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Die Erfindung betrifft einen Rohrboden für einen Wärmetauscher und einen Wärmetauscher, der solche Rohrböden aufweist und mit weiteren in den jeweiligen Oberbegriffen der Patentansprüche angegebenen Merkmalen.
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Aus
DE 2 628 331 A ist ein Wasserkasten für einen Querstromkühler bekannt. Der Querstromkühler besitzt einen Eintritts-Wasserkasten – nachfolgend Sammelkasten – der an einem Ende eines Kühlwasserrohrbündels (Rohre und Rippen) angeordnet ist und der etwa in der Mitte eine vertikal zu dessen Längserstreckung angeordnete Trennwand aufweist, die den erwähnten Sammelkasten in einen eintrittsseitigen Teil und einen austrittsseitigen Teil unterteilt. Deshalb befindet sich an einem anderen Ende des Rohrbündels ein weiterer Sammelkasten, der demnach als Umlenkkasten funktioniert, um das Kühlwasser, vom eintrittsseitigen Teil über ein eintrittsseitiges Rohrbündelteil ankommend, umzulenken, in einen austrittsseitigen Rohrbündelteil, um von dort schließlich in dem austrittsseitigen Sammelkastenteil zu landen und den Kühler wieder verlassen zu können. Auf dem beschriebenen Weg des Kühlwassers findet dessen Kühlung mittels durch die Rippen strömender Kühlluft statt.
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Die Merkmale aus den erwähnten Oberbegriffen gehen nicht alle aus dem genannten und beschriebenen Stand der Technik hervor. Der beschriebene Kühler besitzt zum Beispiel keine Stabilitätsorgane, also keine Seitenteile, und demnach auch keine zweiten Öffnungen in den Rohrböden. Die Merkmale der Oberbegriffe sind jedoch bei Wärmetauschern seit längerem allgemein üblich.
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Bei Wärmetauschern dieses altbekannten Typs hat man in jüngster Zeit beobachtet, dass sich Materialbrüche manifestiert haben, die zum Totalausfall des Wärmetauschers führen können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die erwähnten Probleme auf möglichst einfache und kostensparende Art und Weise zumindest abzuschwächen oder gar vollständig zu eliminieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Rohrboden für einen Wärmetauscher gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 3 aufweist und auch mit einem Wärmetauscher mit solchen Rohrböden gemäß Patentanspruch 5.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt ist bezüglich des Rohrbodens für einen Wärmetauscher mit wenigstens einer Reihe von ersten Öffnungen zur Aufnahme von Rohrenden des Wärmetauschers sowie mit wenigstens zwei zweiten Öffnungen, je eine an beiden gegenüberliegenden Enden des Rohrbodens, zur Aufnahme und Befestigung eines Endes eines ersten Stabilitätsorgans, wie beispielsweise eines Seitenteils des Wärmetauschers, vorgesehen, dass innerhalb der Reihe aus ersten Öffnungen wenigstens eine dritte Öffnung angeordnet ist, in der jeweils ein Ende eines zweiten Stabilitätsorgans befestigt ist.
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Eine zweite oder alternative Lösung bezüglich des Rohrbodens sieht erfindungsgemäß vor, innerhalb der Reihe aus ersten Öffnungen einen öffnungslosen Abschnitt, also einen Abschnitt ganz ohne Öffnungen, anzuordnen, der sich in Längsrichtung des Rohrbodens wenigstens über mehrere Rohrabstände erstreckt. Einseitig oder beidseitig des Abschnitts 4 können die zweiten Stabilitätsorgane angeordnet sein.
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Es mag nicht gerade bevorzugt, jedoch durchaus möglich sein, an ein und demselben Wärmetauscher sowohl den Vorschlag gemäß Patentanspruch 1 als auch – an einer anderen Stelle des Wärmetauschers – den Vorschlag gemäß Patentanspruch 3 umzusetzen.
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Die dritte Öffnung besteht in einem besonders bevorzugten Anwendungsfall des Wärmetauschers aus zwei relativ nahe zueinander angeordneten dritten Öffnungen, wobei ein weiteres bzw. ein zweites (zweites) Stabilitätsorgan vorhanden ist, dessen Ende in der zweiten der dritten Öffnungen befestigt ist. Zwischen den zwei zweiten Stabilitätsorganen wird eine Wellrippe angeordnet.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst demgemäß wenigstens eine Reihe von Rohren, beispielsweise Flachrohren, und dazwischen angeordnete Rippen, meist Wellrippen, sowie zwei der beschriebenen Rohrböden, jeweils mit einer Reihe von ersten Öffnungen zur Aufnahme der Rohrenden und auch Sammelkästen, die mit den Rohrböden verbunden sind. Ferner ist je ein erstes Stabilitätsorgan, beispielsweise ein so genanntes Seitenteil vorgesehen, dessen gegenüberliegende Enden in den zweiten Öffnungen der Rohrböden befestigt sind. Die mit ihren Enden in den zweiten Öffnungen der Rohrböden sitzenden Seitenteile befinden sich bekanntlich am linken und rechten Rand eines aus den Flachrohren und den Rippen bestehenden Kühlnetzes, und sie erstrecken sich von dem einen Rohrboden bis zum gegenüberliegenden zweiten Rohrboden.
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Im Unterschied zum Stand der Technik besitzen die Rohrböden darüber hinaus wenigstens eine, oft jedoch zwei oder mehrere dritte Öffnungen zur Aufnahme eines Endes eines oder zweier oder mehrerer zweiter Stabilitätsorgane.
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Gemäß einer Ausführung sind die ersten und die zweiten Stabilitätsorgane identisch ausgebildet, um möglichst geringe Kosten zu verursachen. Das bedeutet, dass auch die ersten und die zweiten Öffnungen identisch gestaltet sind. Man könnte sogar die ersten, die zweiten und die dritten Öffnungen identisch hinsichtlich ihrer Gestalt ausbilden. Meist ist es so, dass die ersten Öffnungen alle identisch sind, da auch die Rohre identisch sind. Die zweiten und die dritten Öffnungen sind – wie erwähnt – ebenfalls identisch manchmal jedoch etwas kleiner als die ersten Öffnungen, da die Enden der Stabilitätsorgane einen rezessartigen Absatz aufweisen können, wobei lediglich das verjüngte Ende des Stabilitätsorgans in der zweiten bzw. in der dritten Öffnung sitzt.
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Die Enden können – in den zweiten bzw. in den dritten Öffnungen sitzend – einem Umformschritt unterzogen werden, wonach sie kraft- und formschlüssig in denselben befestigt sind. Nach Durchführung des erwähnten Umformschritts verspannen die Stabilitätsorgane die beiden Rohrböden miteinander und verleihen dem Wärmetauscher somit die versprochene Stabilität.
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Ein besonders bevorzugter Wärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Sammelkästen eine im Wesentlichen quer zu dessen Längserstreckung angeordnete Trennwand vorhanden ist, die auf dem Rohrboden steht, und die den Sammelkasten in einen eintrittsseitigen Teil und einen austrittsseitigen Teil aufteilt.
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In besonders bevorzugter Weise ist der Sammelkasten als Spritzgussteil aus Kunststoff hergestellt worden, wobei die erwähnte Trennwand – wie an sich bekannt – integral mit der Sammelkastenwand ausgebildet ist. Dieser bevorzugte Wärmetauscher besitzt an seinen gegenüberliegenden Rohrenden einen zweiten Sammelkasten, der als Umlenkkasten funktioniert. Demnach wird dieser bevorzugte Wärmetauscher u-förmig durchströmt.
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Wie in der Einleitung bereits angeklungen ist, haben die Erfinder genau bei diesem Typ Wärmetauscher die Materialbrüche beobachtet und zwar, meist in der Nähe der erwähnten Trennwand. Die in der Nähe der Trennwand vorhandenen metallischen Verbindungen zwischen den Rohrenden und den ersten Öffnungen sind beim Stand der Technik oft gebrochen.
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Den Erfindern ist aufgrund ihrer Erfahrung bekannt, dass Materialbrüche auch bei Wärmetauschern ohne Trennwand und mit deshalb geradliniger oder auch andersartiger Durchströmung auftreten, deren Ursachen oft nicht genau identifiziert werden können. Es kann sich sowohl um extreme Temperaturwechselbelastungen als auch um hohe mechanische Belastungen handeln. Oft um beides und zusätzlich auch noch um andere Belastungen. Sie schlagen deshalb vor, die dritten Öffnungen in den Rohrböden und die darin sitzenden zweiten Stabilitätsorgane auch in der Nähe von denjenigen Stellen solcher Wärmetauscher ohne Trennwand einzusetzen, an denen sich die Materialbrüche oft manifestiert haben.
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Wenn wenigstens zwei dritte Öffnungen im Rohrboden vorgesehen sind, ist es vorteilhaft eine links und eine andere rechts der Trennwand anzuordnen, in denen ein weiteres zweites Stabilitätsorgan vorhanden ist.
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In den meisten Fällen – jedoch bei weitem nicht immer – befinden sich die Trennwand und die zweiten Stabilitätsorgane etwa in der Mitte der Reihe von Flachrohren bzw. in der Mitte des Wärmetauschers.
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Der Wärmetauscher ist vorzugsweise ein Kühlflüssigkeitskühler für ein Kraftfahrzeug, wobei die Flachrohre von der Kühlflüssigkeit und die Wellrippen von Kühlluft durchströmt sind. Andere Wärmetauscher wie Ölkühler oder Ladeluftkühler sind nicht ausgeschlossen.
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Die ersten und die zweiten Stabilitätsorgane sind so ausgebildet, dass sie eine durch Temperaturwechsel ausgelöste Ausdehnung/Kontraktion in ihrer Längsrichtung gestatten, beispielsweise ein partieller Trennschnitt oder eine Sicke oder eine andere in Längsrichtung nachgiebige Gestaltung. Besonders bevorzugt ist diesbezüglich eine (oder mehrere) Sollbruchstelle/n, die meist bereits nach der ersten Inbetriebnahme des Wärmetauschers brechen, ohne die Funktion des Wärmetauschers und der Stabilitätsorgane zu beeinträchtigen. Bekanntlich sind sämtliche metallischen Bestandteile, wie Rohrböden und Kühlnetz vorher metallisch verbunden worden (bspw. in einem Lötofen), sodass die (beabsichtigten) Brüche an den Sollbruchstellen den Wärmetauscher in seiner Struktur nicht negativ beeinflussen. Auch die beabsichtigte Verbesserung der Stabilität im Bereich der Rohrböden – wo die angesprochenen Brüche früher aufgetreten sind – wird durch die Brüche der Sollbruchstellen nicht beeinträchtigt.
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Die Erfinder haben ferner herausgefunden, dass die Positionierung der Sollbruchstellen einen wesentlichen Einfluss auf deren Wirksamkeit besitzt. Beispielsweise hat das Vorsehen einer Sollbruchstelle mit einem Abstand von etwa 10–70 mm von einem Rohrboden entfernt ein wesentlich höheres Verbesserungspotential gezeigt als eine identische Sollbruchstelle, die sich etwa 170 mm vom Rohrboden entfernt befunden hat.
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Die Erfindung wird nachfolgend in einigen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Beschreibung enthält weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung, wobei es sich später bezüglich der Merkmale herausstellen könnte, dass es sich dabei um wesentliche Merkmale handelt.
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Figurenkurzbeschreibung
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Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Wärmetauschers.
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Die 2 zeigt einen Wärmetauscher, der zu 1 gehören könnte, jedoch ohne Sammelkästen.
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Die 3 zeigt einen Ausschnitt aus der 1.
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Die 4 zeigt einen Ausschnitt aus der 2.
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Die 5 zeigt einen Teil eines Rohrbodens gemäß einer abgewandelten Ausführung.
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Die 6a–6c zeigen unterschiedliche Stabilitätsorgane.
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Die 7 zeigt einen Rohrboden gemäß der bevorzugten Ausführung.
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Die 8–10 zeigen eine alternative Ausführung.
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Der Wärmetauscher umfasst gemäß den Darstellungen in den 1 und 2 wenigstens eine Reihe von Rohren 2, in den gezeigten Fällen eine Reihe von Flachrohren 2, und dazwischen angeordnete Rippen 5. Ein nicht dargestellter Wärmetauscher besitzt mehrere in Luftströmungsrichtung hintereinander angeordnete Rohrreihen. Die Rippen 5 sind in den dargestellten Fällen als Wellrippen 5 ausgebildet.
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Ferner besitzt der Wärmetauscher zwei gegenüberliegend angeordnete Rohrböden 1a, 1b, jeweils mit einer Reihe von ersten Öffnungen 10 zur Aufnahme der Rohrenden der Flachrohre 2 und auch Sammelkästen 6, die mit den Rohrböden 1a, 1b verbunden sind.
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Außerdem ist je ein erstes Stabilitätsorgan 3a als Seitenteil 3a vorgesehen, dessen gegenüberliegende Enden in zweiten Öffnungen 20 der Rohrböden 1a, 1b befestigt sind. Die mit ihren Enden in den zweiten Öffnungen 20 der Rohrböden 1a, 1b sitzenden Seitenteile 3a befinden sich am linken und rechten Rand eines aus den Flachrohren 2 und den Wellrippen 5 bestehenden Kühlnetzes, und sie erstrecken sich von dem einen Rohrboden 1a bis zum gegenüberliegenden zweiten Rohrboden 1b.
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Die Rohrböden 1a, 1b besitzen darüber hinaus, wie gezeigt, zwei dritte Öffnungen 30 zur Aufnahme eines Endes zweier zweiter Stabilitätsorgane 3b. In nicht gezeigten Fällen hat man mehr als zwei dritte Öffnungen 30 mit entsprechend mehreren Stabilitätsorganen 3b vorgesehen.
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Wie aus der 1 hervorgeht, befindet sich in dem in der Figur oberen Sammelkasten 6 eine im Wesentlichen quer zu dessen Längsrichtung angeordnete Trennwand 7. Die Trennwand 7 steht auf dem Rohrboden 1 ohne damit verbunden zu sein, denn in den gezeigten Fällen sind die Sammelkästen 6 aus Kunststoff hergestellt worden, wobei die Trennwand 7 integraler Bestandteil der Sammelkastenwand ist. Die Rohrböden 1 und die anderen Bestandteile des Wärmetauschers sind hingegen aus einem lötbaren Metall hergestellt worden. Die Trennwand 7 trennt den Sammelkasten 6 in einen eintrittsseitigen Teil 6a und einen austrittsseitigen Teil 6b auf.
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Aufgrund der beschriebenen Merkmale ist ersichtlich, dass der gezeigte Wärmetauscher u-förmig durchströmt wird.
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Andere Ausführungsformen mit einer l-förmigen oder einer noch anderen Durchströmung sind möglich, jedoch in den Zeichnungen nicht dargestellt worden.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind weiterhin zwei dritte Öffnungen 30a, 30b im Rohrboden 1 vorgesehen, eine links und eine rechts der Trennwand 7. In beiden dritten Öffnungen 30a und 30b befindet sich je ein zweites Stabilitätsorgan 3b. Auch zwischen den beiden zweiten Stabilitätsorganen 3b hat man, in gleicher Weise wie zwischen den Flachrohren 2, eine Wellrippe 5 angeordnet.
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Wie die 3 zeigt, kann man zwischen der Trennwand 7 und dem Rohrboden 1 eine Dichtung anordnen, um einen Bypass zu verhindern.
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Die 4 und 6a–6c zeigen, dass man die Enden der Stabilitätsorgane 3b und/oder 3a mit einer Kontur 31 versehen kann, wodurch die im Sammelkasten 6 stattfindende Durchströmung weniger oder gar nicht beeinträchtigt wird.
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Aus 4 ist auch das Ergebnis des vorne erwähnten Umformschritts an den Enden der zweiten Stabilitätsorgane 3b ersichtlich, um dieselben in ihren Öffnungen 30 kraft- und formschlüssig zu befestigen. Die Enden sind hier ohne Rezess ausgebildet. Dasselbe trifft auf die ersten Stabilitätsorgane 3a zu, was jedoch nicht zu sehen ist. Die Durchführung des Umformschritts an den Enden der zweiten Stabilitätsorgane 3b gemäß 4 ist eine fakultative Maßnahme. Mit anderen Worten, es reicht, die Enden der zweiten Stabilitätsorgane 3b einfach in die Öffnungen 30a, 30b einzuschieben. Da die Enden passgerecht sind, wird eine dichte Verlötung in den Öffnungen 30a, 30b auch ohne Durchführung des Umformschritts stattfinden.
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Bezüglich der Darstellungen in den 6a–6c ist noch von Bedeutung, dass die Positionierung der Sollbruchstellen 8 in den Stabilitätsorganen 3a, 3b einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit hat. In den 6a und 6c ist der Abstand a zum Rohrboden 1 wesentlich geringer als in der 6b. Der geringere Abstand a hat deutlich bessere Ergebnisse gezeigt. Konkret betrug dieser Abstand a 22 mm. Wie herausgefunden wurde, liegt ein günstiges Abstandsmaß etwa zwischen 10 und 70 mm. Der größere Abstand a, wie in 6b gezeigt, beträgt etwa 170 mm.
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Der 6c zeigt ferner noch eine Besonderheit an beiden Kanten 32 des Stabilitätsorgans 3b in dessen Endbereich. Die Kanten 32 wurden abgerundet, um die Herstellung einen dichten Verbindung in der Öffnung 30 des Rohrbodens 1 zu unterstützen.
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In der 7 besitzen sämtliche Öffnungen 10, 20, 30 in dem Rohrboden 1 eine gleiche Größe und Gestalt.
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Die 5 zeigt demgegenüber, dass man beispielsweise die Öffnungen 20 kleiner ausführen kann als die Öffnungen 10, in denen die Enden der Flachrohre 2 sitzen. Im Fall gemäß 5 ist vorgesehen, die ersten 10 und die dritten Öffnungen 30 identisch auszubilden, was aus der 5 allerdings nicht ersichtlich ist. In dem Fall sind dann natürlich auch die ersten und die zweiten Stabilitätsorgane 3a, 3b nicht identisch.
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Die 2 zeigt ein gelötetes Kühlnetz mit zwei Rohrböden 1, mit zwei ersten Stabilitätsorganen 3a, links und rechts, sowie mit zwei zweiten Stabilitätsorganen 3b, etwa in der Mitte. Das Kühlnetz gehört zu dem Wärmetauscher, der in der 1 gezeigt ist. Es könnte jedoch auch zu einem anderen Wärmetauscher gehören, in dessen Sammelkasten 6 sich keine Trennwand 7 befindet. Auch muss die Positionierung der zweiten Stabilitätsorgane 3b nicht in der Mitte sein, sondern vielmehr an einer Stelle, an der sich zuvor oft Materialbrüche manifestiert haben.
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In dem gezeigten Fall sind die ersten und die zweiten Stabilitätsorgane 3a, 3b nicht identisch. Aus 2 ist ersichtlich, dass die ersten Stabilitätsorgane 3a an beiden Längskanten mit einem abgebogenen Flansch 11 versehen wurden. Die zweiten Stabilitätsorgane 3b sind ohne solche Flansche 11, also völlig eben, ausgebildet worden, wie beispielsweise aus der bereits angesprochenen 4 zu sehen ist.
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Zur Vermeidung der erwähnten Materialbrüche kann man auch einen öffnungslosen Abschnitt 4 im Rohrboden 1 vorsehen. Das Verbesserungspotential ist nicht so hoch wie bei der ersten Alternative, jedoch für viele Anwendungen ausreichend. Dabei kann, angrenzend an den Abschnitt 4, ein zweites Stabilitätsorgan 3b angeordnet werden, wie in 9 zu sehen ist. Die im Abschnitt 4 befindlichen Flachrohre 2 können als Blindrohre 21 ausgebildet sein. Der Abschnitt 4 kann sich beispielsweise über drei Rohrabstände b erstrecken. Falls erforderlich, kann man – anders als gezeigt – auch beidseitig des Abschnitts 4 ein zweites Stabilitätsorgan 3b anordnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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