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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der
flache Rohre und dazwischen angeordnete Rippen aufweist, die beispielsweise
von Kühlluft
durchströmt
werden, um ein in den flachen Rohren strömendes Medium, wie Kühlflüssigkeit,
Ladeluft usw. zu kühlen,
wobei die Enden der flachen Rohre mit Öffnungen in einem Sammelkasten
oder mit Öffnungen
in einem Rohrboden, der mit dem Sammelkasten verbunden ist, zusammenwirken,
der – in
Querrichtung gesehen – eine
Kontur aufweist,
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Solche
Wärmetauscher
sind sehr gut bekannt. Gewöhnlich
ist der Rohrboden oder der Teil des Sammelkastens der den Rohrboden
bildet, eben, aber es gibt auch Wärmetauscher, oftmals sind das Klimakondensatoren,
die haben runde Sammelrohre, wobei dann eine etwa halbrunde Kontur
im Rohrboden vorhanden ist. In solche Rohrböden/Sammelrohre ragen gewöhnlich rechtwinklig
abgetrennte Enden der Flachrohre ein Stück weit hinein und sind dort
in Öffnungen
der Rohrböden/Sammelrohre
fest verlötet.
Das ist insofern nachteilig als der Druckverlust des im Sammelrohr
und in flachen Rohren strömenden
Mediums beachtlich ist.
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Werden
Rohre aus Extrusionen oder Rohre auf einer Walzenstraße vom endlosen
Blechband hergestellt, erfolgt das Abtrennen der einzelnen Rohre
gewöhnlich
durch ein Verfahren, das von Fachleuten gerne als online-cut bezeichnet
wird. Dabei wird ein sich schneller als das Rohr bzw. das Band bewegendes
Messer eingesetzt und schneidet das Rohr senkrecht zur Längsachse
des Rohres maßgenau ab.
In der gerade eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2006 033 568.6 wird
vorgeschlagen, das Blechband zu perforieren und die Rohre dann an
den Stegen der Perforationen abzutrennen.
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Es
gibt ferner Wärmetauscher,
die in ihrem Sammelkasten angeordnete bewegliche Klappen oder dergleichen
Steuerelemente besitzen, um einen Medienstrom bedarfsweise durch
kleinere oder größere Gruppen
von flachen Rohren zu leiten. Beispielsweise bei den seit einigen
Jahren auf dem Markt befindlichen Abgaswärmetauschern, die in Abgasrückführungssystemen
integriert sind, sind solche Klappen vorhanden, um das Abgas entweder
durch Rohre zu leiten, in denen es gekühlt und dann zurückgeführt werden
kann oder durch andere Rohre, durch die es ungekühlt zurückgeführt werden kann. Es ist wünschenswert
Wärmetauscher,
wie Kühlflüssigkeitskühler, Ladeluftkühler oder
Klimakondensatoren, zu besitzen, deren Leistung bedarfsgerecht geregelt
werden kann.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Wärmetauscher
mit den Merkmalen des Oberbegriffs derart weiterzubilden, dass ein
geringerer Druckverlust im durch die Rohre und den Sammelkasten
strömenden
Medium auftritt.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, einen Wärmetauscher zur Verfügung zu
stellen, mit dem eine bedarfsgerechte Regelung der Durchströmung bzw.
der Leistung möglich
wird.
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Die
Lösung
der ersten Aufgabenstellung erfolgt mit einem Wärmetauscher, der entweder die Merkmale
des Anspruchs 1 oder die Merkmale des Anspruchs 2 aufweist.
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Weil
entweder die Enden der flachen Rohre eine Kontur aufweisen, die
mit der Kontur des Rohrbodens/Sammelkasten korrespondiert, oder
weil die Enden der flachen Rohre unterhalb der Kontur des Rohrbodens/Sammelkastens
enden, also nicht über die
Kontur des Rohrbodens/Sammelkastens überstehen, wird der Druckverlust
deutlich reduziert.
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Ferner
kann mittels eines verstellbaren Leitelements im Sammelkasten eine
bedarfsgerechte Regelung der Leistung, bzw. der Durchströmung des Wärmetauschers
vorgenommen werden. Das Leitelement wirkt mit der Kontur des Sammelkastens/Rohrbodens
bzw. mit der Kontur der Rohrenden zusammen, um die Wirksamkeit der
Regelung zu verbessern.
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Dieser
Wärmetauscher
hat darüber
hinaus den Vorteil, dass eine weitere Möglichkeit der einfachen räumlichen
Anpassung des Wärmetauschers an
vorhandene Gegebenheiten zur Verfügung gestellt wird.
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Die
Rohre sind vorzugsweise aus endlosem Blechband auf einer Walzenstraße herstellbar,
weil damit wesentlich dünnwandigere
Rohre herstellbar sind als beispielsweise mittels Extrusionsverfahren. Die
Wanddicke der Rohre liegt in einem Bereich von etwa 0,03 mm bis
etwa 0,15 mm. Demzufolge wird eine Wärmetauscher bereitgestellt,
der ein sehr geringes Gewicht besitzt und der eine sehr gute Wärmetauschrate
aufweist.
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Es
ist von Vorteil, wenn die Kontur an den Rohrenden im Zuge der Herstellung
der Rohre, nämlich
beim Abtrennen derselben vom endlosen Blechband, herstellbar ist.
Im Blechband werden vorzugsweise mittels Walzen Perforationen eingearbeitet,
die der Kontur der Rohrenden entsprechen.
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Eine
geeignete Kontur ist etwa halbrund oder parabelartig ausgebildet.
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Es
ist aber auch möglich,
die Kontur wellenartig auszubilden. Das kann den Vorteil haben,
weil der Zuschnitt der Rohre ohne Abfall erfolgen kann.
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Allerdings
können
auch halbrunde oder parabelartige Konturen der Rohrenden ohne Abfall
bereitgestellt werden, wenn dafür
Sorge getragen wird, dass eines der Rohrenden jedes Rohres nicht über die
Kontur im Sammelkasten/Rohrboden übersteht. Das eine Rohrende
ist dann konvex ausgebildet und das andere Rohrende besitzt dann
eine konkave Ausgestaltung der Kontur. Es ist vorgesehen, dass die
Kontur der Wand des Sammelkastens wenigstens teilweise der Kontur
des Rohrbodens, bzw. der Kontur der Rohrenden folgt, weshalb die
erwähnte räumliche
Anpassungsfähigkeit
geschaffen worden ist.
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Um
die erwähnte
bedarfsgerechte Regelung des Wärmetauschers
zu realisieren, ist das bewegliche, beispielsweise um einen Achse
drehbare, Leitelement im Sammelkasten so angeordnet, dass das im
Sammelkasten strömende
Medium durch einen veränderbaren
Querschnitt der flachen Rohre gelenkt werden kann. Der Wärmetauscher
weist einen Hochtemperaturbereich und einen Niedertemperaturbereich
auf, wobei die Bereiche mittels des Leitelements in der Größe veränderbar
sind.
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Die
Erfindung wird in Ausführungsbeispielen beschrieben.
Dort sind weiterbildende Merkmale und deren Vorteile aufgeführt, die
auch wesentliche Merkmale sein könnten.
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Die 1 zeigt
einen Teil eines Wärmetauschers.
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Die 2 zeigt
einen Teil eines anderen Wärmetauschers.
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Die 3 zeigt
einen Teil eines weiteren Wärmetauschers.
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Die 4 zeigt
den Teil des Wärmetauschers
aus 3.
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Die 5 zeigt
einen weiteren Wärmetauscher
im Ausschnitt.
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Die 6 zeigt
einen Ausschnitt aus dem Rohrboden/Sammelkasten eines Wärmetauschers.
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Die 7 zeigt
ein flaches Wärmetauscherrohr.
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Die 8 und 9 zeigen
Anwendungsbeispiele des Wärmetauschers
als Kühlflüssigkeitskühler.
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Der
Wärmetauscher,
der in der 1 teilweise gezeigt wird, ist
eine Kühlflüssigkeitskühler, der
in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt. Der Kühlflüssigkeitskühler ist gewöhnlich in
einem nicht dargestellten Kühlflüssigkeitskreislauf
eingebunden und empfängt
von dort Kühlflüssigkeit
hoher Temperatur, was in der 1 durch den
rechten, oberen Pfeil angedeutet sein soll. Diese strömt in einen
Sammelkasten 4 ein, der mit einem Rohrboden 5 verbunden
ist. In dem Rohrboden 5 befinden sich Öffnungen 3, die die
Enden 2 der flachen Rohre 1 aufnehmen, damit die
Kühlflüssigkeit
durch dieselben strömen
kann. Der Rohrboden 5 weist eine Kontur 20 auf,
die im Fall der 1 und 2 etwa halbkreisförmig ausgestaltet
ist und die sich über
die gesamte Länge
des Rohrbodens/Sammelkastens erstreckt. Gemäß einer ersten Ausführungsform
weisen die Enden 2 der flachen Rohre 1 eine Kontur 10 auf,
die in diesen Fällen ebenfalls
halbkreisförmig
ist. In der 1 wird angenommen, dass die Enden 2 der
flachen Rohre 1 unterhalb der Kontur 20 im Sammelkasten/Rohrboden 4 enden,
was durch zwei gestrichelte Linien angedeutet sein soll. In diesen
beiden Fällen
können
die Enden 2 entweder eine Kontur 10 aufweisen,
wie mit dem Bezugszeichen 2b angedeutet worden ist oder sie
können
ohne Kontur 10 ausgebildet sein, wie mit dem Bezugszeichen 2a markiert.
Da die Enden 2 unterhalb der Kontur 20 des Rohrbodens
enden, ist auf jeden Fall eine spürbare Reduzierung des Druckverlustes
feststellbar. In der 2 wird – im Unterschied zur 1 – angenommen,
dass die Kontur 20 im Rohrboden mit der Kontur 10 an
den Enden 2 der flachen Rohre 1 übereinstimmt,
d. h. die Kontur 10 der Rohrenden liegt etwa auf dem Niveau
der Kontur 20 im Rohrboden/Sammelkasten, weshalb auch hier
der Druckverlust spürbar
abgesenkt wird. Zwischen den flachen Rohren 1 des Kühlflüssigkeitskühlers sind nicht
dargestellte Kühlrippen 6 angeordnet,
durch die Kühlluft
strömt,
was durch den Blockpfeil angezeigt werden soll. Im Sammelkasten 4 befindet
sich ein bewegliches Leitelement 40, welches sich im Ausführungsbeispiel
ebenfalls über
die gesamte Länge
des Sammelkastens 4 erstreckt. Das Leitelement 40 ist an
einem Drehpunkt 41 gelagert und kann beispielsweise über die
Temperatur der Kühlflüssigkeit
gesteuert werden (nicht gezeigt). Das Leitelement 40 kann
entlang der Kontur 20 im Rohrboden 5 bewegt werden,
und es kann deshalb je nach Bedarf einen größeren oder einen kleineren
Querschnitt der flachen Rohre 1 zur Durchströmung freigeben
bzw. im Wesentlichen schließen.
Wie bereits eingangs erwähnt,
strömt
die Hochtemperaturkühlflüssigkeit
aus dem Kühlkreislauf
in den Sammelkasten 5 ein und wird aufgrund der Position
des Leitelements 40 über den
größeren Querschnittsabschnitt
der flachen Rohre 1 gelenkt, um mittels der ebenfalls erwähnten Kühlluft gekühlt zu werden.
Nach Durchströmung dieses
Querschnittsabschnittes, am anderen nicht gezeigten Ende des Kühlflüssigkeitskühlers, wird
ein Teil der Kühlflüssigkeit
abgezweigt und ein anderer Teil – hier der größere Teil – wird zurück in den
Hauptkühlkreislauf
geleitet, was durch Pfeile kenntlich gemacht sein soll. Der abgezweigte
Teil der Kühlflüssigkeit
soll weiter abgekühlt
werden, wozu dieser Teil in den in der Regel kleineren Querschnittabschnitt
NT der flachen Rohre 1 gelenkt wird und in den durch das
Leitelement 40 abgetrennten Sammelkastenteil zurückströmt, um für besondere
Kühlfunktionen
im Kraftfahrzeug, die eine niedrigerer Kühlmitteltemperatur erfordern,
bereitzustehen. Dieser als Niedertemperaturteil NT bezeichnete kleinere
Querschnittsabschnitt der flachen Rohre 1 bzw. des Kühlflüssigkeitskühlers sollte
sich an der Kühlluftanströmseite befinden.
Beispielsweise in der Startphase des Kraftfahrzeuges wird man wenig
oder gar keine Kühlflüssigkeit
zur weiteren Kühlung
bereitstellen, da die Temperatur der gesamten Kühlflüssigkeit ziemlich niedrig ist.
Das Leitelement 40 wird sich dann in der im Bild am weitesten
links liegenden Stellung befinden. In anderen Betriebssituationen
kann bedarfsgerecht reagiert werden, indem die Strömungsquerschnitte
für die
Bereiche NT, HT in ihrer Größe verändert werden
können.
In einem nicht gezeigten Ort im Kühlkreislauf vereinigen sich
die Teilströme
NT und HT wieder bevor sie als Hochtemperaturkühlmittelstrom wieder zum Kühlflüssigkeitskühler gelangen. Das
Ausführungsbeispiel
gemäß den 3 und 4 unterscheidet
sich vom Vorstehenden dadurch, dass sowohl die Kontur 10 der
Rohrenden 2 als auch die Kontur 20 des Rohrbodens 5 im
Querschnitt gesehen wellenförmig
ausgestaltet sind. Die oben erwähnten
durch das Leitelement 40 veränderbaren Querschnittsabschnitte
der Rohre wurden dort markiert und mit NT bzw. HT bezeichnet. Zu
erkennen ist hier auch die innere Ausgestaltung der flachen Rohre 1,
die eine Vielzahl von Strömungskanälen 100 aufweisen,
die im Wesentlichen in Querrichtung nicht in Verbindung stehen.
(siehe auch 5)
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Es
ist auch vorgesehen, dass die Wand 50 des Sammelkastens 4 dieser
Wellenform folgt, um bestimmten baulichen Gegebenheiten im Motorraum des
Kraftfahrzeuges zu entsprechen. Die mögliche Größe des Regelungsbereiches kann
durch individuelle konstruktive Gestaltung des Leitelements 40 mit der
Kontor 20 festgelegt werden. Beispielsweise im Ausführungsbeispiel
gemäß 5 kann
der NT-Bereich vollständig
geschlossen werden. In der 5 wurden
im Übrigen
Rohrenden 2 ohne Kontur 10 vorgesehen, die jedoch
unterhalb des eine Kontur 20 aufweisenden Rohrbodens/Sammelkastens 4/5 enden.
Das Leitelement 40 wirkt hier mit der Kontur 20 zusammen.
Es ist zwar nicht bevorzugt, aber immerhin möglich, dass das Wärmetauschernetz
mehrere Reihen flacher Rohre in Netztiefenrichtung aufweist. Bevorzugt
hingegen ist ein Wärmetauschernetz, dass
eine einzige Rohrreihe in der erwähnten Richtung besitzt, wobei
die Rohre der einen Rohrreihe auf einer Walzenstraße aus extrem
dünnem
Blechband hergestellt werden.
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Die 6 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
aus einem Sammelkasten 5, in dem Öffnungen 3 vorhanden
sind, in denen die Rohrenden 2 befestigt sind. Es wurden
hier auch Rippen 6 zwischen den Rohren 1 angedeutet,
durch die, wie oben erwähnt,
Kühlluft
hindurchströmt.
Der Sammelkasten 5 kann aus Kunststoff bestehen, wobei
die Ausbildung der Kontur 20 einfach herstellbar ist. Die
Rohre enden unterhalb des Konturverlaufes 20 und sind an
einer Öffnungsumrandung
beispielsweise eingeklebt oder anderweitig abdichtend befestigt.
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Die 7 zeigt
jetzt ein Ausführungsbeispiel eines
flachen Rohres 1 als prinzipielle Ansicht auf eine der
flachen Seiten des Rohres 1. Das eine rechte Rohrende 2 besitzt
eine konvexe Kontur 10 und das andere linke Rohrende 2 weist
eine konkave Kontur 10 auf. Es ist erkennbar, dass beim
Zuschnitt solcher Rohre 1 kein Verschnitt vorkommt, da
das Ende 2 des einen Rohres 1 gleichzeitig den
Anfang des nächsten
Rohres 1 darstellt. Nun ist es möglich, und in Ausführungsbeispielen
explizit auch vorgesehen, dass das konkave Ende 2 bei einem
Wärmetauscher,
wie in der 2 gezeigt, mit der Kontur 20 des Rohrbodens/Sammelkastens
auf einem Niveau liegt und das andere konvexe Ende 2 ist
so ausgebildet wie die gestrichelte Linie 2b in der 1 zeigt.
Dieses Ende 2 endet unterhalb des Niveaus der Kontur 20 im
Rohrboden/Sammelkasten.
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Auch
beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel,
welches in den 3 und 4 gezeigt
ist, kann der Rohrzuschnitt ohne Verschnitt ausgeführt werden.
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Der
Zuschnitt der Rohre erfolgt dadurch, dass mittels Walzen Perforationen
im Blechband angebracht werden, wie es in der vorne erwähnten älteren Anmeldung
gezeigt und beschrieben worden ist. An den Stegen innerhalb der
Perforationen werden die einzelnen Rohre sauber abgetrennt. Die
Perforationen lassen sich mit den oben erwähnten Konturen 10 ausführen.
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Schließlich zeigt
die 8 eine Weiterbildung bezüglich der Anwendung des Wärmetauschers
in einem Lastkraftwagen, die hier kurz beschrieben wird. Die Abbildung
zeigt eine Seitenansicht des gesamten Wärmetauschers, eines Kühlflüssigkeitskühlers, im
Prinzip, wobei dessen Mittelteil ausgeschnitten wurde. In den linken
Sammelkasten 4 strömt
die Hochtemperaturkühlflüssigkeit
HT ein, die aus dem nicht dargestellten Kühlkreislauf kommt und gekühlt werden
muss. Dazu dient der im Bild untere, größere Teil des Kühlflüssigkeitskühlers. Die
gekühlte
Kühlflüssigkeit
HT tritt nach dem Wärmeaustausch
mit Kühlluft
(Blockpfeil) am rechten Sammelkasten 4 aus und steht wieder
zur Kühlung
zur Verfügung.
In beiden Sammelkästen 4 ist
je ein bewegliches Leitelement 40 angeordnet. Vorzugsweise
sind beide Leitelemente 40 über ein gemeinsames Stellglied
bewegbar. (nicht gezeigt) In den oberen, kleineren Teil des Kühlflüssigkeitskühlers tritt
am rechten Sammelkasten 4 ein abgezweigter Kühlflüssigkeitsteilstrom
NT ein, der nach Abkühlung
auf eine niedrigere Temperatur den rechten Sammelkasten 4 wieder
verlässt,
um beispielsweise zur Kühlung
von Ladeluft zu dienen. (nicht gezeigt) Nun gibt es beispielsweise
auch bei Lastkraftwagen Niedriglastzustände, beispielsweise Bergabfahrten,
in denen keine gekühlte
Ladeluft abgefordert wird. Dagegen muss der Retarder mit Vollast
gefahren werden, um die Bremskräfte
aufnehmen zu können.
Das sich dadurch stark erhitzende Retarderöl hat demzufolge einen erhöhten Kühlbedarf.
In diesen Betriebszuständen
werden die Leitelemente 40 mittels des erwähnten Stellglieds in
die gestrichelte Position gefahren, in der der so genannte NT-Kreis
nicht mehr existiert, weil er dem HT-Kreis zugeschlagen wurde. Es
steht also im HT-Kreis eine größere Kühlkapazität zur Verfügung, die
in der Lage ist, den durch das erhitzte Retarderöl entstandenen erhöhten Kühlbedarf
abzudecken.
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Im
Unterschied dazu werden im Ausführungsbeispiel
gemäß der 9,
die ebenfalls einen Kühlflüssigkeitskühler zeigt,
die beiden Leitelemente 40 individuell geregelt. Dadurch
wird es möglich, Kühlflüssigkeitsströme mit unterschiedlichen
Temperaturniveaus bereitzustellen, was für bestimmte Anwendungen von
Interesse sein kann. Die am linken Sammelkasten 4 unten
austretende Kühlflüssigkeit T1
hat eine höhere
Temperatur als die am rechten Sammelkasten 4 austretende
Kühlflüssigkeit
T2, die wiederum eine höhere
Temperatur besitzt als die am linken Sammelkasten 4 oben
austretende Kühlflüssigkeit
T3. Ansonsten ist die Darstellung ohne weitere Erklärungen für den Fachmann
verständlich.