DE102015115147A1

DE102015115147A1 - Wärmetauscher und Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers

Info

Publication number: DE102015115147A1
Application number: DE102015115147.2A
Authority: DE
Inventors: Jens Treichler; Björn Brodersen; Tim Zümendorf
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Ein Wärmetauscher mit einem zur Durchströmung mittels eines ersten Fluids vorgesehenen Gehäuse (14), einem innerhalb des Gehäuses (14) aufgenommenen Wärmetauschpaket (12), das ein oder mehrere zur Durchströmung mittels eines zweiten Fluids und zur Umströmung mittels des ersten Fluids vorgesehene Fluidleitungen (10) aufweist, und mit einem Einlassanschluss (18) sowie einem Auslassanschluss (20) für das Wärmetauschpaket (12), ist dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassanschluss (18) und/oder der Auslassanschluss (20) einen in das Wärmetauschpaket (12) integrierten Anschlusskanal (22) umfasst, der mittels eines infolge ungleichförmiger thermischer Dehnungen von Gehäuse (14) und Wärmetauschpaket (12) deformierbaren Anschlusselements (28) mit einer von dem Gehäuse (14) ausgebildeten Anschlussöffnung (24) fluidleitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der insbesondere zur Verwendung als Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine vorgesehen sein kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers.
Ein in ein Saugrohrmodul integrierter Ladeluftkühler ist aus der EP 2 765 286 A1 bekannt. Bei diesem Ladeluftkühler ist das Wärmetauschpaket, das aus mehreren sich abwechselnden Schichten von einerseits Flachrohren und anderseits die Flachrohre miteinander verbindenden Wellrippen besteht, an einer Vielzahl von Stellen direkt mit dem Gehäuse des Saugrohrmoduls, das auch als Gehäuse des Ladeluftkühlers dient, verbunden.
Ein Saugrohrmodul mit integriertem Ladeluftkühler ist zudem aus der WO 2010/146063 A1 bekannt. Bei diesem Saugrohrmodul ist vorgesehen, dass das Wärmetauschpaket auf Federelementen innerhalb des Gehäuses des Saugrohrmoduls gelagert ist, wodurch dieses vor Vibrationen geschützt sein soll und zudem thermische Ausdehnungen des Gehäuses und des Kühlerpakets kompensiert werden sollen. Relativbewegungen zwischen dem Gehäuse und dem Wärmetauschpaket sollen dabei im Bereich der durch entsprechend groß dimensionierte Durchgangsöffnungen in dem Gehäuse hindurch geführten Anschlussrohre des Wärmetauschpakets durch ausreichend elastische Dichtelemente ermöglicht werden.
Eine solche Abdichtung von Anschlussrohren eines Kühlerpakets in Durchgangsöffnungen eines Gehäuses bei einem Ladeluftkühler hat sich als schwierig umsetzbar herausgestellt. Dies ist auf die erheblichen Relativbewegungen infolge von thermisch bedingten ungleichförmigen Dehnungen von Wärmetauschpaket und Gehäuse zurückzuführen. Der Ringspalt zwischen den Rändern der Durchgangsöffnungen und den Außenseiten der Anschlussrohre muss daher entsprechend groß dimensioniert werden. Eine dauerhaltbare Abdichtung ist daher auch aufgrund der nicht unerheblichen Druckunterschiede zwischen dem Innenvolumen des Gehäuses und der Umgebung nur unter erheblichem konstruktivem Aufwand und allenfalls mittels elastomeren Dichtelementen möglich. Solche elastomeren Dichtelemente sind jedoch hinsichtlich einer Herstellbarkeit eines solchen Ladeluftkühlers nachteilig. Dies gilt zumindest, wenn vorgesehen ist, die Komponenten des Wärmetauschpakets und des Gehäuses in einem kombinierten Verfahrensschritt durch Löten in einem Lötofen zu verbinden. Die Temperatur, denen ein solcher Ladeluftkühler dabei ausgesetzt wird, würde regelmäßig zu einer Zerstörung von elastomeren Dichtelementen führen. Ein nachträgliches Einsetzen von elastomeren Dichtelementen nach dem Verlöten der übrigen Komponenten eines Ladeluftkühlers ist dagegen mit einem erheblichen zusätzlichen Montageaufwand verbunden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere zur Nutzung als Ladeluftkühler vorgesehenen Wärmetauscher anzugeben, der eine hohe Lebensdauer aufweist und gleichzeitig vorteilhaft herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mittels eines Wärmetauschers gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers ist Gegenstand des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Vorgesehen ist ein Wärmetauscher mit einem zur Durchströmung mittels eines ersten Fluids vorgesehenen Gehäuse, einem innerhalb des Gehäuses aufgenommenen Wärmetauschpaket, das ein oder mehrere zur Durchströmung mittels eines zweiten Fluids und zur Umströmung mittels des ersten Fluids vorgesehene Fluidleitungen aufweist, und mit einem Einlassanschluss sowie einem Auslassanschluss für das Wärmetauschpaket. Bei einem solchen Wärmetauscher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Einlassanschluss und/oder der Auslassanschluss (jeweils) einen in das Wärmetauschpaket integrierten Anschlusskanal umfasst, der mittels eines infolge ungleichförmiger thermisch bedingter Dehnungen von Gehäuse und Wärmetauschpaket deformierbaren, vorzugsweise aus einem elastischen Material ausgebildeten Anschlusselements mit einer von dem Gehäuse ausgebildeten Anschlussöffnung fluidleitend verbunden ist.
Das Anschlusselement kann somit eine multiple Funktionalität aufweisen. Zum einen dient dieses der strukturellen Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Wärmetauschpaket und damit auch einer Lagesicherung des Wärmetauschpakets innerhalb des Gehäuses. Weiterhin kann dieses sowohl das Innenvolumen des Gehäuses gegenüber der Umgebung als auch das Innenvolumen des dazugehörigen Anschlusskanals und der mit diesem Anschlusskanal fluidleitend verbunden Fluidleitung(en) gegenüber dem Innenraum des Gehäuses abdichten. Auf diese Weise kann sowohl ein Austreten von erstem Fluid in die Umgebung als auch eine Durchmischung von erstem und zweitem Fluid in dem Innenvolumen des Gehäuses vermieden werden. Weiterhin weist das Anschlusselement eine durch ungleichförmige thermisch bedingte Dehnungen von Gehäuse und Wärmetauschpaket begründete lokale Relativbewegungen ausgleichende beziehungsweise ermöglichende Funktionalität auf. Dazu ist vorgesehen, dass die Deformierbarkeit und insbesondere die Elastizität des Anschlusselements durch eine entsprechende Materialwahl und/oder durch eine entsprechende geometrische Formgebung (insbesondere Dimensionierung) so groß ist, dass durch die Deformation hervorgerufene Widerstandskräfte des Anschlusselements vorzugsweise nicht zu mechanischen Spannungen an insbesondere den Verbindungsstellen zwischen dem Anschlusselement und dem Gehäuse und/oder dem Wärmetauschpaket führen, die zu einer geringeren Lebensdauer führen können. Der Unterschied in den thermisch bedingten Längungen von Gehäuse und Wärmetauschpaket kann dabei vergleichsweise groß sein, weil vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Gehäuse relativ stabil und insbesondere dickwandig ausgebildet ist, weil dieses die strukturelle Integrität des gesamten Wärmetauschers gewährleisten soll und zudem auch für die Anbindung an weitere Komponenten, wie beispielsweise Zu- und Ableitungen für das erste Fluid und das zweite Fluid sowie für die Befestigung des Wärmetauschers an einer dafür vorgesehenen Struktur vorgesehen sein kann. Für das Wärmetauschpaket kann dagegen eine möglichst dünnwandige Ausgestaltung der dieses ausbildenden Komponenten vorgesehen sein, weil dadurch der Wärmeübergang zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid positiv beeinflusst werden kann.
Weiterhin kann das Anschlusselement auch noch eine fluidleitende Funktion für das zweite Fluid aufweisen, wozu dieses vorzugsweise einen zur Führung des zweiten Fluids vorgesehenen Abschnitt des Einlassanschlusses und/oder des Auslassanschlusses darstellt.
Das Anschlusselement kann integraler Bestandteil des Gehäuses und/oder des Anschlusskanals und damit des Wärmetauschpakets sein. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass das Anschlusselement als ein separates Bauteil ausgebildet ist, das für die Herstellung einer fluidleitenden Verbindung zwischen dem dazugehörigen Anschlusskanal und der dazugehörigen Anschlussöffnung des Gehäuses vorzugsweise dichtend mit sowohl diesem Anschlusskanal als auch einem diese Anschlussöffnung ausbildenden Abschnitt des Gehäuses fest verbunden wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann vorgesehen sein, dass der Anschlusskanal, das Anschlusselement und der die Anschlussöffnung ausbildende Abschnitt des Gehäuses aus (insbesondere einem lötbaren) Metall ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Insbesondere kann dadurch vorteilhaft ermöglicht werden, das Anschlusselement mit dem Anschlusskanal und/oder einem die Anschlussöffnung ausbildenden Abschnitt des Gehäuses zu verlöten. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass zumindest die Verbindungsstellen zwischen dem Anschlusselement und dem dazugehörigen Anschlusskanal und/oder dem die dazugehörige Anschlussöffnung ausbildenden Abschnitt des Gehäuses und vorzugsweise sämtliche Verbindungsstellen des Wärmetauschers in einem einzigen Verfahrensschritt durch das Aufschmelzen und ein wieder Erstarren lassen von an diesen Verbindungsstellen vorhandenem Lot ausgebildet werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers sieht demnach vor, dass zumindest das Gehäuse, das mindestens einen oder mehrere Anschlusskanäle integrierende Wärmetauschpaket und das Anschlusselement (vorzugsweise gleichzeitig) einer definierten Temperatur in beispielsweise einem Lötofen ausgesetzt werden, durch die ein Lot, das zumindest im Bereich einer vorgesehenen Verbindungsstelle zwischen dem Gehäuse und dem Anschlusselement und/oder zwischen dem Anschlusskanal und dem Anschlusselement angeordnet ist, aufgeschmolzen wird, so dass nach einer Abkühlung des Wärmetauschers mindestens eine Lötverbindung ausgebildet ist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass noch weitere und insbesondere sämtliche Verbindungsstellen des Wärmetauschers ausgebildet werden. Dies können insbesondere

– Verbindungsstellen zwischen mehreren Teilen des mehrteiligen Gehäuses und/oder
– Nahtstellen der beispielsweise als Flachrohre ausgebildeten Fluidleitung(en) und/oder
– Verbindungsstellen zwischen benachbarten Fluidleitungen und/oder
– Verbindungsstellen zwischen dem oder den Fluidleitungen und optional vorhandenen, insbesondere zwischen jeweils zwei Fluidleitungen angeordneten Wärmeleitelementen, die vorzugsweise in Form von Wellrippenplatten ausgebildet sein können, und/oder
– Verbindungsstellen zwischen einem oder mehreren optional vorhandenen weiteren Verbindungselementen und dem Gehäuse und/oder dem Wärmetauschpaket

Alternative Verbindungsverfahren zur Verbindung des Anschlusselements mit dem Gehäuse und/oder mit dem Wärmetauschpaket, beispielsweise Schweißen, Kleben oder beliebige formschlüssig wirkende Verbindungsverfahren (z.B. Verschrauben, Vernieten, etc.), können ebenfalls zum Einsatz kommen.
Das oder die optional vorhandenen weiteren Verbindungselemente, die an beliebiger Stelle zwischen dem Gehäuse und dem Wärmetauschpaket angeordnet sein können, können vorzugsweise ebenfalls entsprechend dem oder den (jeweils) einen Anschlusskanal des Wärmetauschpakets mit einer Anschlussöffnung des Gehäuses fluidleitend verbindenden Anschlusselementen derart ausgebildet sein, dass diese infolge ungleichförmiger thermisch bedingten Dehnungen von Gehäuse und Wärmetauschpaket deformierbar sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann vorgesehen sein, dass das Wärmetauschpaket ausschließlich über das oder die Anschlusselemente und gegebenenfalls über ein oder mehrere weitere Verbindungselemente mit dem Gehäuse verbunden ist. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass sich das Wärmetauschpaket möglichst frei innerhalb des Gehäuses thermisch bedingt längen kann. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die erreichbare Lebensdauer für den Wärmetauscher aus.
Eine vorteilhafte Deformierbarkeit für das Anschlusselement, die insbesondere auch in eine Vielzahl von Richtungen wirkend ist, kann erreicht werden, wenn das Anschlusselement ein Ringelement umfasst (oder als ein solches ausgebildet ist), das aus einem blechförmigen Halbzeug (insbesondere einem metallischen Blech) ausgebildet ist, das in einem (vorzugsweise unterbrechungsfrei) ringförmig umlaufenden Abschnitt derart bogenförmig verläuft, dass die beiden Endabschnitte des Halbzeug bezüglich einer Längsachse des Ringelements nach außen weisend (d.h. eine radiale Richtungskomponente bezüglich der Längsachse aufweisend) ausgerichtet sind. Dabei können die Endabschnitte vorzugsweise der Verbindung mit dem dazugehörigen Anschlusskanal des Wärmetauschpakets und/oder dem die dazugehörige Anschlussöffnung ausbildenden Abschnitt des Gehäuses dienen. Ein solches Anschlusselement kann eine Verformbarkeit in sämtliche radiale Richtungen (entsprechend einer Relativverschiebung der beiden Endabschnitte zueinander) und um sämtliche radiale Richtungen (entsprechend einer Relativdrehung der beiden Endabschnitte zueinander) bezüglich der Längsachse sowie eine Tordierbarkeit um die Längsachse gewährleisten.
Eine besonders vorteilhafte Verformbarkeit für das derart ausgebildete Anschlusselement kann dann noch erreicht werden, wenn der zwischen den Endabschnitten liegende, zumindest teilweise bogenförmig verlaufende Abschnitt des Ringbauteils einen Winkelbereich von mindestens 90°, vorzugsweise von mindestens 180° abdeckt.
Insbesondere für eine vorteilhafte Verbindbarkeit des Anschlusselements mit dem Wärmetauschpaket und/oder dem Gehäuse kann weiterhin vorgesehen sein, dass die beiden Endabschnitte im Wesentlichen parallel verlaufend ausgerichtet sind. Insbesondere bei dieser Ausgestaltung des Anschlusselements kann dann noch eine besonders vorteilhafte Verformbarkeit realisiert werden, wenn der zwischen den Endabschnitten liegende, zumindest teilweise bogenförmig verlaufende Abschnitt des Ringbauteils einen Winkelbereich von mehr als 180° und insbesondere von ca. 270° abdeckt.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass auch eines der oder beide Endabschnitte (vorzugsweise unterbrechungsfrei) ringförmig umlaufend ausgebildet sind. Dies ist insbesondere bei einer Nutzung dieser Endabschnitte als Befestigungsabschnitte für die Verbindungsstellen zwischen dem Anschlusselement und dem dazugehörigen Anschlusskanal und/oder dem die dazugehörige Anschlussöffnung ausbildenden Abschnitt des Gehäuses vorteilhaft, weil auf diese Weise möglichst große Verbindungsstellen zur Verfügung stehen, wodurch sowohl eine gute strukturelle Festigkeit als auch eine gute Dichtwirkung der Verbindungsstellen realisiert werden kann.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher eignet sich insbesondere für eine Verwendung als Ladeluftkühler einer aufgeladenen Brennkraftmaschine. Weitere vorteilhafte Verwendungen sind jedoch gleichfalls möglich. Bei einer Brennkraftmaschine können grundsätzlich sämtliche der in diese integrierten Wärmetauscher erfindungsgemäß ausgebildet sein.
Dementsprechend betrifft die Erfindung weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher, der insbesondere als Ladeluftkühler vorgesehen sein kann.
Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes Kraftfahrzeug (vorzugsweise PKW oder LKW), mit einer entsprechenden Brennkraftmaschine. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1: einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher;
2: einen Längsschnitt durch den Wärmetauscher gemäß der 1;
3: den in der 2 mit III gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung;
4: das Wärmetauschpaket des Wärmetauschers gemäß den 1 bis 3 in isolierter Darstellung
5: in isolierter Darstellung ein Anschlusselement des Wärmetauschers gemäß den 1 bis 4; und
6: einen Radialschnitt durch das Anschlusselement gemäß der 5.
Die Zeichnungen zeigen in vereinfachter Darstellung einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Dieser Wärmetauscher kann zur Kühlung eines den Wärmetauscher in Längsrichtung durchströmenden Gas(gemisch)es (erstes Fluid) mittels eines Übergangs von Wärmeenergie von dem Gas auf ein in Fluidleitungen eines Wärmetauschpakets 12 strömendes (zweites) Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, dienen. Beispielsweise kann der Wärmetauscher als Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) zum Einsatz kommen.
Der Wärmetauscher umfasst neben dem Wärmetauschpaket 12 ein Gehäuse 14, das an seinen beiden Stirnseiten mit jeweils einer Durchtrittsöffnung 16 ausgebildet ist, die ein Ein- und Austreten des den Wärmetauscher durchströmenden Gases ermöglichen. Das mehrteilige Gehäuse 14 ist beispielsweise aus Metallblech ausgebildet. Das dazu verwendete Metallblech weist eine vergleichsweise große Wandstärke auf, die für eine ausreichende strukturelle Festigkeit des Wärmetauschers sorgt. Diese strukturelle Festigkeit ist beispielsweise erforderlich, um den Wärmetauscher durch an dem Gehäuse angreifende Befestigungselemente(nicht dargestellt) an einer Befestigungsstruktur, beispielsweise in dem Motorraum eines Kraftfahrzeugs, zu befestigen. Zudem kann dadurch eine ausreichende Druckfestigkeit für das Gehäuse 14 realisiert werden, die beispielsweise bei der vorgesehenen Verwendung als Ladeluftkühler von Bedeutung ist, da die diesen durchströmende Ladeluft einen nicht unerheblichen Überdruck aufweisen kann.
Das Wärmetauschpaket 12 umfasst eine Mehrzahl von den als Flachrohre ausgebildeten Fluidleitungen 10, die beabstandet zueinander übereinander geschichtet angeordnet sind. In den Zwischenräumen zwischen jeweils benachbarten Fluidleitungen 10 können optional Wärmeleitelemente (nicht dargestellt), die insbesondere in Form von Wellrippenplatten ausgebildet sein können, angeordnet sein.
Um eine Durchströmung der Fluidleitungen 10 mittels des zweiten Fluids zu ermöglichen, ist ein Einlassanschluss 18 sowie ein Auslassanschluss 20 für das Wärmetauschpaket 12 vorgesehen. Sowohl der Einlassanschluss 18 als auch der Auslassanschluss 20 umfasst jeweils einen sich durch sämtliche Fluidleitungen 10 des Wärmetauschpakets 12 erstreckenden Anschlusskanal 22, einen sich von einer Anschlussöffnung 24 des Gehäuses 14 nach außen erstreckenden Anschlussstutzen 26 sowie ein ringförmiges Anschlusselement 28, das jeweils eine der Anschlussöffnungen 24 innenseitig des Gehäuses 14 mit dem proximalen Ende des dazugehörigen Anschlusskanals 22 des Wärmetauschpakets 12 fluidleitend verbindet. Die Anschlusskanäle 22 werden jeweils von ringförmig umlaufenden Wandabschnitten 30 der Fluidleitungen 10 begrenzt, wobei jeweils die einander endseitig kontaktierenden Wandabschnitte 30 benachbarter Fluidleitungen 10 ein diese benachbarten Fluidleitungen 10 verbindendes Rohrsegment ausbilden. An den bezüglich der Anschlusselement 28 distalen Enden sind die Anschlusskanäle 22 geschlossen ausgebildet.
Das in einem Kreislauf geförderte und über den Einlassanschluss 18 dem Wärmetauschpaket 12 zugeführte zweite Fluid strömt über den dazugehörigen Anschlusskanal 22 in die Fluidleitungen 10, durchströmt diese und wird über den Auslassanschluss 20 wieder abgeführt. Dabei nimmt es Wärmeenergie von dem das Innenvolumen des Gehäuses 14 in Längsrichtung des Wärmetauschers durchströmenden und damit die Fluidleitungen 10 umströmenden ersten Fluids auf. Um dabei einen möglichst guten Wärmeübergang von dem ersten Fluids auf das zweite Fluid zu ermöglichen, sind die Wandstärken der aus Metallblech ausgebildeten Fluidleitungen 10 vergleichsweise (im Vergleich zu denjenigen des Gehäuses 14) dünn ausgelegt.
Unterschiedliche Längungen infolge von Temperaturschwankungen des ersten Fluids sowie (insbesondere) des zweiten Fluids beziehungsweise infolge von Temperaturdifferenzen dieser Fluide (und damit auch der Bauteiltemperaturen) während des Betriebs des Wärmetauschers führen zu Reaktionskräften an den Anbindungsstellen des Wärmetauscherpakets 12 an dem Gehäuse 14 und dadurch zu erheblichen Materialspannungen. Eine starre Anbindung des Wärmetauschpakets 12 an die Innenseite des Gehäuses 14, beispielsweise durch Löten, würde zu lokalen Steifigkeitserhöhungen und in Verbindung mit den unterschiedlichen thermisch bedingten Längungen zu erheblichen mechanischen Spannungsspitzen führen. Diese könnten, insbesondere im Rahmen einer Wechselbeanspruchung infolge sich häufig ändernder Temperaturen des ersten und/oder des zweiten Fluids, zu einem relativ schnellen Bauteilversagen und damit zu einem Funktionsversagen des Wärmetauschers führen.
Um diese thermisch bedingten stark unterschiedlichen Längungen des Gehäuses 14 einerseits und des Wärmetauschpakets 12 andererseits auszugleichen beziehungsweise ohne zu große Spannungsspitzen zu ermöglichen, ist das Wärmetauschpaket 12 ausschließlich über weich und damit mit vergleichsweise geringen Kräften deformierbare Verbindungselemente mit dem Gehäuse 14 verbunden. Dies sind zum einen die einen Teil des Einlassanschlusses 18 und des Auslassanschlusses 20 ausbildenden Anschlusselemente 28 sowie zwei Verbindungsrahmen 32, die das Wärmetauschpaket 12 an den längsaxialen Enden jeweils vollumfänglich umgeben und dabei mit dem entsprechenden angrenzenden Abschnitt des Gehäuses 14 verbinden. Sämtliche dieser Verbindungselemente sind ebenfalls, d.h. wie das Gehäuse 14 und die Komponenten des Wärmetauschpakets 12 auch, aus Metallblech ausgebildet. Insbesondere können sämtliche hier beschriebenen Komponenten des Wärmetauschers aus Aluminium(blechen) ausgebildet sein.
Diese leichte Deformierbarkeit der Verbindungselemente (Anschlusselemente 28 und Verbindungsrahmen 32) ergibt sich zum einen aus den Wandstärken der für diese verwendeten Metallbleche, die nochmals unterhalb der Wandstärken der für die Ausbildung der Fluidleitungen 10 sowie gegebenenfalls für die zwischen den Fluidleitungen 10 angeordneten Wärmeleitelemente genutzten Metallbleche liegt. Zum anderen ergibt sich diese leichte Deformierbarkeit auch durch eine spezifische Formgebung für die Verbindungselemente, insbesondere für die in den Einlassanschluss 18 und den Auslassanschluss 20 integrierten Anschlusselemente 28.
Diese Anschlusselemente 28 sind jeweils als ein Ringelement ausgebildet, das in einem ringförmig umlaufenden Abschnitt 34 derart bogenförmig verläuft, dass die beiden Endabschnitte 36 bezüglich einer Längsachse 38 des Ringelements nach außen weisend, d.h. eine radiale Richtungskomponente bezüglich der Längsachse 38 aufweisend ausgerichtet sind. Die beiden Endabschnitte 36 sind dabei im Wesentlichen parallel verlaufend ausgerichtet, wodurch diese in vorteilhafter Weise möglichst vollflächig an sowohl dem ringförmig die dazugehörige Anschlussöffnung 24 umgebenden Abschnitt des Gehäuses 14 als auch an den Stirnseiten des angrenzenden umlaufenden Wandabschnitts 30 der entsprechenden Fluidleitung 10 anliegen. Dieser möglichst großflächige Kontakt zwischen den Anschlusselementen 28 und dem Gehäuse 14 sowie dem Wärmetauschpaket 12 kann für die strukturelle Festigkeit sowie die Dichtwirkung der dort ausgebildeten Verbindungsstellen förderlich sein. Der bogenförmig verlaufende Abschnitt 34 jedes Anschlusselements 28 deckt einen Winkelbereich von ca. 270° ab (bezogen auf eine senkrecht zu jedem der Radialschnitte innerhalb des bogenförmig verlaufenden Abschnitts 34 angeordneten und demnach um die Längsachse 38 umlaufende Achse 40). Dabei ist der Übergang von dem bogenförmig verlaufenden Abschnitt 34 in den für einen Kontakt mit dem Gehäuse 14 vorgesehenen Endabschnitt 36 kontinuierlich beziehungsweise absatzfrei ausgebildet, während der Übergang von dem bogenförmig verlaufenden Abschnitt 34 in den für einen Kontakt zu dem Wärmetauschpaket 12 vorgesehenen Endabschnitt 36 durch eine Abwinkelung von ca. 90° gekennzeichnet ist. Durch diese Ausgestaltung der Anschlusselemente 28 weisen diese eine vorteilhafte Verformbarkeit in sämtliche radiale Richtungen (entsprechend einer Relativverschiebung der beiden Endabschnitte 36 beziehungsweise der entsprechenden Abschnitte des Gehäuses 14 und des Wärmetauschpakets 12 zueinander) und um sämtliche radiale Richtungen (entsprechend einer Relativdrehung der beiden Endabschnitte 36 beziehungsweise der entsprechenden Abschnitte des Gehäuses 14 und des Wärmetauschpakets 12 zueinander) bezüglich der Längsachse 38 auf. Weiterhin gewährleistet diese Form einer hohe Tordierbarkeit um die Längsachse 38 des jeweiligen Anschlusselements 28.
Der Querschnitt des für die Ausbildung der Verbindungsrahmen 32 genutzten Metallprofils bildet ebenfalls zwei im Wesentlichen parallel verlaufende Endabschnitte 42 aus, die einem Kontakt und der Verbindung der Verbindungsrahmen 32 mit dem Gehäuse 14 sowie dem Wärmetauschpaket 12 dienen. Die Endabschnitte 42 sind mittels eines bogenförmig und insbesondere im Wesentlichen halbkreisförmig verlaufenden Abschnitts 44 miteinander verbunden. In den im Querschnitt bogenförmig beziehungsweise halbkreisförmig verlaufenden Abschnitt 44 der Verbindungsrahmen sind in Längsrichtung beabstandet voneinander Durchgangsöffnungen 46 versehen, durch die eine erhöhte Deformierbarkeit für die Verbindungsrahmen 32 realisiert wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wärmetauschers gewährleistet dieser einen spannungsarmen Ausgleich von unterschiedlichen thermischen Längungen des Gehäuses 14 einerseits und des Wärmetauschpakets 12 andererseits, wodurch ein Erreichen einer hohen Lebensdauer für den Wärmetauscher positiv beeinflusst wird. Gleichzeitig ermöglicht die Ausgestaltung der leicht deformierbaren Verbindungselemente (Anschlusselemente 28 und Verbindungsrahmen 32) einerseits und der für diese vorgesehenen Kontaktstellen des Gehäuses 14 sowie des Wärmetauschpakets 12 andererseits aus miteinander verlötbaren Materialien eine vorteilhafte Herstellbarkeit, weil die Anbindung des Wärmetauschpakets 12 an die Innenseite des Gehäuses 14 mittels der Anschlusselemente 28 und auch mittels der Verbindungsrahmen 32 in einem einzigen Verfahrensschritt erfolgen kann, indem sämtliche hier beschriebenen Komponenten des Wärmetauschers lose zusammengesetzt oder provisorisch (beispielsweise durch Klebeverbindungen) miteinander verbunden in einen Lötofen (nicht dargestellt) eingebracht werden, wobei zuvor auf zumindest einigen der für Verbindungsstellen vorgesehenen Kontaktstellen ein Lot, insbesondere ein Hartlot, aufgebracht sein kann, das durch die in dem Lötofen herrschenden hohen Temperaturen aufschmilzt und nach einem Entnehmen des Wärmetauschers aus dem Lötofen durch Abkühlen und Aushärten die als Verbindungsstellen dienenden Lötstellen ausbildet. Die Lötverbindungen zwischen den Anschlusselementen 28 und den dazugehörigen Abschnitten des Gehäuses 14 sowie des Wärmetauschpakets 12 wirken gleichzeitig in hinreichendem Maße abdichtend, so dass auf die Integration separater Dichtelemente verzichtet werden kann. Ein nachträgliches Einsetzen von insbesondere elastomeren Dichtelementen, die wegen der für diese zu hohen Temperaturen in dem Lötofen nicht vorab in den Wärmetauscher integriert werden können, kann dadurch in vorteilhafter Weise vermieden werden.
Bei dem Erwärmen des Wärmetauschers in dem Lötofen werden vorzugsweise nicht nur die Verbindungsstellen zwischen den Verbindungselementen und einerseits dem Gehäuse 14 sowie andererseits dem Wärmetauschpaket 12 ausgebildet, sondern vorzugsweise sämtliche bei dem Wärmetauscher vorgesehene Verbindungsstellen. Dies können insbesondere die aus den Zeichnungen ersichtlichen Nahtstellen 48 zwischen den jeweils zwei eine Fluidleitung 10 ausbildenden Halbschalen, zwischen den jeweils zwei ein jeweils zwei benachbarte Fluidleitungen 10 verbindendes Rohrsegment ausbildenden Wandabschnitten 30 der Fluidleitungen 10 sowie zwischen Teilgehäusen des mehrteilig ausgebildeten Gehäuses 14 sein.
Bezugszeichenliste

10: Fluidleitung
12: Wärmetauschpaket
14: Gehäuse
16: Durchtrittsöffnung des Gehäuses
18: Einlassanschluss
20: Auslassanschluss
22: Anschlusskanal
24: Anschlussöffnung des Gehäuses
26: Anschlussstutzen
28: Anschlusselement
30: ringförmig umlaufender Wandabschnitte der Fluidleitungen
32: Verbindungsrahmen
34: Abschnitt des Anschlusselements
36: Endabschnitt des Anschlusselements
38: Längsachse des Anschlusselements
40: um die Längsachse umlaufende Achse
42: Endabschnitt des Verbindungsrahmens
44: Abschnitt des Verbindungsrahmens
46: Durchgangsöffnung des Verbindungsrahmens
48: Nahtstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2765286 A1 [0002]
WO 2010/146063 A1 [0003]

Claims

Wärmetauscher mit einem zur Durchströmung mittels eines ersten Fluids vorgesehenen Gehäuse (14), einem innerhalb des Gehäuses (14) aufgenommenen Wärmetauschpaket (12), das ein oder mehrere zur Durchströmung mittels eines zweiten Fluids und zur Umströmung mittels des ersten Fluids vorgesehene Fluidleitungen (10) aufweist, und mit einem Einlassanschluss (18) sowie einem Auslassanschluss (20) für das Wärmetauschpaket (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassanschluss (18) und/oder der Auslassanschluss (20) einen in das Wärmetauschpaket (12) integrierten Anschlusskanal (22) umfasst, der mittels eines infolge ungleichförmiger thermisch bedingter Dehnungen von Gehäuse (14) und Wärmetauschpaket (12) deformierbaren Anschlusselements (28) mit einer von dem Gehäuse (14) ausgebildeten Anschlussöffnung (24) fluidleitend verbunden ist.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusskanal (22), das Anschlusselement (28) und der die Anschlussöffnung (24) ausbildende Abschnitt des Gehäuses (14) aus Metall ausgebildet sind.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (28) mit dem Anschlusskanal (22) und/oder einem die Anschlussöffnung (24) ausbildenden Abschnitt des Gehäuses (14) verlötet ist.
Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (28) einen zur Führung des zweiten Fluids vorgesehenen Abschnitt des Einlassanschlusses (18) oder des Auslassanschlusses (20) darstellt.
Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (28) ein Ringelement umfasst, das aus einem Flachbauteil ausgebildet ist, das in einem ringförmig umlaufenden Abschnitt (30) derart bogenförmig verläuft, dass die beiden Endabschnitte (36) bezüglich einer Längsachse (38) des Ringelements nach außen weisend ausgerichtet sind.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer der oder beide Endabschnitte (36) ringförmig umlaufend ausgebildet sind.
Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endabschnitte (36) im Wesentlichen parallel verlaufend ausgerichtet sind.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den Endabschnitten (36) liegenden, zumindest teilweise bogenförmig verlaufende Abschnitt (30) des Flachbauteils einen Winkelbereich von mindestens 90°, vorzugsweise von mindestens 180° und besonders bevorzugt von ca. 270° abdeckt.
Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschpaket (12) ausschließlich mittels des oder der Anschlusselemente (28) und mittels eines oder mehreren optional vorhandenen, infolge ungleichförmiger thermisch bedingter Dehnungen von Gehäuse (14) und Wärmetauschpaket (12) deformierbaren weiteren Verbindungselementen mit dem Gehäuse (14) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Gehäuse (14), das mindestens einen oder mehrere Anschlusskanäle (22) integrierende Wärmetauschpaket (12) und ein oder mehrere Anschlusselemente (28) einer definierten Temperatur ausgesetzt werden, durch die ein Lot, das zumindest im Bereich einer vorgesehenen Verbindungsstelle zwischen dem Gehäuse (14) und dem Anschlusselement (28) und/oder zwischen dem Anschlusskanal (22) und dem Anschlusselement (28) angeordnet ist, aufgeschmolzen wird, so dass durch eine Abkühlung des Wärmetauschers mindestens eine Lötverbindung ausgebildet wird.