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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren
für Wärmetauscher.
Ein Wärmetauscher
mit den Merkmalen des Oberbegriffs ist aus der bisher unveröffentlichten internationalen
Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
PCT/EP 2006 /001487 bekannt. Da
es sich bei dem intern bekannten und in den beiliegenden
1 und
2 gezeigten
Wärmetauscher
vorzugsweise um eine vollständig
aus Metall bestehende Lötkonstruktion
handelt, ist es erwünscht,
den gesamten Wärmetauscher
in einem einzigen Lötvorgang
herzustellen, wozu derselbe lötgerecht
vormontiert werden muss. Das ist bei der intern bekannten Konstruktion mit
Schwierigkeiten verbunden, insbesondere deshalb, weil die Rohre
Längentoleranzen
aufweisen, die zu ungenügenden
Lötverbindungen
an den seitlichen Verschlüssen
der Sammler führen
können.
Zudem ist diese Lösung
auch später
beim Einsatz im KFZ von Nachteil, da die auftretenden Ausdehnungen
auf Grund von Temperaturunterschieden nicht ausgeglichen werden
können.
Ein weiterer Wärmetauscher
mit diesen Merkmalen ist aus der
EP 656 517 B1 bekannt. Dort befinden sich – im Unterschied zur
erstgenannten Referenz – die Öffnungen
im Rohrboden und die Vorsprünge
sind an einer Längstrennwand
im Sammelkasten angeordnet.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung des Wärmetauschers
so zu vereinfachen, dass die lötgerechte
Vormontage des Wärmetauschers
erleichtert wird. Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher mit den Merkmalen
des Oberbegriffs erfindungsgemäß durch
die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Eine
alternative Lösung
enthält
der Anspruch 2. Der Anspruch 1 bezieht sich auf einstückige Seitenteile
mit Verschlusskappen. Der Anspruch 2 sieht einzelne Verschlusskappen
vor, wobei ein von den Verschlusskappen getrenntes Mittelteil vorgesehen
werden kann. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
weist die Merkmale des Anspruchs 11 auf.
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Es
ist vorgesehen, dass die Seitenteile in ihrer Längsrichtung deformierbar sind,
um Fertigungstoleranzen auszugleichen. Vorzugsweise werden die Seitenteile
gestaucht, wobei die Vorsprünge
etwas tiefer in die Rohrenden eindringen können, um die Längentoleranzen
der Flachrohre auszugleichen. Dadurch können bei der Herstellung des
Wärmetauschers
die vorgefertigten Seitenteile leichter aufgesetzt werden. Es wird
gewährleistet,
dass die Verschlusskappen immer formschlüssig und flüssigkeitsdicht an den seitlichen
Enden des Sammlers angelötet
werden. Die erfinderische Lösung
hat auch später, beim
Einsatz im Kraftfahrzeug, den Vorteil, dass die auftretenden Ausdehnungen
auf Grund von Temperaturunterschieden ausgeglichen werden können.
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Es
ist von Vorteil, dass die Seitenteile wenigstens einen Dehnungs – oder Stauchungsbereich aufweisen,
der je nach Bedarf gestaucht oder gedehnt werden kann. Er kann die
Form mindestens eines Dehnungsspaltes mit mindestens einem Dehnungssteg
haben. Die Breite des Dehnungsspaltes hat vor der Deformation eine
andere Abmessung als nach der Deformation. Wird eine Stauchung des
Seitenteils vorgenommen, wird demnach die Spaltbreite verkleinert.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
vorgesehen, dass jedes Seitenteil wenigstens zwei Dehnungsspalte
aufweist, die etwa am Übergang
zwischen der Verschlusskappe und dem Mittelteil angeordnet sind.
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Die
Deformierbarkeit der Seitenteile wird erleichtert, wenn der oder
die Dehnungsspalte vorzugsweise quer oder schräg zur Längsrichtung der Seitenteile
verlaufen.
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Der
Dehnungs- oder Stauchungsbereich kann anstelle der Dehnungsspalte
beispielsweise eine zusammendrückbare
oder streckbare Sicke oder dergleichen, aufweisen.
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Es
kann vorgesehen werden, dass die Seitenteile entweder an der äußeren Lamelle
oder unmittelbar am äußeren Flachrohr
des Wärmetauscherkerns
anliegen.
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Es
wurde auch daran gedacht, dass die Verschlusskappen der Seitenteile
als Verschlussstücke zum
Verschließen
der stirnseitigen Enden der Sammler ausgebildet sind. Alternativ
ist es jedoch auch möglich,
die Verschlusskappen lediglich an den Rohrböden oder an den Sammlern zu
befestigen, wie es beispielsweise im
EP 656 517 B1 vorgesehen worden ist. Die
Verschlusskappen besitzen dort Laschen, die in Löcher im Rohrboden eingeführt und dort
verlötet
werden. In dem Fall können
beispielsweise separate Verschlussdeckel in die Enden der Sammler
eingesetzt werden.
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Das
Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers,
wobei Flachrohre und Lamellen im Wechsel zum Wärmetauscherkern zusammengesetzt
werden, an den Flachrohrenden Rohrböden und/oder Sammler angesetzt
werden, wobei Vorsprünge
in Öffnungen
gesteckt werden, Seitenteile am Kern angesetzt werden, ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass die Seitenteile in Längsrichtung der Seitenteile
gedehnt oder gestaucht werden, um Fertigungstoleranzen und thermische
Ausdehnungen kompensieren zu können.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 interner
Stand der Technik;
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2 interner
Stand der Technik;
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3 erstes
Ausführungsbeispiel,
Ausschnitt des zusammengebauten Wärmetauschers;
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4 Seitenteil
des ersten Ausführungsbeispiels;
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5 zweites
Ausführungsbeispiel,
Ausschnitt des zusammengebauten Wärmetauschers;
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6 zweites
Ausführungsbeispiel,
ein Montageschritt;
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7 zweites
Ausführungsbeispiel,
ein weiterer Montageschritt;
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8 zweites
Ausführungsbeispiel,
Seitenteil in der Draufsicht;
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9 zweites
Ausführungsbeispiel,
Seitenteil perspektivisch dargestellt;
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10 drittes
Ausführungsbeispiel,
Ausschnitt des zusammengebauten Wärmetauschers;
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11 drittes
Ausführungsbeispiel,
ein Montageschritt;
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12 drittes
Ausführungsbeispiel,
zu 10 um 180° gedrehte
Ansicht;
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13 drittes
Ausführungsbeispiel,
zwei Seitenteile perspektivisch dargestellt;
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14 viertes
Ausführungsbeispiel,
Ausschnitt des zusammengebauten Wärmetauschers;
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15 viertes
Ausführungsbeispiel,
Ausschnitt des zusammengebauten Wärmetauschers, andere Ansicht;
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16 fünftes Ausführungsbeispiel,
Ausschnitt des zusammengebauten Wärmetauschers;
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17 fünftes Ausführungsbeispiel,
Ausschnitt des zusammengebauten Wärmetauschers, andere Ansicht.
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Ein
Wärmetauscher,
wie er aus dem internen Stand der Technik bekannt ist, siehe 1 und 2,
setzt sich folgendermaßen
zusammen: Immer abwechselnd werden Flachrohre 1 mit Lamellen 2 zu einem
Wärmetauscherkern
gestapelt. Im Betrieb des Wärmetauschers
kann durch die Flachrohre 1 ein Fluid fließen und
durch die Lamellen 2 kann ein anderes Fluid, beispielsweise
Luft, hindurch strömen. Auf
die gegenüberliegenden
Flachrohrenden sind Rohrböden 3 aufgezogen
und Sammler 4 mit Anschlussstutzen 40 angesetzt
worden. Die Sammler sind hier kastenfömig, sie können aber auch jede andere
Form aufweisen. Beim Zusammenbau greifen die Zähne 10, die in diesem
Ausführungsbeispiel
an den Sammelkästen 4 angeordnet
sind, an den Rohrböden 3 vorbei,
direkt in die Enden 11 der Flachrohre 1 ein. Um
die Sammelkästen 4 seitlich
flüssigkeitsdicht
zu verschließen,
sind an den Seitenteilen 20 Verschlusskappen 21 angebracht.
Die im internen Stand der Technik benutzten Seitenteile 20 sind
verbesserungsbedürftig,
da sie einteilig, aus Mittelteil 22 mit zwei Verschlusskappen 21 bestehend,
deshalb relativ starr sind und keine Flexibilität zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen
möglich
ist.
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In
der 3 wird ein erstes Ausführungsbeispiel gezeigt. Auch
hier ist das Seitenteil 20 einteilig mit einem Mittelteil 22 und
zwei Verschlusskappen 21 ausgebildet. Bei einem anders
aufgebauten Wärmetauscher
kann auch nur eine Verschlusskappe 21 vorgesehen sein,
weil der Wärmetauscher
lediglich einen Sammelkasten 4 besitzt. Zwischen dem Mittelteil 22 und
den Verschlusskappen 21 befindet sich ein Dehnungsspalt 23,
dessen Form, so wie gezeigt, rechteckig länglich ist. Er könnte auch
eine ovale oder unregelmäßige Form
aufweisen. Die hier gewählten
Positionen der Dehnungsspalte 23 sind in der Nähe der Sammelkästen 4.
Sie können
aber auch an einer anderen Stelle sein, bzw. es können auch
mehr als zwei Dehnungsspalte 23 vorgesehen werden. Durch
die hier gewählten
Positionen hat man allerdings den Vorteil, dass die Dehnungsspalte 23 nicht
nur bei der Montage des Wärmetauschers
Fertigungstoleranzen ausgleichen können, sondern auch thermische
Ausdehnungen im Betrieb im Kraftfahrzeug ausgleichen.
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In
der 4 ist eine Draufsicht auf einen Teil des Seitenteils 20 gezeigt.
Die die Dehnungsspalte 23 begrenzenden Dehnungsstege 25 verbinden
die Verschlusskappen 21 mit dem Mittelteil 22.
Neben den Dehnungsstegen 25 sind Aussparungen 24 vorhanden,
um eine Stauchung der Dehnungsstege 25 während der
Montage des Wärmetauschers
zu erlauben. Die Dehnungsstege 25 sollten möglichst
dünn sein,
damit zum Ausgleich der Fertigungstoleranzen nicht unnötig hohe
Kräfte
notwendig sind, um den Wärmetauscher
zu montieren. Während
des Betriebs im Kraftfahrzeug können
die Dehnungsstege 25 dann auch zerreißen, was zielgerichtet zulässig sein soll.
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Die
Formen und Positionen der Dehnungsstege 25 können beliebig
gewählt
werden. Es kann jedoch auch nur ein einziger Dehnungssteg – etwa in der
Mitte – angeordnet
sein, der den Dehnungsspalt 23 aufteilt.
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Jeder
Dehnungsspalt 23 hat eine Breite b und eine Länge L. Die
Breite b kann zwischen 1 und 20 mm liegen, die Länge L hängt von der Tiefe T des Wärmetauschers
ab. Sie sollte um mindestens die zweifache Dicke D der Dehnungsstege 25 kleiner
als die Tiefe T des Wärmetauschers
sein (L<= T – 2·D). Die
Dicke D der Dehnungsstege 25 sollte etwa 2 bis 5 mm betragen.
Ist der Dehnungsspalt 23 oval oder elliptisch so ist b
der maximale Durchmesser in LR und L der maximale Durchmesser quer
dazu.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
ist in den 5 bis 9 gezeigt.
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Auch
hier befindet sich wieder ein Dehnungsspalt 23 zwischen
Mittelteil 22 und Verschlusskappen 21 des Seitenteils 20.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist jedoch zusätzlich
eine Verklammerung vorgesehen. Die Verklammerung der Verschlusskappe 21 mit
dem Sammelkasten 4 wird durch die Klammern 28 oben
und 27 unten erreicht. Diese Klammern 27, 28 können sich
auch an anderen Positionen an der Verschlusskappe 21 befinden, oder
am Sammelkasten 4 können
sich ähnlich
gestaltete Klammern befinden (nicht gezeigt).
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In
den 6 und 7 ist die Montage des Wärmetauschers
gezeigt.
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Zunächst werden,
wie in 6 gezeigt, die Flachrohre 1 und die Lamellen 2 immer
abwechselnd aufeinander gestapelt, um den Wärmetauscherkern zu bilden,
dann werden die Rohrböden 3 auf
die Enden der Flachrohre geschoben. (siehe oben). Als nächster Schritt
folgt das Einstecken der Zähne 10 der
Sammelkästen 4 in
die überstehenden
Enden 11 der Flachrohre 1. Dieser so montierte
Wärmetauscher
ist in sich stabil, nur quer zur Längsrichtung der Flachrohre 1 wird
eine Spannhilfe benötigt,
damit die Lamellen 2 und die Flachrohre 1 in dieser
Richtung nicht ausbauchen, sondern beim Löten in der idealen Form bleiben.
Damit diese nicht gezeigte Spannhilfe die äußerste Lamelle 2 in 6 und 7 nicht
zerdrückt,
wird ein Seitenteil 20 benötigt. Das Seitenteil 20 wird
vor dem Anbringen der Spannhilfe aufgesetzt. Die Verschlusskappen 21 der
Seitenteile 20 verschließen die seitlichen Öffnungen
der Sammelkästen 4.
In diesem Ausführungsbeispiel
werden die Verschlusskappen 21 durch die Klammern 27 und 28 an
den Sammelkästen
befestigt, so dass sie nicht verrutschen können. Durch den Dehnungsspalt 23 können beim
Aufsetzten der Seitenteile 20 eventuell auftretende Fertigungstoleranzen
durch eine Stauchung oder Dehnung des Dehnungsspaltes 23,
bzw. der Dehnungsstege 25 ausgeglichen werden. Zum Abschluss
wird dann der gesamte Wärmetauscher gelötet. Es
gibt auch das alternative Herstellungsverfahren, bei dem erst die
Seitenteile 20 und dann die Sammelkästen 4 aufgesetzt
werden, und danach wird das Ganze zusammengedrückt/gestaucht, um die Fertigungstoleranzen
auszugleichen. Das heißt, für dieses
zweite Ausführungsbeispiel,
dass die obere Klammer 28 so gestaltet sein muss, dass
dieses zweite Herstellungsverfahren anwendbar ist. Die beiden Herstellungsverfahren
sind für
alle Ausführungsbeispiele
gleich.
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In
den 8 und 9 sind noch zwei Detailansichten
des Seitenteils 20 gezeigt.
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Die
Verschlusskappe 21 hat eine zum Inneren des Sammelkastens 4 gewölbte, im
Hauptbereich aber ebene Fläche 26,
und einen Rand 29 mit einem abgewinkelten Kragen 29a.
Dieser Kragen 29a liegt direkt an dem Sammelkasten 4 an
und verlötet
mit diesem. An diesem Kragen 29a sind die Klammern 27, 28 angeformt.
Die Form des Dehnungsspaltes 23 wurde so gewählt, dass
zwei Klammern 27 aus dem Dehnungsspalt 23 ausgeformt
wurden. Der Dehnungsspalt 23 kann die hier gezeigte Form
oder auch jede andere sinnvolle Form aufweisen, er kann auch wesentlich
größer gestaltet
werden. Durch die hier gewählte
Form sind zwei Dehnungsstege 25 vorhanden. Wichtig ist
es, dass die Dicke D nicht zu groß ist, um die Stauchung oder Dehnung
zu erleichtern. Die Form der Dehnungsstege 25 wird auch
durch die Aussparungen 24 am seitlichen Rand des Mittelteils 22 des
Seitenteils 20 erreicht.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
ist in den 10 bis 13 gezeigt.
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Ein
Ausschnitt des fertigen Wärmetauschers ist
in der 10 zu sehen.
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Hier
ist das Seitenteil 20 anders gestaltet. Das äußerste Flachrohr 1 ist
näher am
Rand des Sammelkastens 4 oder des Rohrbodens 3 als
bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
Da aber dennoch eine Lamelle 2 nach außen hin am äußersten Flachrohr 1 anliegt,
steht die äußerste Lamelle 2 über den
Sammelkasten 4 über.
Um den Überstand mit
dem Seitenteil 20 ausgleichen zu können, weist es die hier dargestellte
Form auf. Das Mittelteil 22 des Seitenteils 20 ist
aus der Ebene der Verschlusskappen 21 herausgenommen und
folgt der äußersten Lamelle 2,
so dass das Mittelteil 22 und die Verschlusskappen 21 um
einige Millimeter versetzt zu einander angeordnet sind. Wie zu erkennen
ist, liegt die Verschlusskappe 21 mit ihrem Abschnitt 210 direkt
am Flachrohr 1 an. Darüber
besitzt sie einen nach innen zum Sammelkasten 4 hin gebogenen Rand 29,
der mit dem Sammelkasten 4 verlötet wird. Das Mittelteil 22 und
die Verschlusskappen 21 sind über die Dehnungsstege 25 miteinander
verbunden. Das äußerste Flachrohr 1 ist
direkt am Rand des Rohrbodens 3 angeordnet, damit der Abschnitt 210 der
Verschlusskappe 21 hier dicht verlötet werden kann. Der Rand 29 der
Verschlusskappe 21 ist im Abschnitt 210 nicht
vorhanden.
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In
der 12 ist ein Ausschnitt aus der Innenansicht des
Sammelkastens 4 des Wärmetauschers
zu sehen. Der Rand 29 der Verschlusskappe 21 liegt
an der Wand des Sammelkastens 4 an. Im Abschnitt 210 fehlt
der Rand 29 der Verschlusskappe 21, so dass der
Rohrboden 3 Platz hat. Hier stoßen der Rand 29 der
Verschlusskappe 21 und der Rohrboden 3 zusammen
und verlöten
miteinander. Dadurch ist der Sammelkasten 4 flüssigkeitsdicht.
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In
der 13 ist ein Ausschnitt des Seitenteils 20 in
zwei Ansichten gezeigt. Die Form der Dehnungsstege 25,
bzw. des Dehnungsspaltes 23 ist hier an die Form des Seitenteils 20 angepasst.
Auch hier gilt wieder, dass die Form des Dehnungsspalts 23 und
die Anzahl der Dehnungsstege 25 beliebig wählbar ist.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel
ist in den 14 und 15 gezeigt.
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Hier
besitzt das Seitenteil 20 nur Verschlusskappen 21.
Das Mittelteil 22 fällt
weg, wodurch Material gespart wird. Allerdings ist die Verschlusskappe 21 so
lang, dass sie mit dem Abschnitt 211 am äußersten
Flachrohr 1 anliegt, die äußerste Lamelle 2 wurde
hier weggelassen. In diesem Ausführungsbeispiel
wird der Rand 29 der Verschlusskappe 21 außen über den
Sammelkasten 4 gesteckt. Mit Hilfe der Rasthilfe 410 bleibt
die Verschlusskappe 21 in ihrer Position.
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Ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
ist in den 16 und 17 gezeigt.
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Auch
hier besitzt das Seitenteil 20 nur Verschlusskappen 21,
ohne dass ein Mittelteil 22 vorhanden ist. Die Verschlusskappe 21 ist
so lang, dass sie mit dem Abschnitt 212 am äußersten
Flachrohr 1 anliegt. Der Rand 29 der Verschlusskappe 21 ist nach
außen
gebogen, so dass die Verschlusskappe 21 innen am Sammelkasten 4 anliegt.
Es können
zusätzlich
Rasthilfen oder Klammern an der Verschlusskappe 21 vorgesehen
werden.
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Je
nach den Anforderungen kann aber auch ein reduziertes Mittelteil 22 gewählt werden,
das keinerlei Verbindungen zu den Verschlusskappen 21 hat.
Es kann aber auch ein Seitenteil 20 verwendet werden, wie
es aus den anderen Ausführungsbeispielen
bekannt ist, nur dass eben die äußerste Lamelle 2 wegfällt. Bei
sehr dünnwandigen
Flachrohren 1 kann es der Fall sein, dass solch ein Seitenteil 20 benötigt wird,
da dann die Spannhilfe, die beim Löten eingesetzt wird, um eine optimale
Verbindung der Lamellen 2 mit den Flachrohren 1 zu
erhalten, die äußersten
Flachrohre 1 beschädigen
könnte.
In diesem Falle kämen
die Mittelteile 22 genau an die Stellen, an denen die Spannhilfe
angreift.