiator network or a turbulence system.
  • the built-in elements 15 advantageously support a purposeful plastic deformation in a primary area 21 adjoining the area with the installation element 15 by supporting the slats 1 in certain regions.
  • FIG. 4 shows a fin assembly 10 for a radiator during its manufacture with a method according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • a load element 18 is arranged on the primary region 21 during production, in particular during stacking or packaging of the lamellae 1.
  • the load element 18 is designed as a ball, which is arranged between two lamellae 1 in each case in the first channel 11.
  • a bias voltage which increases the compressive residual stress in the primary region 21.
  • the compressive residual stress can preferably also be increased or specifically oriented by arranging the load elements 18 at the primary region 21 in time prior to a soldering process joining the lamellae 1 together.
  • brazing material 8 is used in the brazing process.
  • a plastic, permanent plastic deformation determined by a position of the load elements 18 can be initiated with an elevated compressive residual stress.
  • a temperature gradient built up in the soldering process in the lamella 11 is cooled in a targeted manner, ie, partial regions extending along the temperature gradient are purposefully cooled at different rates, whereby a further increase in the compressive residual stress can be initiated.
  • the load element 18 is made of a soluble material and, following the increase in compressive residual stress, by means of the appropriate solvent, for example water, within of the first channel 11 is released and then rinsed out.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Bereitstellen eines eine Lamellenanordnung aufweisenden Kühlers mit zumindest einem ersten Kanal zur Führung eines wärmeabgebenden Fluids und zumindest einem zum ersten Kanal benachbarten zweiten Kanal zur Führung eines wärmeaufnehmenden Fluids oder Gases vor, wobei der erste Kanal und der zweite Kanal jeweils durch benachbarte Lamellen der Lamellenanordnung begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Primärbereich der Lamelle eine gegenüber einem Sekundärbereich der Lamelle erhöhte Druckeigenspannung erzeugt wird

Description

  • Die Erfindung betrifft einen eine Lamellenanordnung aufweisenden Kühler mit einem ersten Kanal zur Führung eines wärmeabgebenden Fluids und einem zum ersten Kanal benachbarten zweiten Kanal zur Führung eines wärmeaufnehmenden Fluids, wobei der erste Kanal und der zweite Kanal jeweils durch benachbarte Lamellen der Lamellenanordnung begrenzt werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bereitstellen eines derartigen Kühlers und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Kühler. Der Begriff "Fluid" umfasst dabei Flüssigkeiten und Gase.
  • Kühler sind, beispielsweise als Ladeluftkühler in einem Fahrzeug, hinlänglich bekannt und nutzen dabei regelmäßig den Wärmeaustausch zwischen einem wärmeabgebenden und einem wärmeaufnehmenden Fluid. Hierzu umfassen solche Kühler typischerweise zumindest einen ersten Kanal zur Führung des wärmeabgebenden Fluids und zumindest einen zweiten Kanal zur Führung des wärmeaufnehmenden Fluids. Bei aus der Praxis bekannten Kühlern werden der erste Kanal und der zweite Kanal jeweils durch benachbarte Lamellen einer Lamellenanordnung begrenzt, wobei sich der erste Kanal und der zum ersten Kanal benachbarte zweite Kanal eine gemeinsame Lamelle teilen, die wiederum zur einen Seite mit dem wärmeabgebenden Fluid und zur anderen Seite mit dem wärmaufnehmende Fluid in Kontakt steht und über die der gewünschte Wärmeaustausch zwischen dem wärmeaufnehmenden und dem wärmeabgebenden Fluid erfolgt. Durch wechselnde Lastanforderungen werden im Kühler sich ständig ändernde thermische Ausdehnungen veranlasst, die auf Dauer die Lamellen derart beanspruchen, dass im Betrieb auftretende mechanische Belastungen zu einer Schädigung der Lamellen, z. B. in Form von Rissen oder Brüchen, führen können. Solch eine die Schädigung verursachende mechanische Belastung kann beispielsweise von Druckschwingungen im wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabgebenden Fluid ausgehen.
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich eine Belastbarkeit des Kühlers erhöhen lässt. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Kühler mit höhere Belastbarkeit bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben werden durch Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
  • Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines eine Lamellenanordnung aufweisenden Kühlers bereitgestellt. Der Kühler weist zumindest einen ersten Kanal zur Führung eines wärmeabgebenden Fluids und zumindest einen zweiten Kanal zur Führung eines wärmeaufnehmenden Fluids auf. Ein erster Kanal ist hierbei benachbart zu einem zweiten Kanal angeordnet. Bei mehreren ersten und zweiten Kanälen weist der Kühler vorzugsweise eine alternierende Anordnung aus ersten und zweiten Kanälen auf. Der erste Kanal und der zweite Kanal werden jeweils durch benachbarte Lamellen der Lamellenanordnung begrenzt. Die Anordnung der Fluidkanäle ergibt sich somit durch Aufeinanderschichtung bzw. Aufeinanderstapeln der Lamellen der Lamellenanordnung.
  • Erfindungsgemäß wird in einem vorbestimmten Bereich der Lamellenanordnung eine Druckeigenspannung erzeugt. Insbesondere wird in einem Primärbereich zumindest einer Lamelle der Lamellenanordnung eine gegenüber einem Sekundärbereich der zumindest einen Lamelle erhöhte Druckeigenspannung erzeugt.
  • Der vorbestimmte Bereich der Lamellenanordnung kann ein Bereich der Lamellenanordnung sein, der eine hohe und/oder die höchste Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Schädigung aufgrund einer thermischen Belastung im Betrieb des Kühlers aufweist. Der vorbestimmte Bereich ist somit vorzugsweise eine potentielle Versagensstelle des Kühlers. Diese potentiellen Versagensstellen und damit die Lage des vorbestimmten Bereichs sind dem Fachmann in der Regel bekannt oder können durch experimentelle Belastungstests oder Berechnungen für einen Kühler ermittelt werden. Entsprechend kann der vorbestimmte Bereich ein Primärbereich der zumindest einen Lamelle sein, der eine höhere Anfälligkeit für das Auftreten einer Schädigung aufgrund einer thermischen Belastung im Betrieb des Kühlers als ein gegenüber dem Primärbereich räumlich versetzter Sekundärbereich aufweist. Nachfolgend wird für diesen vorbestimmten Bereich daher auch der Ausdruck Primärbereich verwendet.
  • Gegenüber dem Stand der Technik hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass eine Druckeigenspannung in der Lamelle gezielt im vorbestimmten Bereich bzw. Primärbereich erhöht wird. Die erzeugte Druckeigenspannung hat dann in vorteilhafter Weise zur Folge, dass die Belastbarkeit der Lamellen und damit des ganzen Kühlers erhöht wird. Grundsätzlich richtet sich die Realisierung der Druckeigenspannung im Besonderen auf den Primärbereich mit seiner höheren Anfälligkeit für eine Schädigung, d. h. mit einer gegenüber dem Sekundärbereich erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass im Betrieb des Kühlers eine Schädigung auftritt. Beispiele für die besagte Schädigung sind insbesondere ein Riss, ein Bruch oder Vergleichbares, wobei die Schädigung auftritt, wenn eine zulässige statische und dynamische Festigkeitsbeanspruchung überschritten wird. Insbesondere wird hierbei die besagte Anfälligkeit für das Auftreten einer Schädigung durch im Betrieb wechselnde Lastanforderungen an den Kühler und damit einhergehenden thermisch induzierten Ausdehnungsänderungen verursacht, wodurch die Lamelle auf Dauer einer im Betrieb auftretenden mechanischen Belastung nicht standhalten kann. Bei der mechanischen Belastung kann es sich um eine im Betrieb auftretende Zugbelastung handeln. Solche mechanischen auf die Lamellen wirkenden Belastungen können dabei z. B. von Druckschwingungen in dem wärmeabgebenden und/oder dem wärmaufnehmenden Fluid ausgehen. Grundsätzlich versteht der Fachmann unter einer Druckeigenspannung oder Eigenspannung erster Art eine mechanische Spannung, die in der Lamelle herrscht, ohne dass äußere Kräfte auf die Lamelle wirken und sich die Lamelle im thermischen Gleichgewicht befindet. Mittels der dauerhaft im Primärbereich herrschenden Druckeigenspannung lässt sich dann einer im Betrieb auf den Primärbereich wirkenden Beanspruchung, vorzugsweise Zugbeanspruchung, entgegenwirken, so dass eine resultierende maximale Beanspruchung reduziert wird.
  • Grundsätzlich umfasst der Begriff "Bereitstellen" sowohl ein Herstellen des Kühlers als auch eine an dem gefertigten oder teilweise gefertigten Kühler vorgenommene Modifikation mit dem Ziel, eine Belastbarkeit des Kühlers zu erhöhen. Eine höhere Belastbarkeit macht sich dabei insbesondere durch eine im Durchschnitt erhöhte Lebensdauer des Kühlers bei gleicher Betriebsbelastung bemerkbar.
  • Vorzugsweise bilden benachbarte Lamellen der Lamellenanordnung jeweils die Wandung für einen der ersten oder zweiten Kanäle. Insbesondere teilen sich der erste Kanal und der benachbarte zweite Kanal eine gemeinsame Lamelle in Form einer Wandung, die zwischen dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal angeordnet ist und über die der Wärmeaustausch zwischen dem wärmeabgebenden Fluid und wärmeaufnehmenden Fluid erfolgt. Hierbei erfolgt ein Transport des wärmeabgebenden Fluids bzw. des wärmeaufnehmenden Fluids durch den ersten bzw. zweiten Kanal entlang einer Strömungsrichtung. Der Kühler kann ferner Anschlüsse umfassen, um den mindestens einen ersten Kanal fluidisch mit einem ersten Fluidkreislauf zu koppeln und um den mindestens einen zweiten Kanal fluidisch mit einem zweiten Fluidkreislauf zu koppeln. Ferner ist es vorgesehen, dass die Lamellen aus einem Material mit einer vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit gefertigt sind, z. B. Aluminium oder einem aluminiumhaltigen Material. Als wärmabgebendes oder wärmeaufnehmendes Fluid sind gasförmige Medien, wie z.B. Luft, oder flüssige Medien, wie z. B. Wasser, vorstellbar.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zur Erzeugung der Druckeigenspannung die Lamellenanordnung im vorbestimmten Bereich plastisch verformt wird und/oder dass die Lamellen der Lamellenanordnung zur Erhöhung der Druckeigenspannung im Primärbereich plastisch verformt werden. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Druckeigenspannung gezielt im vorbestimmten Bereich bzw. Primärbereich erzeugt. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass durch die plastische Verformung der erste Kanal oder der zweite Kanal an der Stelle des Primärbereichs geweitet wird, d. h. ein Abstand zwischen den Lamellen, die den ersten oder den zweiten Kanal begrenzen, vergrößert wird.
  • Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass sich die Anordnung der Fluidkanäle durch Aufeinanderschichtung bzw. Aufeinanderstapeln der Lamellen der Lamellenanordnung ergibt. Hierbei können benachbarte Lamellen an ihren Endbereichen in einem Verbindungsbereich verbunden werden. Der Primärbereich kann an den Verbindungsbereich angrenzen und/oder benachbart hierzu angeordnet sein. Insbesondere begrenzen die Verbindungsbereiche den ersten und/oder den zweiten Kanal in einer durch die Bauform bedingten, beispielsweise senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Richtung. Dabei liegt der Primärbereich vorzugsweise zwischen dem Sekundärbereich und dem Verbindungsbereich. Ferner können die Lamellen im Endbereich gekrümmt sein und/oder die Endbereiche zur Bildung des Verbindungsbereichs aneinander liegend miteinander stoffschlüssig verbunden sein. Der Primärbereich liegt weiterhin vorzugsweise außerhalb des gekrümmten Bereichs bzw. schließt sich unmittelbar an den gekrümmten Bereich in einer senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Richtung an. Der Primärbereich kann insbesondere einen Übergangsbereich der Lamellen von dem gekrümmten Endbereich zu einem planen Mittelbereich der Lamellen umfassen. Es hat sich herausgestellt, dass die an den Verbindungsbereich anschließenden Bereiche besonders anfällig sind für die besagten Schädigungen.
  • Insbesondere beträgt eine sich senkrecht zur Strömungsrichtung erstreckende Länge des Primärbereichs weniger als 50 %, vorzugsweise weniger als 20% und besonders bevorzugt weniger als 10 % einer sich senkrecht zur Strömungsrichtung erstreckenden Länge des Sekundärbereichs.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass eine Druckeigenspannung bei Bauteilen mittels Rollieren, induktiven Oberflächenhärten oder Verfestigungsstrahlen erzeugbar sind. Diese Verfahren erfordern jedoch eine gute Zugänglichkeit der kritischen Bereiche, an denen die Druckeigenspannung erzeugt werden soll. Diese Verfahren sind aufgrund der schlechten Zugänglichkeit des Primärbereichs einer Lamellenanordnung des Kühlers, der Bauteildimensionen sowie der verwendeten Werkstoffe nicht vorteilhaft für die Anwendung bei Kühlern. Dagegen sind nachfolgend beschriebene Ausführungsvarianten besonders vorteilhaft, um eine Druckeigenspannung in dem Primärbereich einer Lamellenanordnung eines Kühlers zu erzeugen.
  • So ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass zur Erhöhung der Druckeigenspannung ein auf die Lamellen wirkender Druck derart eingestellt wird, dass eine Streckgrenze eines Lamellenmaterials im Primärbereich überschritten wird. Insbesondere handelt es sich bei dem Druck um den Druck, mit dem die plastische Verformung veranlasst wird. In dem Zustand, in dem die Streckgrenze des Lamellenmaterials überschritten ist, befindet sich das Lamellenmaterial in einem für die gewünschte plastische Verformung vorgesehenen Fließzustand. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Druck derart dosiert wird, dass im Primärbereich eine für die plastische Verformung erforderliche Fließgrenze des Lamellenmaterials überschritten wird, ohne dass der Druck einen Wert überschreitet, bei dem die Lamelle im Primärbereich zerstört wird. Weiterhin ist es vorstellbar, dass zeitlich vor der plastischen Verformung in einem ersten Vorbereitungsschritt das Verformungsverhalten der Lamelle in Hinblick auf eine Druckeinwirkung abhängig von Design und Material der Lamellenanordnung, beispielsweise durch eine Simulation, erfasst wird, und in einem zweiten Vorbereitungsschritt ein Primärbereich für die Lamellenanordnung durch eine Simulation ermittelt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei den Simulationen im ersten und zweiten Vorbereitungsschritt um eine computergestützte Simulation. Anschließend werden in einem dritten Vorbereitungsschritt die Ergebnisse des ersten Vorbereitungsschritts mit den Ergebnissen des zweiten Vorbereitungsschritts verglichen. Sofern die im ersten Vorbereitungsschritt erfasste Verformung mit dem im zweiten Vorbereitungsschritt ermittelten Primärbereich räumlich zusammenfällt, lässt sich der entsprechende Druck, insbesondere in Hinblick auf Ausrichtung und Größe, für die plastische Verformung im Primärbereich heranziehen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass innerhalb des mindestens einen ersten Kanals und/oder des mindestens einen zweiten Kanals jeweils ein Einbauelement integriert ist, wobei der Primärbereich an einen Bereich mit dem Einbauelement angrenzt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Einbauelement um ein Kühlernetz oder eine Turbolenzeinlage. Solche Einbauelemente dienen in erster Linie zur Effizienzsteigerung beim Wärmeaustausch. Vorliegend erfüllen sie zudem in vorteilhafter Weise den Zweck, dass das Einbauelement eine auf die Lamelle einwirkende Druckkraft steuern und gezielt in den Primärbereich leiten kann, da das Einbauteil den außerhalb des Primärbereichs liegenden Bereich mit dem Einbauelement stabilisiert, indem es die Lamellen bereichsweise abstützt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Lamellen zur Erzeugung der Druckeigenspannung mittels Autofrettage plastisch verformt werden. Unter einer Autofrettage versteht der Fachmann ein Verfahren, bei dem der erste und/oder der zweite Kanal temporär, d. h. während eines festgelegten Zeitintervalls, einem Innendruck ausgesetzt wird, wobei der Innendruck über dem späteren Betriebsdruck, d. h. dem Druck, der von dem wärmeabgebenden bzw. dem wärmeaufnehmenden Fluid im Betrieb ausgeht, und über der Streckgrenze des Lamellenmaterials liegt, so dass der Primärbereich lokal plastifiziert. Zeitlich nach einem sich an die Autofrettage anschließenden Innendruckabbau bleiben dann in den Primärbereichen Druckeigenspannungen erhalten, die einer Rissbildung im späteren Einsatz vorbeugen und somit die Belastbarkeit der Lamelle dauerhaft steigern. Zur Durchführung der Autofrettage ist es vorgesehen, dass eine Flüssigkeit in den ersten Kanal oder zweiten Kanal eingelassen bzw. eingeleitet wird und anschließend mittels einer Pumpe oder mittels eines Druckübersetzters die Flüssigkeit derart unter Druck gesetzt wird, dass der gewünschte Innendruck erzeugt wird, mit dem die Streckgrenze des Lamellenmaterials überschritten wird. Alternativ ist es vorstellbar, dass der gewünschte Innendruck mit einer in den ersten oder zweiten Kanal eingelassenen Druckluft bzw. einem Druckgas hervorgerufen wird. Hierzu wird beispielsweise ein Kompressor verwendet. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Innendruck ausschließlich im ersten Kanal oder mehreren ersten Kanälen bzw. ausschließlich im zweiten Kanal oder mehreren zweiten Kanälen erzeugt wird. Mit anderen Worten: Der gewünschte Innendruck wird nicht zeitgleich im ersten Kanal und dem zum ersten Kanal benachbarten zweiten Kanal erzeugt. Die Autofrettage erlaubt es zudem auch Primärbereiche mit einer Druckeigenspannung zu versehen, die wegen ihrer Lage innerhalb des Kühlers bzw. innerhalb der Lamellenanordnung vergleichsweise schwer zugänglich sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zur Erzeugung der Druckeigenspannung im vorbestimmten Bereich ein Verformungsverhalten von zusammengesetzten Lamellen unter Kraftbeaufschlagung ermittelt wird und zur Erhöhung der Druckeigenspannung die zusammengesetzten Lamellen abhängig vom ermittelten Verformungsverhalten mit einer von außen wirkenden Kraft beaufschlagt werden. Insbesondere wird in dem besagten ersten Vorbereitungsschritt das Verformungsverhaltung für eine von außen auf die Lamellenanordnung wirkende Kraft bzw. einen von außen auf die Lamellenanordnung einwirkenden Druck ermittelt und anschließend werden der zweite und der dritte Vorbereitungsschritt durchgeführt. Grundsätzlich ist es vorstellbar, dass die von außen erfolgende Kraftbeaufschlagung im Herstellungsprozess, d. h. z. B. während dem Stapeln und Verlöten der Lamellen, oder an der gefertigten Lamellenanordnung bzw. dem gefertigten Kühler vorgenommen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Lamellen im Verbindungsbereich durch ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen miteinander verbunden werden, wobei zur Erzeugung der Druckeigenspannung im vorbestimmten Bereich ein sich über die Lamelle erstreckender Temperaturgradient während des auf das stoffschlüssige Fügen nachfolgenden Abkühlens der Lamelle, z. B. während des Erstarrens des Lots, kontrolliert wird, um eine Verspannung der Lamelle, insbesondere im vorbestimmten Bereich, zu erzeugen. Hierbei kann beispielsweise ein erster Teilbereich der Lamelle schneller abgekühlt werden als ein räumlich zum ersten Teilbereich versetzter zweiter Teilbereich der Lamelle. Vorzugsweise werden die Lamellen im Verbindungsbereich gelötet. Insbesondere sind der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich in einer senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Richtung zueinander versetzt angeordnet. Das Abkühlverhalten lässt sich beispielsweise dadurch beeinflussen, dass der erste Teilbereich oder zweite Teilbereich mit einem Kühlelement mit einer vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit, z. B. mit einem Eisenstab, in Kontakt gebracht wird, so dass die Wärme aus dem jeweiligen Teilbereich über das Kühlelement schneller abgeleitet wird. Der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich können hierbei im Primärbereich angeordnet sein. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass der erste Teilbereich im Verbindungsbereich angeordnet ist, während der zweite Teilbereich im Primärbereich angeordnet ist oder umgekehrt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zur Erhöhung der Druckeigenspannung temporär ein Lastelement an der Lamelle im Primärbereich oder benachbart bzw. angrenzend hierzu angeordnet wird. Insbesondere wird das Lastelement während des Herstellungsprozesses der Lamellenanordnung, beispielsweise beim Stapeln bzw. Paketieren und Löten, im Primärbereich angeordnet. Im Zusammenspiel mit dem Herstellungsprozess, insbesondere zusammen mit dem Löten, wird durch das Lastelement eine plastische Verformung veranlasst, die zu einer dauerhaften Druckeigenspannung im Primärbereich führt. Vorzugsweise werden die Lastelemente hierbei zwischen zwei Lamellen, die zusammen beispielsweise den ersten Kanal oder den zweiten Kanal begrenzen, angeordnet. Hierbei legt die Ausdehnung des Lastelements vorzugsweise den späteren Abstand zwischen den Lamellen im Sekundärbereich fest. Beispielsweise ist das Lastelement eine Kugel mit einem Durchmesser, der den späteren Abstand der Lamellen im Sekundärbereich festlegt. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Lastelement ausschließlich im ersten Kanal bzw. in ersten Kanälen oder im zweiten Kanal bzw. in zweiten Kanälen angeordnet wird.
  • Gemäß einer Variante dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Lastelement aus einem löslichen Material bereitgestellt wird und durch ein Auflösen zeitlich nach dem plastischen Verformen in einem Reinigungsschritt entfernt wird. Hierzu wird insbesondere ein Lösungsmittel in den das Lastelement aufweisenden ersten Kanal bzw. zweiten Kanal eingeleitet. Beispielsweise ist das Lastelement aus einem wasserlöslichen Material gefertigt und im Reinigungsschritt wird als Lösungsmittel Wasser in den ersten bzw. zweiten Kanal eingeleitet, so dass sich das Lastelement auflöst und aus dem ersten bzw. zweiten Kanal herausgespült werden kann. Dadurch lässt sich das Lastelement nach der plastischen Verformung der Lamellen aus dem Primärbereich vergleichsweise einfach wieder entfernen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühler ein Fahrzeugkühler ist. Insbesondere handelt es sich um einen Ladeluftkühler, mit dem eine Ladeluft einer Brennkraftmaschine gekühlt wird. Ein solcher Kühler ist im Betrieb durch Vibrationen und Druckschwingungen in dem wärmabgebenden bzw. wärmeaufnehmenden Medium vergleichsweise hohen Beanspruchungen ausgesetzt und unterliegt häufigen lastbedingten Temperaturschwankungen, so dass sich die im Primärbereich erzeugte Druckeigenspannung besonders vorteilhaft auf die Lebensdauer des Fahrzeugkühlers, insbesondere eines Ladeluftkühlers einer Brennkraftmaschine, auswirkt.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kühler, insbesondere Fahrzeugkühler, mit einem ersten Kanal zur Führung eines wärmeabgebenden Fluids und einem zum ersten Kanal benachbarten zweiten Kanal zur Führung eines wärmeaufnehmenden Fluids, wobei der erste Kanal und der zweite Kanal jeweils durch benachbarte Lamellen der Lamellenanordnung begrenzt sind, wobei die Lamelle in einem Primärbereich eine gegenüber einem Sekundärbereich der Lamelle erhöhte Druckeigenspannung aufweist. Insbesondere weist die Lamelle hierbei eine dauerhaft, d. h. eine sich im Wesentlichen über die restliche Lebensdauer anhaltende, erhöhte Druckeigenspannung auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühler mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Hierbei lässt sich die Behandlung zur Ausbildung einer Druckeigenspannung im Primärbereich dadurch nachweisen, dass eine Zerstörschwelle für einen Druck, bei dem die Lamelle zerberstet, im Falle eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Kühlers höher ist als bei einem ohne das erfindungsgemäße Verfahren behandelten Kühler, wenn eine Flüssigkeit oder ein Druckgas in den ersten Kanal oder den zweiten Kanal eingeleitet wird und anschließend ein über dem Betriebsdruck liegender Druck in der Flüssigkeit bzw. dem Druckgas erzeugt wird. Mit anderen Worten: Die Behandlung der Lamellenanordnung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhöht einen Druck, bei dem die Lamellenanordnung zerbirst.
  • Die Erfindung betriff ferner ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit dem erfindungsgemäßen Kühler.
  • Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Lamellenanordnung für einen Kühler gemäß dem Stand der Technik;
    Figur 2
    eine Lamellenanordnung für einen Kühler bereitgestellt mit einem Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    Figur 3
    eine Lamellenanordnung für einen Kühler bereitgestellt mit einem Verfahren gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
    Figur 4
    eine Lamellenanordnung für einen Kühler während ihrer Herstellung mit einem Verfahren gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Gleiche Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Sich wiederholende Elemente sind zum Teil nicht in jeder Figur gesondert bezeichnet. Die Figuren zeigen jeweils nur einen linken Teil der Lamellenanordnung.
  • Die Figur 1 stellt eine Lamellenanordnung 10 für einen Kühler gemäß dem Stand der Technik in einer Schnittansicht dar. Ein solcher Kühler ist zum Wärmeaustausch zwischen einem wärmeabgebenden und einem wärmaufnehmenden Fluid vorgesehen und dient beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zur Ladeluftkühlung. Für den Wärmeaustausch umfasst der Kühler einen ersten Kanal 11 zur Führung eines wärmeabgebenden Fluids und einen zum ersten Kanal 11 benachbart angeordneten zweiten Kanal 12 zur Führung einer wärmeaufnehmenden Flüssigkeit. Im Betrieb werden das wärmeabgebende bzw. das wärmeaufnehmende Fluid entlang eine Strömungsrichtung durch den ersten Kanal 11 und den zweiten Kanal 12 geführt. Vorstellbar ist es hierbei, dass die Strömungsrichtungen des wärmeabgebenden und des wärmeaufnehmenden Fluids entgegengesetzt oder gleichgerichtet sind. Die hier dargestellte Schnittansicht verläuft dabei entlang einer senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Richtung. Grundsätzlich werden der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 hierbei jeweils durch Lamellen 1 einer Lamellenanordnung 10 gebildet, indem jeweils benachbarte Lamellen 1 den ersten Kanal 11 und den zweiten Kanal 12 als Wandung begrenzen. Insbesondere teilen sich der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 eine zwischen ihnen liegende gemeinsame Lamelle 1, über die im Betrieb wiederum ein Wärmeaustausch erfolgt, da diese gemeinsame Lamelle 1 sowohl in Kontakt mit dem wärmeabgebenden Fluid des ersten Kanals 11 und dem wärmeaufnehmenden Fluid des zweiten Kanals 12 steht. Um einen möglichst effektiven Wärmeaustausch zu realisieren, ist die Lamelle 1 aus einem Material mit einem vergleichsweise hohen Wärmeleitkoeffizienten, wie z.B. Aluminium, gefertigt. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind die einzelnen Lamellen 1 in ihren Endbereichen gekrümmt ausgestaltet. Insbesondere sind die Endbereiche der Lamellen 1 an den in einer senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Richtung gesehenen Enden gekrümmt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die einzelnen Lamellen zur Bildung der Lamellenanordnung, insbesondere des ersten Kanals 11 und des zweiten Kanals 12, in ihren gekrümmten Endbereichen stoffschlüssig, beispielsweise durch eine Lötung, miteinander verbunden sind. Wird der Kühler unter wechselnden Lastanforderungen betrieben, z. B. durch ständig wechselnde bedarfsabhängige Anforderungen an unterschiedliche Kühlleistungen, ändert sich die thermisch bedingte Ausdehnung der Lamellen 1 permanent und die Lamellen 1 werden entsprechend beansprucht, was letztendlich zu einer Schädigung, beispielsweise in Form eines Risses oder eines Bruchs, führen kann, wenn die Lamellen 1 einer mechanisehen Belastung ausgesetzt sind. Es hat sich hierbei gezeigt, dass im Betrieb des Kühlers die Lamellen 1 in einem Primärbereich 21 anfälliger gegenüber einer Schädigung sind als in einem Sekundärbereich 22, d. h. eine Wahrscheinlichkeit für eine Schädigung ist im Primärbereich 21 größer als in einem Sekundärbereich 22, wenn der Kühler im Betrieb wechselnden Lastanforderungen ausgesetzt ist. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform grenzt der Primärbereich 21 an den Verbindungsbereich 23 an. Insbesondere ist der Primärbereich 21 in einem in einer senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Richtung gesehenen Endbereich des ersten Kanals 11 oder zweiten Kanals 12 angeordnet.
  • Die Figur 2 stellt eine Lamellenanordnung 10 für einen Kühler dar, wobei die Lamellenanordnung 10 mit einem Verfahren gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wurde. In der dargestellten Ausführungsform wurde zur Erhöhung der Robustheit im Primärbereich 21 die Druckeigenspannung in den Lamellen 1 durch eine plastische Verformung mittels einer Autofrettage erhöht. Hierbei wird ein Innendruck innerhalb des ersten Kanals 11 oder des zweiten Kanals 12 temporär soweit erhöht, dass eine Streckgrenze eines Lamellenmaterials im Primärbereich 21 überschritten wird. Mit anderen Worten: Für ein festgelegtes Zeitintervall wird im ersten Kanal 11 und/oder im zweiten Kanal 12 mittels eines Druckfluids ein Innendruck erzeugt, bei dem das Lamellenmaterial - ohne zu zerreißen - im Primärbereich 21 in einen Fließzustand überführt wird. Folge ist eine plastische Verformung der Lamelle 1 im Primärbereich 21, bei der zeitlich nach der herbeigeführten plastischen Verformungen durch die Autofrettage eine Druckeigenspannung in der Lamelle 1 dauerhaft erhöht bleibt. Zu erkennen ist, dass sich die Lamelle 1 entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Lamelle 1 verlaufenden Richtung durch die Autofrettage im Sekundärbereich 22 um eine Verformungshöhe a verschoben hat.
  • Die Figur 3 stellt eine Lamellenanordnung 10 für einen Kühler dar, wobei die Lamellenanordnung 10 mit einem Verfahren gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wurde. Das Verfahren entspricht dabei im Wesentlichen dem der ersten Ausführungsform. Einen Unterschied bildet das Einbauelement 15, das im ersten Kanal 11 integriert ist und insbesondere mittig im ersten Kanal 11 angeordnet ist. Ein solches Einbauelement 15 kann beispielsweise ein Kühlernetz oder eine Turbolenzanlage sein. Hierbei unterstützen die Einbauelemente 15 in vorteilhafter Weise eine zielgerichtete plastische Verformung in einem an den Bereich mit dem Einbauelement 15 angrenzenden Primärbereich 21, indem es die Lamellen 1 bereichsweise abstützt.
  • Die Figur 4 zeigt eine Lamellenanordnung 10 für einen Kühler während ihrer Herstellung mit einem Verfahren gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist es vorgesehen, dass während der Herstellung, insbesondere beim Stapeln bzw. Paketieren der Lamellen 1, ein Lastelement 18 am Primärbereich 21 angeordnet wird. In der in Figur 4 illustrierten Ausführungsform ist das Lastelement 18 als Kugel ausgestaltet, die zwischen zwei Lamellen 1 jeweils im ersten Kanal 11 angeordnet wird. Mittels der Lastelemente 18 lässt sich in vorteilhafter Weise eine Vorspannung erzeugen, die die Druckeigenspannung im Primärbereich 21 erhöht. Die Druckeigenspannung lässt sich vorzugsweise auch dadurch erhöhen bzw. gezielt ausrichten, dass die Lastelemente 18 zeitlich vor einem die Lamellen 1 miteinander fügenden Lötprozess am Primärbereich 21 angeordnet werden. Insbesondere wird im Lötprozess Lötmaterial 8 verwendet. Unterstützt von der beim Lötprozess entstehenden Temperaturentwicklung lässt sich eine plastische, dauerhafte und durch eine Lage der Lastelemente 18 bestimmte plastische Verformung mit einer erhöhten Druckeigenspannung veranlassen. Hierbei ist es vorstellbar, dass ein beim Lötprozess aufgebauter Temperaturgradient in der Lamelle 11 gezielt abgekühlt wird, d. h. sich entlang des Temperaturgradient erstreckende Teilbereiche gezielt unterschiedlich schnell abgekühlt werden, wodurch eine weitere Erhöhung der Druckeigenspannung veranlasst werden kann. Um die Lastelemente 18 zeitlich nach der Einstellung der Druckeigenspannung wieder aus der Lamellenanordnung 10 zu entfernen, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Lastelement 18 aus einem löslichen Material bereitgestellt wird und im Anschluss an die Erhöhung der Druckeigenspannung mittels des passenden Lösemittels, beispielsweise Wasser, innerhalb des ersten Kanals 11 gelöst und anschließend herausgespült wird.
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lamelle
    5
    Schädigung
    8
    Lötmaterial
    10
    Lamellenanordnung
    11
    Erster Kanal
    12
    Zweiter Kanal
    15
    Einbauelement
    18
    Lastelement
    21
    Primärbereich
    22
    Sekundärbereich
    23
    Verbindungsbereich
    a
    Verformungshöhe

Claims (15)

  1. Verfahren zum Bereitstellen eines eine Lamellenanordnung (10) aufweisenden Kühlers mit einem ersten Kanal (11) zur Führung eines wärmeabgebenden Fluids und einem zum ersten Kanal (11) benachbarten zweiten Kanal (12) zur Führung eines wärmeaufnehmenden Fluids, wobei der erste Kanal (11) und der zweite Kanal (12) jeweils durch benachbarte Lamellen (1) der Lamellenanordnung (10) begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorbestimmten Bereich (21) der Lamellenanordnung eine Druckeigenspannung erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Bereich der Lamellenanordnung ein Primärbereich zumindest einer Lamelle (1) der Lamellenanordnung ist, in dem eine gegenüber einem Sekundärbereich (22) der zumindest einen Lamelle (1) erhöhte Druckeigenspannung erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der vorbestimmte Bereich der Lamellenanordnung
    a) ein Bereich der Lamellenanordnung ist, der die höchste Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Schädigung aufgrund einer thermischen Belastung im Betrieb des Kühlers aufweist; und/oder
    b) ein Primärbereich der zumindest einen Lamelle ist, der eine höhere Anfälligkeit für das Auftreten einer Schädigung aufgrund einer thermischen Belastung im Betrieb des Kühlers als ein gegenüber dem Primärbereich räumlich versetzter Sekundärbereich aufweist.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung der Druckeigenspannung
    a) die Lamellenanordnung im vorbestimmten Bereich plastisch verformt wird; und/oder
    b) ein auf die Lamellenanordnung wirkender Druck derart eingestellt wird, dass eine Streckgrenze eines Lamellenmaterials im vorbestimmten Bereich (21) überschritten wird.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei zwei benachbarte Lamellen (1) an ihren Endbereichen unter Bildung des ersten Kanals (11) oder des zweiten Kanals (12) in einem Verbindungsbereich (23) verbunden werden, wobei der Primärbereich (21) an den Verbindungsbereich (23) angrenzt und/oder benachbart hierzu angeordnet ist.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb des ersten Kanals (11) und/oder des zweiten Kanals (12) ein Einbauelement (15), insbesondere ein Kühlernetz oder eine Turbolenzeinlage, integriert ist, wobei der vorbestimmte Bereich (21) an einen Bereich mit dem Einbauelement (15) angrenzt.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lammellenanordnung zur Erzeugung der Druckeigenspannung mittels Autofrettage im vorbestimmten Bereich plastisch verformt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung der Druckeigenspannung im vorbestimmten Bereich ein Verformungsverhalten der Lamellenanordnung (10) unter Kraftbeaufschlagung ermittelt wird und zur Erzeugung der Druckeigenspannung die Lamellenanordnung (10) abhängig vom ermittelten Verformungsverhalten mit einer von außen wirkenden Kraft beaufschlagt wird.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lamellen (1) an einem Verbindungsbereich (23) durch ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen, insbesondere durch Löten, miteinander verbunden werden, wobei zur Erzeugung der Druckeigenspannung im vorbestimmten Bereich ein sich über die Lamelle (1) erstreckender Temperaturgradient während des auf das stoffschlüssige Fügen nachfolgenden Abkühlens der Lamelle (1) kontrolliert wird, um eine Verspannung der Lamelle, insbesondere im vorbestimmten Bereich zu erzeugen, wobei vorzugsweise ein erster Teilbereich der Lamelle (1) schneller abgekühlt wird als ein räumlich zum ersten Teilbereich versetzten zweiter Teilbereich der Lamelle (1).
  10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung der Druckeigenspannung beim Herstellungsprozess der Lamellenanordnung, insbesondere während eines Paketierens oder eines thermischen Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen der Lamellen, temporär ein Lastelement (18) an der Lamellenanordnung im oder benachbart zum vorbestimmten Bereich (21) angeordnet wird.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei
    a) das Lastelement (18) zwischen zwei Lamellen (1) angeordnet ist; und/oder
    b) wobei das Lastelement (18) aus einem löslichen Material bereitgestellt wird und durch ein Auflösen mittels eines Lösungsmittels zeitlich nach Erzeugen der Druckeigenspannung in einem Reinigungsschritt entfernt wird.
  12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühler ein Fahrzeugkühler ist.
  13. Kühler, insbesondere Fahrzeugkühler, mit einem ersten Kanal (11) zur Führung eines wärmeabgebenden Fluids und einem zum ersten Kanal (11) benachbarten zweiten Kanal (12) zur Führung eines wärmeaufnehmenden Fluids, wobei der erste Kanal (11) und der zweite Kanal (12) jeweils durch benachbarte Lamellen (11) einer Lamellenanordnung (10) begrenzt sind, wobei zumindest eine Lamelle (1) in einem Primärbereich (21) eine gegenüber einem Sekundärbereich (22) der Lamelle (1) erhöhte Druckeigenspannung aufweist.
  14. Kühler gemäß Anspruch 13 bereitgestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12
  15. Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einem Kühler gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14.
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