DE102017110977A1

DE102017110977A1 - Wärmetauscher und Ladeluftkühler

Info

Publication number: DE102017110977A1
Application number: DE102017110977.3A
Authority: DE
Inventors: Günther Schmidt; Niklas WAIBEL; Anrd Lierhammer; Adrien Briesovsky
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für einen Ladeluftkühler, aufweisend eine Menge von Wärmetauschelementen, ein die Wärmetauschelemente einhausendes Gehäuse mit einer Festlagerseite und einer in Richtung einer Mittenachse gegenüberliegenden Loslagerseite und mindestens ein Befestigungselement zum Befestigen des Gehäuses auf der Loslagerseite an eine Trägerstruktur.
Erfindungsgemäß ist bei dem Wärmetauscher vorgesehen, dass das mindestens eine Befestigungselement nachgiebig, insbesondere zur Kompensation von Längenänderungen in Richtung der Mittenachse, ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für einen Ladeluftkühler, aufweisend eine Menge von Wärmetauschelementen, ein die Wärmetauschelemente einhausendes Gehäuse mit einer Festlagerseite und einer in Richtung einer Mittenachse gegenüberliegenden Loslagerseite und mindestens ein Befestigungselement zum Befestigen des Gehäuses auf der Loslagerseite an eine Trägerstruktur. Die Erfindung betrifft auch einen Ladeluftkühler mit einem solchen Wärmetauscher.
Wärmetauscher, insbesondere in Ladeluftkühlern, sind allgemein bekannt. So beschreibt DE 10 2009 012 509 A1 einen Wärmetauscher, bestehend aus mindestens einem Rohrboden und einem Stapel aus beabstandeten, Medien führenden Rohren und aus Seitenteilen, wobei der Stapel in einen Durchbruch des Rohrbodens mit einem Rand mit vier Randseiten eingesetzt ist, die paarweise gegenüberliegend angeordnet und mit dem Stapel verlötet sind. Dabei wird eine kostengünstige und qualitätsgerechte Herstellbarkeit des Wärmetauschers erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens eine der Randseiten des Rohrbodens nachgiebig gestaltet ist und dass an der Rückseite dieser Randseite eine Kraft übertragende Wirkverbindung mit einem Endabschnitt wenigstens eines Seitenteils besteht. Es wird auch ein entsprechendes Herstellungsverfahren für Wärmetauscher vorgeschlagen.
Das Konzept ist noch verbesserungswürdig, insbesondere hinsichtlich der Robustheit gegenüber Verschleiß und Wärmedehnungen, einer Verbesserung der Dichtigkeit und einer Senkung der Herstellungskosten.
Wünschenswert ist es daher, die Funktion des Wärmetauschers hinsichtlich der oben genannten Aspekte zu verbessern. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, in verbesserter Weise einen Wärmetauscher anzugeben, der die oben genannten Probleme zumindest teilweise adressiert.
Insbesondere soll ein hohes Maß an Robustheit gegenüber Verschleiß und Wärmedehnungen erreicht und die Dichtigkeit des Wärmetauschers erhöht werden.
Die Aufgabe, betreffend den Wärmetauscher, wird durch die Erfindung mit einem Wärmetauscher des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht aus von einem Wärmetauscher, insbesondere für einen Ladeluftkühler, aufweisend eine Menge von Wärmetauschelementen, ein die Wärmetauschelemente einhausendes Gehäuse mit einer Festlagerseite und einer in Richtung einer Mittenachse gegenüberliegenden Loslagerseite und mindestens ein Befestigungselement zum Befestigen des Gehäuses auf der Loslagerseite an eine Trägerstruktur.
Erfindungsgemäß ist bei dem Wärmetauscher vorgesehen, dass das mindestens eine Befestigungselement nachgiebig, insbesondere zur Kompensation von Längenänderungen in Richtung der Mittenachse, ausgebildet ist.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass im Betrieb eines Ladeluftkühlers dieser erheblichen Temperaturschwankungen unterliegt, was zu Längenänderungen des gesamten Ladeluftkühlers und insbesondere des Wärmetauschers führt. Zur Kompensation dieser Längenänderung ist bei der Befestigung des Wärmetauschers eine Loslagerung zu berücksichtigen, welche gleichzeitig eine Abdichtung des Wärmetauschers gewährleistet.
Die Erfindung hat erkannt, dass eine konventionelle Abdichtung zweier in Relativbewegung zueinander stehender Gehäuseteile, insbesondere mittels eines Dichtrings, zu unvorteilhaften Effekten wie beispielsweise Walkarbeit, Verdrillen und/oder abrasivem Verschleiß führen kann. Durch derartige Effekte können Dichtringe, beispielsweise O-Ringe, Schaden nehmen und bis zur Zerstörung beansprucht werden, was wiederum zu Undichtigkeiten im Wärmeetauscher führt.
Weiterhin hat die Erfindung erkannt, dass sich eine Kompensation der Längenänderung ohne die genannten, auf direkte Relativbewegung zwischen zwei Reibpartnern basierenden Effekte positiv auf die Dichtigkeit des Wärmetauschers und die Robustheit gegenüber Verschleiß auswirkt.
Überraschenderweise hat die Erfindung erkannt, dass eine derartige Kompensation erreicht werden kann durch Befestigungselemente, die eine gezielte Verformbarkeit, also Nachgiebigkeit in Richtung der Längenänderung zulassen. Dies steht im Gegensatz zu der vorherrschenden Auffassung, dass Längenänderungen in einem Wärmetauscher durch eine frei bewegliche, über Dichtringe abgedichtete Verbindung zwei im Reibkontakt stehender (oder lediglich über ein Dichtungselement separierte) Gehäuseteile kompensiert werden soll. Weiterhin hat die Erfindung erkannt, dass bei einer zusammenhängenden und abschließenden Anordnung eines oder mehrerer Befestigungselemente entlang des Umfangs des Wärmetauschers die Dichtigkeit insbesondere einer Längenausdehnung unterliegenden Gehäuseverbindung gewährleistet werden kann.
Das Konzept bietet vorzugsweise die Basis für einen in verbesserter Weise funktionierenden Wärmetauscher, bei dem das mindestens eine Befestigungselement gemäß dem Konzept der Erfindung zwei Funktionalitäten aufweist, nämlich das Führen des sich ausdehnenden und zusammenziehenden Gehäuseteils sowie das Abdichten dieses Gehäuseteils gegenüber eines weiteren Gehäuseteils bzw. einer feststehenden Trägerstruktur. Insbesondere kann durch eine stoffschlüssige Verbindung des einstückigen Befestigungselements beispielsweise durch Löten oder Kleben bzw. der ebenfalls stoffschlüssig oder anderweitig untereinander verbundenen Menge an Befestigungselementen eine absolute Dichtigkeit gewährleistet werden.
Hierdurch ergibt sich weiterhin eine Verlängerung der Wartungsintervalle, da bei der Befestigung und Dichtung des Wärmetauschers gemäß dem Konzept der Erfindung keine Relativbewegung zwischen zwei Reibungspartnern auftritt und somit die oben genannten, unvorteilhaften Effekte vermieden werden.
Weiterhin können durch eine Befestigung und Dichtung des Wärmetauschers gemäß dem Konzept der Erfindung Herstellungskosten gesenkt werden, insbesondere da auf zusätzliche Dichtungselemente aufgrund des konstruktiven Aufbaus verzichtet werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das mindestens eine Befestigungselement praktisch einen S-förmigen Querschnitt aufweist. Konkret ist dabei das Befestigungselement insbesondere als Profilkörper mit einem S-förmigen Profil bzw. Querschnitt ausgebildet, welches beispielsweise durch Biegen bzw. Kanten eines Blechs zu einem Profil hergestellt werden kann. Der Vorteil eines S-förmigen Profils als Befestigungselement liegt in der Nachgiebigkeit bzw. elastischen Verformbarkeit, insbesondere in Richtung der Längenänderung des Wärmetauschers, welche die Abdichtung und Befestigung gemäß dem Konzept der Erfindung ermöglicht.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das mindestens eine Befestigungselement einstückig umlaufend auf einer stirnseitigen, senkrecht zur Mittenachse ausgerichteten Gehäuse-Befestigungsfläche auf der Loslagerseite des Gehäuses angeordnet ist. Insbesondere beinhaltet dies konkret, dass das Befestigungselement als geschlossenes Profil den gesamten Umfang auf einer Gehäuse-Befestigungsfläche, welche auf der Stirnseite der Loslagerseite des Gehäuses angeordnet ist und in einer Ebene senkrecht zur Mittenachse angeordnet ist, umläuft. Hierbei ist der Begriff „geschlossen“ nicht auf den Querschnitt des S-förmigen Profils zu beziehen, sondern auf den Verlauf des gesamten Befestigungselements, insbesondere um den Umfang des Gehäuses auf der Gehäuse-Befestigungsfläche. Ein derartiges Profil kann auch durch das Biegen eines geraden Profils zu einem geschlossenen Profil und das stoffschlüssige Verbinden, insbesondere Kleben, Schweißen oder Löten, der beiden stirnseitigen Enden miteinander hergestellt werden. Der Vorteil eines geschlossenen Profils liegt darin, dass eine vollständige Dichtigkeit gewährleistet wird, insbesondere bei einem wiederum stoffschlüssigen Verbinden des Befestigungselements mit dem Gehäuse des Wärmetauschers und der außen liegenden Trägerstruktur. Auch kommen andere bekannte Ur- und Umformverfahren zur Herstellung eines einstückigen Befestigungselements in Frage.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Befestigung den Raum zwischen Gehäuse und Trägerstruktur praktisch vollständig abdichtet, insbesondere fluiddicht ausgebildet ist. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass durch eine einstückige Ausführung des Befestigungselements oder durch vollständig abdichtende Verbindungselemente zwischen einzelnen Befestigungselementen eine vollständige Abdichtung zwischen Gehäuse des Wärmetauschers und Trägerstruktur gewährleistet wird. Die vollständige Abdichtung führt zu dem Vorteil, dass die Effektivität und die zuverlässige Arbeitsweise des Wärmetauschers gewährleistet ist, insbesondere da kein Anteil des Fluids bzw. der Ladeluft, entweichen kann.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das mindestens eine Befestigungselement auf der Gehäuse-Befestigungsfläche befestigt wird mittels eines Verfahrens ausgewählt aus folgender Gruppe: Löten, Schweißen, Kleben, Klemmen, Verschrauben, oder dergleichen Füge- oder Verbindungsverfahren. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass die Befestigung des Gehäuses an die Trägerstruktur bei der Herstellung mittels eines der genannten Verfahren erfolgt. Eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch Kleben, Löten oder Schweißen, führt zu dem Vorteil einer verbesserten Abdichtung, insbesondere einer absoluten Dichtheit der Verbindung zwischen Gehäuse und Trägerstruktur; dies insbesondere ohne zusätzliche Dichtringe, Dichtungen oder dergleichen Dichtmittel. Eine wieder lösbare Verbindung, insbesondere durch Schrauben oder Klemmen, führt zu dem Vorteil, dass eine Demontage, insbesondere zur Wartung oder Instandsetzung, zerstörungsfrei erfolgen kann. Die Verbindungsverfahren werden dabei zur Herstellung einer insbesondere fluiddichten Verbindung sowohl zwischen Gehäuse-Befestigungsfläche und Befestigung, als auch zwischen Befestigung und Trägerstruktur angewandt. Hierbei ist es bei der Herstellung von wirtschaftlichem Vorteil, für sämtliche Verbindungen dasselbe Verbindungsverfahren einzusetzen; jedoch ist dies nicht zwingend notwendig. So kann, je nach technischen Erfordernissen, für eine Verbindung ein anderes Verbindungsverfahren gewählt werden als für eine andere Verbindung.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Befestigung eine Menge von Befestigungselementen, vorzugsweise vier Befestigungselemente, auf der Gehäuse-Befestigungsfläche zum Befestigen des Gehäuses an die Trägerstruktur aufweist. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass mehrere Befestigungselemente derartig auf der Gehäuse-Befestigungsfläche angeordnet sind, dass sie eine Form bilden. Insbesondere werden die vier Befestigungselemente derartig angeordnet, dass sich jeweils zwei praktisch gleich lange Befestigungselemente parallel gegenüberliegen und die beiden Gruppen der jeweils zwei parallelen Befestigungselemente senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Auf diese Weise wird eine rechteckige Form der Befestigung realisiert, die insbesondere der stirnseitigen Außenform des Gehäuses auf der Loslagerseite entspricht und somit eine besonders vorteilhafte Befestigung ermöglicht. Die Verbindung, insbesondere fluiddichte Verbindung der Befestigungselemente untereinander, kann über die weiterhin beanspruchten Verbindungsverfahren erfolgen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass einzelne Befestigungselemente, insbesondere bei Richtungsänderungen des Verlaufes der Befestigung auf der Gehäuse-Befestigungsfläche um einen Verbindungswinkel, über Verbindungselemente fluiddicht verbunden sind. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass zum Bilden der Befestigung einzelne Befestigungselemente über Verbindungselemente, beispielsweise Sonderbauteile, insbesondere fluiddicht miteinander verbunden sind. Derartige Verbindungselemente können über Steckverbindungen, oder stoffschlüssige Verbindungsverfahren, insbesondere durch Kleben, mit den Befestigungselementen zusammengeführt und verbunden werden. Eine solche Weiterbildung führt zu dem Vorteil, dass die Befestigungselemente standardmäßig parallele Stirnflächen aufweisen, welche über Verbindungselemente verbunden werden, um beispielsweise eine Richtungsänderung auf der Gehäuse-Befestigungsfläche um einen bestimmten Verbindungswinkel zu realisieren. Auf diese Weise wird der Bearbeitungsaufwand der Befestigungselemente bei der Herstellung in vorteilhafter Weise verringert, da bei der Bildung der Befestigungsgeometrie auf standardmäßig abgelängte Profile bzw. Profilschienen als Befestigungselemente zurückgegriffen werden kann.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass einzelne Befestigungselemente, insbesondere bei Richtungsänderungen des Verlaufes auf der Gehäuse-Befestigungsfläche, zur fluiddichten Verbindung einen dem Verbindungswinkel der Richtungsänderung entsprechenden Gehrungschnitt zur Herstellung einer Gehrungsverbindung aufweisen. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass zwei auf der Gehäuse-Befestigungsfläche aneinander angrenzende Profile an den zu verbindenden Stirnseiten unter einem Winkel abgelängt werden, der ihrer Anordnung zueinander entspricht und einen praktisch vollständigen Kontakt der beiden Stirnseiten und damit der beiden Profilquerschnitte erlaubt. Auf diese Weise wird, vor allem im Gegensatz zu beispielsweise einer Stoßverbindung zweier senkrecht zueinander angeordneter Befestigungselemente, vorteilhaft erreicht, dass praktisch zwei angrenzende Profilquerschnitte vollständig, das heißt über ihre gesamte Kontaktfläche, verbunden sind. Somit wird, insbesondere bei einer anschließenden, stoffschlüssigen Verbindung der beiden angrenzenden Profilquerschnitte, eine fluiddichte Verbindung zwischen Befestigungselementen erreicht, die keine zusätzlichen Verbdinungselemente benötigt.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher eine Rippen-Rohrbauweise aufweist. Dies beinhaltet insbesondere, dass das Kühlmedium durch Rohre geführt wird, und eine Übertragung von Wärme eines vorbeiströmenden, zu kühlenden Mediums, insbesondere eines Ladeluftstroms, an das Kühlmedium begünstigt wird. Somit wird erreicht, dass die Übertragung der Wärme des Wärmestroms aus der Ladeluft an das Kühlmedium durch die Rippen-Rohrbauweise begünstigt wird. Hierzu sind Rippen des Rippenrohrs besonders bevorzugt aus einem Material mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet. Bevorzugt kann ein in Rippen-Rohrbauweise ausgebildeter Wärmetauscher nach einem Kreuzstrom- oder einem Gegenstromprinzip funktionieren. Durch ein Kreuzstrom- oder Gegenstromprinzip funktionierende Wärmetauscher haben den Vorteil, dass Kühlmedium und zu kühlendes Medium relativ zueinander in unterschiedliche Richtungen strömen, dadurch wird insbesondere die Wärmeübertragung zwischen den Stoffströmen begünstigt. Generell sind aber auch andere Führungsformen der Stoffströme möglich, beispielsweise ein Gleichstromprinzip. Außerdem gelten für diese Weiterbildung die allgemeinen Vorteile eines Wärmetauschers in Rippen-Rohrbauweise, insbesondere ein geringeres Gewicht und geringere Material- und Herstellkosten, verglichen mit anderen Bauformen wie beispielsweise Wärmetauschern in Paketbauweise.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das mindestens eine Befestigungselement mit einer im Wesentlichen in Richtung der Mittenachse (M) wirkenden Vorspannung, insbesondere Zugspannung, beaufschlagt wird. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass der Wärmetauscher bei der Montage mittels der Befestigung derartig befestigt wird, dass er unter einer in Richtung der Mittenachse wirkenden Spannung, insbesondere Zugspannung steht. Diese Spannungsbeaufschlagung ist derartig ausgelegt, dass im Betrieb des Wärmetauschers und der damit verbundenen Temperaturzunahme und Längenausdehnung des Wärmetauschers die Vorspannung abnimmt und somit ein spannungsarmer, insbesondere spannungsloser Zustand unter Betriebsbedingungen eintritt. Auf diese Weise wird erreicht, dass ein ansonsten durch die Längenänderung bzw. -ausdehnung hervorgerufener Druckzustand des Wärmetauschers, und damit auf die Befestigung wirkende Druckkräfte, in vorteilhafter Weise vermieden werden.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf einen Ladeluftkühler, insbesondere Buntmetall-Ladeluftkühler, mit einem Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10. Bei dem Ladeluftkühler werden die Vorteile des Wärmetauschers gemäß dem Konzept der Erfindung vorteilhaft genutzt.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

1 einen Wärmetauscher gemäß dem Konzept der Erfindung in einer besonders bevorzugten Weiterbildung,
2 ein Detail der Befestigung in der Weiterbildung,
3A eine schematische Einzeldarstellung eines Befestigungselements gemäß dem Konzept der Erfindung,
3B eine Darstellung einer Befestigung in einer weiteren bevorzugten Weiterbildung,
4A eine Darstellung einer Befestigung in noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung,
4B - D jeweils schematische Darstellungen von bevorzugten Weiterbildungen von Verbindungselementen.

1 zeigt einen Wärmetauscher 100 gemäß dem Konzept der Erfindung in einer besonders bevorzugten Weiterbildung. Dargestellt ist der Wärmetauscher 100 als Teil eines Ladeluftkühlers 1000 in einer Schnittdarstellung. Gemäß dem Prinzip eines Wärmetauschers durchströmt ein Strom eines zu temperierenden Fluids, in diesem Falle ein Ladeluftstrom 128, den Wärmetauscher 100. Hierzu tritt der Ladeluftstrom 128 über einen Ladelufteintritt 120 in den Wärmetauscher 100 ein und über einen Ladeluftaustritt 122 aus dem Wärmetauscher 100 hinaus.
Weiterhin durchströmt ein temperierendes Fluid, in diesem Falle eine Kühlmittelstrom 130 den Wärmetauscher 100 und insbesondere Wärmetauschelemente 160. Diese Wärmetauschelemente 160 können beispielsweise als Rohre ausgebildet sein, welche über an diese Rohre angeschlossene Rippen einen Wärmetausch realisieren. Vorliegend tritt der Kühlmittelstrom 130 über einen Kühlmitteleintritt 124 in den Wärmetauscher 100 ein, und über einen Kühlmittelaustritt 126 aus dem Wärmetauscher 100 hinaus.
In der hier dargestellten Schnittdarstellung ist ein Schnitt entlang der Mittenachse M dargestellt. Entlang dieser Mittenachse M tritt vornehmlich eine durch Wärmeentwicklung bedingte und mittels einer Befestigung gemäß dem Konzept der Erfindung zu kompensierende Längenausdehnung auf.
Der Wärmetauscher 100 ist weiterhin an einer Trägerstruktur 400 befestigt. Diese Trägerstruktur kann beispielsweise Teil eines Ladeluftkühlers 1000 sein oder ein eigenständiger, selbsttragender Gehäuseabschnitt des Wärmetauschers 100. Vorliegend ist die Trägerstruktur 400 abschnittsweise sowohl an einer Festlagerseite F als auch an einer Loslagerseite L dargestellt. Ein Gehäuse 200 bildet mit der Trägerstruktur 400 einen praktisch fluiddicht umschlossenen Raum, welcher lediglich am Ladelufteintritt 122 und am Ladeluftaustritt 124 zum Ein- und Austreten des Ladeluftstroms 128 geöffnet ist.
Die Festlagerseite F bezeichnet hierbei jene Seite des Wärmetauschers 100, an dem der Wärmetauscher 100 bzw. die Wärmetauschelemente 160 fest mit der Trägerstruktur 400 verbunden sind. Dahingegen bezeichnet die Loslagerseite L jener Seite des Wärmetauschers 100, an dem der Wärmetauscher 100 bzw. das Gehäuse 200 gemäß dem Prinzip einer Loslagerung, also beweglich mittels einer Befestigung 300, verbunden ist. Zu dieser Beweglichkeit zählt insbesondere eine begrenzte Bewegungsfreiheit, welche insbesondere in Richtung der Längenausdehnung, also in Richtung der Mittenachse M, durch eine Nachgiebigkeit der Befestigung 300 gemäß dem Konzept der Erfindung erreicht wird.
2 zeigt eine detaillierte Ansicht der Weiterbildung mit einem Ausschnitt der Schnittdarstellung an der Loslagerseite L des Gehäuses 200. Dargestellt ist ein Befestigungselement 320 als Teil der Befestigung 300. In der hier dargestellten Schnittansicht ist das S-förmige Profil des Befestigungselements sichtbar.
Auf der Seite des Gehäuses 200 ist das Befestigungselement 320 an einer Gehäuse-Befestigungsfläche 220 befestigt. Hierzu stehen Befestigungselement 320 und Gehäuse-Befestigungsfläche 220 in einer Gehäuse-Befestigungszone 222 in Kontakt. Diese Gehäuse-Befestigungszone 222 ist vorliegend stoffschlüssig als Schweißverbindung ausgebildet. Gleichwohl sind für die Befestigung durch Bildung einer Gehäuse-Befestigungszone weitere Befestigungsverfahren denkbar, insbesondere Löten, Kleben, Verschrauben oder Klemmen.
Weiterhin ist das Befestigungselement 320 auf der Seite der Trägerstruktur an eine Trägerstruktur-Befestigungsfläche 420 befestigt. Hierzu steht das Befestigungselement 320 in einer Trägerstruktur-Befestigungszone 422 mit der Trägerstruktur-Befestigungsfläche 420 in Kontakt. Die Trägerstruktur-Befestigungsfläche 420 wird vorliegend ebenfalls als Schiebeboden bezeichnet. Analog zu der Seite des Gehäuses 200 und insbesondere der Gehäuse-Befestigungszone 222 ist die Trägerstruktur-Befestigungszone 420 vorliegend stoffschlüssig als Schweißverbindung ausgebildet. Gleichwohl sind für die Befestigung durch Bildung einer Gehäuse-Befestigungszone weitere Befestigungsverfahren denkbar, insbesondere Löten, Kleben, Verschrauben oder Klemmen.
Durch das S-förmige Profil des Befestigungselements 320 wird eine Nachgiebigkeit der Befestigung 300 insbesondere in Richtung der Mittenachse M erreicht. Hierdurch ist gemäß dem Konzept der Erfindung eine Kompensation von Längenausdehnungen des Wärmetauschers 100 und insbesondere des Gehäuses 200 möglich, und zwar ohne dass es zu einer direkten Relativbewegung zwischen zwei im Reibkontakt stehenden Elementen, insbesondere des Gehäuses 200 und der Trägerstruktur 400, kommt. Diese Nachgiebigkeit der Befestigungselemente 320 wirkt sich daher positiv auf das Verschleißverhalten und somit den Wartungsbedarf des Wärmetauschers 100 bzw. des Ladeluftkühlers 1000 aus.
Weiterhin wird, trotz dieser Nachgiebigkeit, durch die Form und Anordnung der Befestigungselemente 120, sowie deren vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung mit dem Gehäuse 200 bzw. der Trägerstruktur 400, eine Dichtigkeit des Wärmetauschers 100 langfristig erreicht.
3A zeigt eine schematische Einzeldarstellung eines Befestigungselements 320 gemäß dem Konzept der Erfindung. Hierbei ist sowohl linksseitig das S-förmige Profil des Befestigungselements 320 in einer Schnittdarstellung gezeigt, als auch rechtsseitig eine um 90° gedrehte Draufsicht einer der Gehäuse-Befestigungsfläche 220 zugewandten Seite, insbesondere der sich zwischen Befestigungselement 320 und Gehäuse-Befestigungsfläche 220 bildende Gehäuse-Befestigungszone 222.
3B zeigt eine schematische Draufsicht einer Befestigung 300 in einer weiteren bevorzugten Weiterbildung mit Blickrichtung entlang der Mittenachse M. Vorliegend wird die Befestigung 300 gebildet aus einer Gesamtheit von vier Befestigungselementen 320a, 320b, 320c und 320d, wobei Befestigungselement 320a parallel zu Befestigungselement 320c, und Befestigungselement 320b parallel zu Befestigungselement 320d ausgerichtet sind, wodurch sich eine Rechteckform der Befestigung 300 ergibt. Die Verbindung zwischen zwei Befestigungselementen 320 ist vorliegend exemplarisch anhand der Verbindung zwischen den Befestigungselementen 320a und 320b dargestellt.
Vorliegend sind die jeweils miteinander in Kontakt tretenden stirnseitigen Enden der Befestigungselemente 320a und 320b mit einem Gehrungschnitt versehen. Der Gehrungschnitt wird an dem jeweiligen Befestigungselement 320a, 320b in einem Gehrungswinkel vorgenommen, welcher in Abhängigkeit eines Verbindungswinkels V der beiden Befestigungselemente 320a und 320b zueinander gewählt wird. Die Beziehung zwischen Verbindungswinkel V und Gehrungwinkel G lautet: $G = \frac{1}{2} * V .$
Vorliegend beträgt der Verbindungswinkel 90° und folglich der Gehrungswinkel 45°. Gleichwohl sind jedoch auch andere Verbindungswinkel denkbar, beispielsweise bei der Bildung einer Befestigung 300 aus einer größeren Anzahl an Befestigungselementen 320. Auch ist die gerade Verbindung von zwei Befestigungselementen 320 möglich; in diesem Falle würde der Verbindungswinkel V=180° betragen. Wichtig ist im jeden Falle, insbesondere zur Sicherstellung der Dichtigkeit, dass sich gemäß der dargestellten Beziehung der Verbindungswinkel V aus zwei gleich großen Gehrungswinkeln G zusammensetzt. Auf diese Weise wird nämlich gewährleistet, dass die Profilquerschnitte beider zu verbindenden Befestigungselemente 320 praktisch deckungsgleich sind und somit insbesondere mittels im Folgenden noch näher dargestellten Verbindungselementen eine fluiddichte Verbindung zwischen beiden Befestigungselementen 320 hergestellt wird.
4A zeigt weiterhin eine Detailansicht einer Befestigung 300 in noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung. Die Ansicht zeigt einen Ausschnitt einer Verbindung von zwei Befestigungselementen 320a, 320b. Vorliegend beträgt der Verbindungswinkel V = 90° und folglich der Gehrungswinkel G = 45°. Die Kontaktflächen 322a, 322b der jeweiligen Befestigungselemente 320a, 320b sind, im Unterschied zu der in 3B gezeigten Weiterbildung, nicht direkt in einer Gehrungsebene GE verbunden, sondern über ein sich in der Gehrungsebene GE angeordnetes Verbindungselement 340. Dieses Verbindungselement 340 kann aus einem vergleichsweise formstabilen, jedoch flexiblem, insbesondere elastisch verformbaren, Material gebildet sein. Weiterhin ist bei der Materialwahl für das Verbindungselement 340 auf eine ausreichende Hitzebeständigkeit zu achten. Vorliegend ist das Verbindungselement 340 aus hitzebeständigem Kunststoff gebildet. Das Verbindungselement 340 weist zwei jeweils praktisch parallel zur Gehrungsebene GE verlaufende Dichtungskontaktflächen 324a, 324b auf, welche jeweils mit den Kontaktflächen 322a, 322b in direktem, das heißt berührenden, Kontakt stehen. Die hier dargestellten Spalte zwischen sowohl der Kontaktfläche 322a und der Dichtungskontaktfläche 324a als auch der Kontaktfläche 322b und der Dichtungskontaktfläche 324b dienen lediglich der Verdeutlichung der einzelnen Flächen und sind in der tatsächlichen Weiterbildung nicht vorhanden. In der tatsächlichen Weiterbildung sind sämtliche Kontaktflächen 322a, 322b mit den jeweiligen Dichtungskontaktflächen 324a, 324b berührend, insbesondere fluiddicht, verbunden. Diese Verbindung kann stoffschlüssig, insbesondere durch Verkleben, hergestellt werden. Hierzu wird entweder auf die Kontaktflächen 322a, 322b oder auf die Dichtungskontaktflächen 324a, 324b oder auf beide Klebstoff aufgetragen, der nach dem Verbinden von den Befestigungselementen 320a, 320b mit dem Verbindungselement 340 aushärtet. Auf diese Weise ist eine dauerhafte, fluiddichte Verbindung der Befestigungselemente 320a, 320b möglich. „Aushärten“ bzw. „aushärtbar“ bedeutet im Kontext dieser Beschreibung, dass die Masse sich zwar verfestigt, jedoch insbesondere weiterhin dauerhaft flexibel, insbesondere elastisch verformbar bleibt.
Weiterhin ist es möglich, das Verbindungselement 340 kraft-, bzw. reibschlüssig zwischen den Kontaktflächen 322a, 322b zu halten, insbesondere indem die Befestigungselemente 320a, 320b vor der Befestigung auf die Gehäuse-Befestigungsfläche 220 bzw. auf die Trägerstruktur-Befestigungsfläche 420 derartig angeordnet werden, insbesondere an den Kontaktflächen 322a, 322b zusammengedrückt werden, dass das Verbindungselement 340 kraft-, bzw. reibschlüssig zwischen den Kontaktflächen 322a, 322b gehalten wird. In diesem Zustand können die Befestigungselemente 320a, 320b dann anschließend an der Gehäuse-Befestigungsfläche 220 bzw. der Trägerstruktur-Befestigungsfläche 420 befestigt werden.
Gleichwohl ist es möglich und vorteilhaft, dass das Verbindungselement 340 nicht als formstabiles Teil, sondern ausschließlich aus einer Klebmasse oder aushärtbaren Dichtmasse gebildet wird. In diesem Falle wird die Klebemasse oder dicht Masse auf einer der beiden Kontaktflächen 322a, 322b oder auf beiden Kontaktflächen 322a, 322b, aufgetragen, und die Befestigungselemente 320a, 320b dann zusammengefügt. Das Zusammenfügen einzelner Befestigungselemente 320, insbesondere eines aus vier Befestigungselementen 320a, 320b, 320c, 320d bestehenden Rahmens kann vor der Befestigung auf der Gehäuse-Befestigungsfläche 220 erfolgen, so dass die Befestigungselemente 320a, 320b, 320c, 320d insbesondere als ein einzelnes Bauteil vereinfacht gehandhabt und befestigt werden können. Gleichwohl ist es jedoch auch möglich, die Befestigungselemente 320a, 320b, 320c, 320d zunächst auf der Gehäuse-Befestigungsfläche 220 bzw. der Trägerstruktur-Befestigungsfläche 420 anzuordnen oder zu befestigen, und anschließend die Verbindungselemente 340 zwischen den Kontaktflächen 322 anzuordnen. Bei Weiterbildungen, bei denen die Verbindungselemente 340 aus aushärtbarer Dichtungs- oder Klebmasse 326 gebildet sind, ist es auch möglich, die aushärtbare Dichtungs- oder Klebmasse 326 auf die Kontaktflächen 322 aufzutragen, anschließend die Befestigungselemente 320 auf der Gehäuse-Befestigungsfläche 220 bzw. auf der Trägerstruktur-Befestigungsfläche 420 zu befestigen und somit die Verbindung anschließend aushärten zu lassen.
4B zeigt eine Weiterbildung eines Verbindungselements 340'. Dieses weist einen umgekehrt S-förmigen Querschnitt auf. Somit entsprechen die beiden Dichtungskontaktflächen des Verbindungselements 340', von denen hier lediglich die vordere Dichtungskontaktfläche 324' sichtbar ist, im Wesentlichen den Kontaktflächen 322a, 322b. Dies führt dazu, dass die Befestigungselemente 320a, 320b, in ihrem Kontaktbereich, der sich im Wesentlichen in der Gehrungsebene GG befindet, im montierten Zustand vollständig von dem Verbindungselement 340' berührt werden und die Verbindung zwischen den Befestigungselementen 320a, 320b somit fluiddicht abgedichtet wird.
4C zeigt eine weitere Weiterbildung eines Verbindungselement 340". Im Gegensatz zu der in 4B gezeigten Weiterbildung weist das 4C dargestellte Verbindungselement 340" eine einfachere Geometrie, nämlich die eines Quaders, auf. Das Verbindungselement 340" kann ebenfalls aus einem formstabilen, jedoch elastisch verformbaren Material gebildet sein. In dieser Darstellung ist ebenfalls nur die vordere Dichtungskontaktfläche 324" sichtbar.
Die einfachere Geometrie führt insbesondere zu dem Vorteil, dass das Verbindungselement 340" - bei vergleichbarer Funktionalität - einfacher und somit kostengünstiger herzustellen ist.
4D zeigt noch eine weitere Weiterbildung eines Verbindungselements 340"'. Vorliegend ist das Verbindungselement 340"' nicht aus einem formstabilen Material, sondern aus einer insbesondere auf die Kontaktflächen 322 der Befestigungselemente 320 auftragbaren, aushärtbaren Dichtungs- oder Klebmasse 326 gebildet. Diese kann insbesondere bevor die Befestigungselemente 320 untereinander montiert werden, auf die jeweiligen Kontaktflächen 322 aufgetragen werden und anschließend aushärten. Das Aushärten kann weiterhin erfolgen, bevor oder nachdem die Gesamtheit der vormontierten Befestigungselemente auf der Gehäuse-Befestigungsfläche 220 bzw. auf der Trägerstruktur-Befestigungsfläche 420 befestigt werden.
Weiterhin ist es möglich, die in den 4B, 4C und 4D gezeigten Ansätze zu kombinieren, insbesondere ein in 4B oder 4C gezeigtes, formstabiles Verbindungselement über eine in 4D dargestellte Kleb- oder Dichtungsmasse 326 an den jeweiligen Kontaktflächen 322 der zu verbindenden Befestigungselemente 320 zu befestigen. Auf diese Weise würden die Verbindungselemente 340 praktisch mit den zu verbindenden Befestigungselementen 320 verklebt.
Bezugszeichenliste

100: Wärmetauscher
120: Ladelufteintritt
122: Ladeluftaustritt
124: Kühlmitteleintritt
126: Kühlmittelaustritt
128: Ladeluftstrom
130: Kühlmittelstrom
160: Wärmetauschelement
200: Gehäuse
220: Gehäuse-Befestigungsfläche
222: Gehäuse-Befestigungszone
300: Befestigung
320, 320a, 320b: Befestigungselement
322, 322a, 322b: Kontaktfläche
324, 324a, 324b: Dichtungskontaktfläche
340: Verbindungselement
400: Trägerstruktur
420: Trägerstruktur-Befestigungsfläche, Schiebeboden
422: Trägerstruktur-Befestigungszone
1000: Ladeluftkühler
F: Festlagerseite
G: Gehrungswinkel
GE: Gehrungsebene
L: Loslagerseite
M: Mittenachse
P, PA, PB: Profilachse
V: Verbindungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009012509 A1 [0002]

Claims

Wärmetauscher (100), insbesondere für einen Ladeluftkühler (1000), aufweisend - eine Menge von Wärmetauschelementen (160), - ein die Wärmetauschelemente (160) einhausendes Gehäuse (200) mit einer Festlagerseite (F) und einer in Richtung einer Mittenachse (M) gegenüberliegenden Loslagerseite (L), - eine mindestens ein Befestigungselement (320) aufweisende Befestigung (300) zum Befestigen des Gehäuses (200) auf der Loslagerseite (L) an eine Trägerstruktur (400), dadurch gekennzeichnet, dass - das mindestens eine Befestigungselement (320) nachgiebig, insbesondere zur Kompensation von Längenänderungen in Richtung der Mittenachse (M), ausgebildet ist.
Wärmetauscher (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Befestigungselement (320) praktisch einen S-förmigen Querschnitt aufweist.
Wärmetauscher (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Befestigungselement (320) einstückig umlaufend auf einer stirnseitigen, senkrecht zur Mittenachse (M) ausgerichteten Gehäuse-Befestigungsfläche (220) auf der Loslagerseite (L) des Gehäuses (200) angeordnet ist.
Wärmetauscher (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung (300) den Raum zwischen Gehäuse (200) und Trägerstruktur (400) praktisch vollständig abdichtet, insbesondere fluiddicht ausgebildet ist.
Wärmetauscher (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Befestigungselement (320) auf der Gehäuse-Befestigungsfläche (220) befestigt wird mittels eines Verfahrens ausgewählt aus folgender Gruppe: Löten, Schweißen, Kleben, Klemmen, Verschrauben, oder dergleichen Füge- oder Verbindungsverfahren.
Wärmetauscher (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung (300) eine Menge von Befestigungselementen (320), vorzugsweise vier Befestigungselemente (320), auf der Gehäuse-Befestigungsfläche (220) zum Befestigen des Gehäuses (200) an die Trägerstruktur (400) aufweist.
Wärmetauscher (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Befestigungselemente (320), insbesondere bei Richtungsänderungen des Verlaufes der Befestigung (300) auf der Gehäuse-Befestigungsfläche (220), über Verbindungselemente (340) fluiddicht verbunden sind.
Wärmetauscher (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Befestigungselemente (320), insbesondere bei Richtungsänderungen des Verlaufes auf der Gehäuse-Befestigungsfläche (220), zur fluiddichten Verbindung einen dem Verbindungswinkel der Richtungsänderung entsprechenden Gehrungschnitt zur Herstellung einer Gehrungsverbindung aufweisen.
Wärmetauscher (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine Rippen-Rohrbauweise aufweist.
Wärmetauscher (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Befestigungselement (320) mit einer im Wesentlichen in Richtung der Mittenachse (M) wirkenden Vorspannung, insbesondere Zugspannung, beaufschlagt wird.
Ladeluftkühler (1000), insbesondere Buntmetall-Ladeluftkühler, mit einem Wärmetauscher (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.