DE102009057175A1

DE102009057175A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102009057175A1
Application number: DE102009057175A
Authority: DE
Inventors: Andreas Meyer; Ralf Luttmann; Axel Sundermeyer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-12-05
Filing date: 2009-12-05
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Durchbrechungen (17) aufweisenden Rohrboden (6). In den Durchbrechungen (17) des Rohrbodens (6) sind Rohre (4) angeordnet und zwischen den Rohren (4) sind Lamellen (7) und/oder Rippen vorgesehen, mittels welchen Wärmeenergie eines die Rohre (4) durchströmenden Kühlmittels an eine Umgebung des Wärmetauschers abgebbar ist. Zur Reduzierung von Ausfallwahrscheinlichkeit des Wärmetauschers ist an dem Rohrboden (6) zumindest abschnittsweise ein Wärmeleitelement (18) vorgesehen, mittels welchem Temperaturdifferenzen in dem Rohrboden (6) und zwischen den Röhren (4) reduziert werden

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Durchbrechungen aufweisenden Rohrboden und in den Durchbrechungen angeordneten Rohren, wobei zwischen den Rohren Lamellen und/oder Rippen vorgesehen sind, mittels welchen Wärmeenergie eines die Rohre durchströmenden Kühlmittels an eine Umgebung des Wärmetauschers abgebbar ist.
Ein derartiger Wärmetauscher ist beispielsweise aus der DE 40 12 045 A1 bekannt und wird auch im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt, um ein Kühlmittel, beispielsweise das eines Verbrennungsmotors, zu kühlen.
Durch das Erwärmen oder das Abkühlen der Rohre und des Rohrbodens während des Betriebs des Wärmetauschers und der daraus resultierenden Wärmeausdehnung bzw. Wärmekontraktion ergeben sich Maßänderungen bei den Rohren und den Rohrböden, infolge welcher sich der Rohrboden und die Rohre ungleichmäßig verformen. Weiterhin werden durch Temperaturdifferenzen in den Bauteilen Spannungen erzeugt, welche zusammen mit der Verformung zu einer Ermüdung und zu einer Zerstörung der Verbindung zwischen dem Rohrboden und den Rohren bzw. zu einer Zerstörung der Rohre führen. Hieraus resultiert eine hohe Ausfallwahrscheinlichkeit bei den Wärmetauschern der eingangs genannten Art.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Wärmetauschers der eingangs genannten Art zu minimieren.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmetauscher gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Wärmetauscher vorgesehen, bei welchem an dem Rohrboden zumindest abschnittsweise ein Wärmeleitelement angeordnet ist. Mit einem derartigen Wärmeleitelement gelingt es besonders schnell, eine Temperatur zwischen zwei unterschiedlich erhitzen Bereichen des Rohrbodens bzw. zwischen einer Temperatur der Rohre und einer Temperatur des Rohrbodens anzugleichen. Hierbei erfolgt der Wärmefluss gemäß des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, von dem Bereich mit der höheren Temperatur in den Bereich mit der geringeren Temperatur. Durch die Angleichung der Temperaturen wird die Temperaturdifferenz und dadurch auch die Verformung sowie die für den Ausfall des Wärmetauschers verantwortlichen Spannungen in den Bauteilen reduziert. Die Ausfallwahrscheinlichkeit wird durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmeleitelements also erheblich minimiert.
Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass das Wärmeleitelement als separates Bauteil ausgebildet und derart an dem Rohrboden fixiert ist, dass eine Oberfläche des Wärmeleitelements und eine Oberfläche des Rohrbodens eine wärmeleitende Kontaktfläche bilden. Hierdurch können die bisher in der Praxis verwendeten Wärmetauscher ohne aufwändige, kostenintensive und konstruktive Veränderungen weiter verwendet werden. Eine Nachrüstung der schon im Einsatz befindlichen Wärmetauscher mit den erfindungsgemäßen Wärmeleitelementen ist ebenfalls möglich.
Eine besonders gleichmäßige und schnelle Temperaturverteilung über die gesamte Fläche des Rohrbodens erfolgt auch dadurch, dass die Oberfläche des Wärmeleitelements die gleichen Abmessungen aufweist wie die Oberfläche des Rohrbodens.
Dadurch, dass das Wärmeleitelement Durchbrechungen zur Aufnahme der Rohre aufweist, kann ein vollflächiger Kontakt zwischen der Oberfläche des Rohrbodens und der Oberfläche des Wärmeleitelements gewährleistet werden. Dadurch, dass die Innenflächen der Durchbrechungen des Wärmeleitelements die Rohre zumindest bereichsweise kontaktieren, erfolgen auch ein Wärmefluss und eine Angleichung der Temperaturen zwischen den Rohren und zwischen den Rohren und dem Rohrboden.
Eine andere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmetauschers sieht vor, dass das Wärmeleitelement auf einer den Lamellen und/oder Rippen zugewandten Oberfläche des Rohrbodens angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung des Wärmeleitelements kann das Wärmeleitelement, ähnlich wie die Lamellen und/oder Rippen, Wärmeenergie zumindest teilweise an die Umgebung des Wärmetauschers abgeben.
Dabei erweist es sich insbesondere aus Montage- und Platzgründen allerdings als besonders praxisnah, dass das Wärmeleitelement auf einer den Lamellen und/oder Rippen abgewandten Oberfläche des Rohrbodens angeordnet ist.
In einer besonders effektiven Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass jeweils ein Wärmeleitelement auf der den Lamellen und/oder Rippen abgewandten Oberfläche und der den Lamellen und/oder Rippen zugewandten Oberfläche angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass das Wärmeleitelement und der Rohrboden einstückig ausgebildet sind. In diesem Fall erweist es sich aus fertigungstechnischer Sicht als besonders zweckmäßig, wenn das Wärmeleitelement und der Rohrboden das gleiche Material aufweisen.
Eine wiederum abgewandelte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass den beiden Endbereichen der Rohre jeweils ein Rohrboden und jeweils ein Wasserkasten zugeordnet ist und ein erster Wasserkasten zwei getrennte Kammern für die Zufuhr und die Abfuhr des zu kühlenden Kühlmittels aufweist, wobei eine erste Kammer des ersten Wasserkasten durch eine in die erste Kammer mündende erste Rohrgruppe mit dem zweiten Wasserkasten und die zweite Kammer des ersten Wasserkastens durch eine in die zweite Kammer des ersten Wasserkastens mündende zweite Rohrgruppe mit dem zweiten Wasserkasten verbunden ist, wobei das Wärmeleitelement in einem Grenzbereich zwischen den beiden Rohrgruppen an zumindest einem der Rohrböden angeordnet ist. Bei einem derartigen als U-Strömer ausgebildeten Wärmetauscher sind gerade in dem Grenzbereich zwischen den Rohrgruppen die größten Temperaturdifferenzen vorhanden. Durch die partielle Anordnung des Wärmeleitelements in diesem Grenzbereich wird mit wenig Materialeinsatz eine optimale Temperaturangleichung erzielt.
Neben der geringeren Ausfallwahrscheinlichkeit ergeben sich gegenüber dem beispielsweise aus der DE 40 12 045 A1 bekannten Wärmetauscher keine Leistungsverluste. Für den erfindungsgemäßen Effekt ist nur ein geringer Materialseinsatz erforderlich, wobei die Abmessungen der Rohre und Rohrböden im Vergleich zu den bekannten Wärmetauschern nicht verändert werden müssen. Außerdem kann das Wärmeleitelement den jeweiligen Anforderungen des Wärmetauschers durch eine Veränderung der Abmessungen oder durch die Auswahl eines hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit geeigneten Materials angepasst werden.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine Prinzipskizze eines als U-Strömer ausgebildeten Wärmetauschers;
2 eine vergrößerte Darstellung gemäß Detail II aus 1;
3 eine vergrößerte Darstellung gemäß Detail III aus 1.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines als U-Strömer ausgebildeten Wärmetauschers 1, welcher beispielsweise als Kühler für ein Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Der Wärmetauscher 1 weist zwei Wasserkästen 2, 3 auf, welche durch mehrere parallel angeordnete Rohre 4 miteinander verbunden sind. Die Rohre 4 werden durch zwei Rohrböden 5, 6 auf Abstand gehalten. Zwischen den Rohren 4 sind Lamellen 7 zur Kühlung eines durch die Rohre 4 strömenden Kühlmittels mit einer Kühlluft aus der Umgebung vorgesehen.
Ein erster Wasserkasten 2 weist eine erste Kammer 8 auf, welche durch eine Trennwand 9 von einer zweiten Kammer 10 abgetrennt ist. Der ersten Kammer 8 ist eine Einlassöffnung 11 für die Zufuhr des zu kühlenden Kühlmittels zugeordnet. Das in die erste Kammer 8 durch die Einlassöffnung 11 zugeführte Kühlmittel wird durch eine erste Rohrgruppe 12 in Richtung des zweiten Wasserkastens 3 geleitet (Richtungspfeil 13). Anschließend wird das Kühlmittel vom zweiten Wasserkasten 3 durch eine zweite Rohrgruppe 14 der zweiten Kammer 10 des ersten Wasserkastens 2 zugeführt (Richtungspfeil 15) und verlässt die zweite Kammer 10 über eine zugeordnete Auslassöffnung 16. Das Kühlmittel wird durch das Durchströmen der ersten Rohrgruppe 12 und das Durchströmen der zweiten Rohrgruppe 14 von einer Temperatur T₀ auf eine Temperatur T₁ gekühlt.
Die 2 und 3 zeigen die Detailansichten II und III aus 1. Die parallel angeordneten Rohre 4 sind derart in Durchbrechungen 17 der Rohrböden 5, 6 angeordnet, dass Endbereiche der Rohre 4 in den jeweiligen Wasserkasten 2, 3 münden. Zwischen den Rohren 4 sind Lamellen 7 zur Abgabe von Wärmenergie an die Kühlluft der Umgebung vorgesehen. An den Rohrböden 5, 6 ist jeweils ein Wärmeleitelement 18, beispielsweise durch Löten, fixiert. Das Wärmeleitelement 18 weist ebenfalls Durchbrechungen 19 zur Aufnahme der Rohre 4 auf. Das Wärmeleitelement 18 ist derart an den Rohrböden 5, 6 fixiert, dass eine Oberfläche 20 des Wärmeleitelements 18 und die Oberflächen 21, 22 der Rohrböden 5, 6 jeweils eine wärmeleitende Kontaktfläche 23 bilden. Hierbei ist das Wärmeleitelement 18 in einem Grenzbereich 24 zwischen der ersten Rohrgruppe 12 und der zweiten Rohrgruppe 14 an den Rohrböden 5, 6 angeordnet. Das Wärmeleitelement 18 umschließt jeweils zwei Rohre 4 der ersten Rohrgruppe 12 und der zweiten Rohrgruppe 14. Durch das Wärmleitelement 18 kann eine Temperaturdifferenz in den Rohrböden 5, 6 infolge von unterschiedlichen Temperaturen des Kühlmittels in der ersten Rohrgruppe 12 und der Temperatur des Kühlmittels in der zweiten Rohrgruppe 14 bzw. durch eine unterschiedliche Temperatur des Kühlmittels in der ersten Kammer 8 und der zweiten Kammer 10 durch Wärmeleitung reduziert werden. Aus der geringeren Temperaturdifferenz resultiert eine Reduzierung der Verformung, wodurch auch die für den Ausfall des Wärmetauschers verantwortlichen Spannungen in den Rohrböden 5, 6 und den Rohren 4 reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4012045 A1 [0002, 0015]

Claims

Wärmetauscher (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Durchbrechungen (17) aufweisenden Rohrboden (5, 6) und in den Durchbrechungen (17) angeordneten Rohren (4), wobei zwischen den Rohren (4) Lamellen (7) und/oder Rippen vorgesehen sind, mittels welchen Wärmeenergie eines die Rohre (4) durchströmenden Kühlmittels an eine Umgebung des Wärmetauschers (1) abgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rohrboden (5, 6) zumindest abschnittsweise ein Wärmeleitelement (18) angeordnet ist.
Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (18) als separates Bauteil ausgebildet und derart an dem Rohrboden (5, 6) fixiert ist, dass eine Oberfläche (20) des Wärmeleitelements (18) und eine Oberfläche (21, 22) des Rohrbodens (5, 6) eine wärmeleitende Kontaktfläche (23) bilden.
Wärmetauscher (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (20) des Wärmeleitelements (18) die gleichen Abmessungen aufweist wie die Oberfläche (21, 22) des Rohrbodens (5, 6).
Wärmetauscher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (18) Durchbrechungen (19) zur Aufnahme der Rohre (4) aufweist.
Wärmetauscher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (18) auf einer den Lamellen (7) und/oder Rippen zugewandten Oberfläche des Rohrbodens (5, 6) angeordnet ist.
Wärmetauscher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (18) auf einer den Lamellen (7) und/oder Rippen abgewandten Oberfläche (21, 22) des Rohrbodens (5, 6) angeordnet ist.
Wärmetauscher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Wärmeleitelement (18) auf der den Lamellen (7) und/oder Rippen abgewandten Oberfläche (21, 22) und der den Lamellen (7) und/oder Rippen zugewandten Oberfläche angeordnet ist.
Wärmetauscher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (18) und der Rohrboden (5, 6) einstückig ausgebildet sind.
Wärmetauscher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (18) und der Rohrboden (5, 6) das gleiche Material aufweisen
Wärmetauscher (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den beiden Endbereichen der Rohre (4) jeweils ein Rohrboden (5, 6) und jeweils ein Wasserkasten (2, 3) zugeordnet ist und ein erster Wasserkasten (2) zwei getrennte Kammern (8, 10) für die Zufuhr und die Abfuhr des zu kühlenden Kühlmittels aufweist, wobei eine erste Kammer (8) des ersten Wasserkastens (2) durch eine in die erste Kammer (8) mündende erste Rohrgruppe (12) mit dem zweiten Wasserkasten (3) und die zweite Kammer (10) des ersten Wasserkastens (2) durch eine in die zweite Kammer (10) des ersten Wasserkastens (2) mündende zweite Rohrgruppe (14) mit dem zweiten Wasserkasten (3) verbunden ist, wobei das Wärmeleitelement (18) in einem Grenzbereich (24) zwischen den beiden Rohrgruppen (12, 14) an zumindest einem der Rohrböden (5, 6) angeordnet ist.