DE4309360C2 - Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizungswärme­ tauscher für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiger Heizungswärmetauscher für Kraftfahr­ zeuge ist aus der EP-A2-0 437 825 bekannt. Dabei dient das je­ weilige Einsatzstück als Leitelement, das auf das Strömungsver­ halten des im Heizungswärmetauscher strömenden Mediums, im all­ gemeinen Wasser mit Zusätzen, als turbulenzerzeugendes Leitele­ ment einwirkt, insbesondere um eine Drallströmung zu erzeugen. Das Leitelement ist dabei von einer schraubenlinienförmigen Führungsfläche für das strömende Medium gebildet. Einer Drosse­ lung der Strömung wird dadurch entgegengewirkt, daß im Bereich des Einsatzstückes der Querschnitt des Rohres aufgeweitet ist.

Auch ein anderer bekannter Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge gemäß der US 4 739 828 verwirklicht die Merk­ male des Oberbegriffs von Anspruch 1, jedoch mit folgender Aus­ nahme: Bei diesem bekannten Heizungswärmetauscher ist nicht daran gedacht, das Einsatzstück jeweils als ein auf das Strö­ mungsverhalten des strömenden Mediums im Rohr einwirkendes Ele­ ment auszubilden. Zwar ist das Einsatzstück mit Querverstrebun­ gen versehen, die bei einem ovalen oder flachen Rohrquerschnitt zur inneren Aussteifung vorgesehen sind. Einer drosselnden Aus­ wirkung dieser Aussteifungen wird hier auch durch eine Quer­ schnittserweiterung des Rohres entgegengewirkt.

Ganz allgemein wurde es bisher als unerwünscht ange­ sehen, den lichten Querschnitt der Einmündung der Rohre in den Rohrboden eines Wasserkastens eines Heizungswärmetauschers für Kraftfahrzeuge zu drosseln, da jeder derartige Druckverlust zwangsläufig Leistung der Umlaufpumpe für das strömende Medium im Heizungswärmetauscher kostet.

Nun gibt es aber Bauformen von Heizungswärmetauschern für Kraftfahrzeuge, bei denen die Anschlußgeometrie an die Was­ serkästen, insbesondere an der Wassereinleitseite, sekundär aber auch an der Wasserausleitseite, zu einer unterschiedlichen Wasserbeaufschlagung der einzelnen Rohre des Rohrbündels führt. Hauptursachen einer solchen Ungleichmäßigkeit sind dabei die beiden folgenden: Zum einen kommt es immer dann zu einer un­ gleichmäßigen Wasserzuführung, wenn der Strömungswiderstand im Wasserkasten vergleichbar wie oder gar größer ist als der Strö­ mungswiderstand im Rohrbündel. Zum anderen besteht auch eine Abhängigkeit von der Eintrittsgeschwindigkeit in den Wasserka­ sten. Bei geringer Eintrittsgeschwindigkeit besteht eher eine Neigung zu einer bevorzugten Wasserbeaufschlagung der dem Ein­ laß nahen Rohre, während bei einer hohen Einlaßgeschwindigkeit es zu Staudruckerscheinungen an den dem Einlaß gegenüberliegen­ den Wandbereichen des Wasserkastens führt, mit der Folge, daß dann eher eine größere Wasserbeaufschlagung an den dem Einlaß fernen Rohren erfolgt.

Besonders kritisch sind die Verhältnisse bei bekann­ ten Geometrien, bei denen das im Heizungswärmetauscher strö­ mende Wasser längs der Strömungsrichtung der als äußeres Wärme­ tauschmedium dienenden Luft eingeleitet und gegebenenfalls auch wieder ausgeleitet wird. Dies gilt beispielsweise für solche Bauarten von Heizungswärmetauschern für Kraftfahrzeuge, bei de­ nen ein einziger Zulaufanschluß mittig an einem zulaufseitigen Wasserkasten angeordnet ist und gegebenenfalls der ablaufsei­ tige Wasserkasten zur unterschiedlichen Klimatisierung von Fah­ rer- und Beifahrerhälften im Kraftfahrzeug in zwei Abteilungen unterteilt ist, die je mit einem Ablaufanschluß versehen sind. Ähnliche Erscheinungen würden sich auch dann ergeben, wenn auf eine Querunterteilung in Fahrer- und Beifahrerseite verzichtet ist. In beiden genannten Fällen ist es üblich, bei vertikaler Anordnung des Rohrbündels einen unteren Wasserkasten zulaufsei­ tig einzusetzen, um ständig einen Verdrängungseffekt von Luft­ blasen durch Transport von unten nach oben zu erreichen. In diesem Falle sind alle Rohre des Rohrbündels parallelgeschal­ tet, so daß der Druckverlust im Rohrbündel relativ gering und vergleichbar dem Druckverlust im zulaufseitigen (und auch im ablaufseitigen) Wasserkasten ist.

Bei derartigen Heizungswärmetauschern für Kraftfahr­ zeuge hat man in den letzten Jahren einige kostenträchtige An­ strengungen unternommen, für eine gleichmäßige Wasserbeauf­ schlagung aller Rohre des Rohrbündels zu sorgen.

Bei der bekannten Bauart eines Heizungswärmetauschers mit nur einem mittigen Zulaufanschluß am unteren zulaufseitigen Wasserkasten und einer auf getrennte Klimatisierung von Fahrer- und Beifahrerseite des Kraftfahrzeugs abgestellten Abteilungs­ trennung des ablaufseitigen oberen Wasserkastens hat man nur im eintrittsseitigen, also unteren, Wasserkasten ein zusätzliches Verteilblech eingelegt, welches die Wassermenge pro Zeiteinheit der dem Zulauf nahen Rohre des Rohrbündels an die Wassermenge pro Zeiteinheit der dem Zulaufanschluß fernen Rohre des Rohr­ bündels angleichen soll. Diese Angleichung nimmt dabei jedoch einen an sich unerwünschten Druckverlust bereits an den dem Zu­ laufanschluß nahen Rohren des Rohrbündels in Kauf.

Die Kosten von Herstellung und Montage eines solchen Verteilblechs betragen größenordnungsmäßig 3% der Herstel­ lungskosten des ganzen Heizungswärmetauschers. Das ist ein doch recht gravierender Kostenanteil, wenn man bedenkt, daß Hei­ zungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge den Charakter von Massen­ artikeln, mindestens von Großserienartikeln, haben. So kann ei­ ne einzige Bauart eines solchen Heizungswärmetauschers für ein einziges Modell eines Kraftwagens nur eines Herstellers Stück­ zahlen von jährlich mehr als 100 000 erreichen. Bei dem in An­ gesicht der Rezession im Kraftfahrzeugbau besonders starken Wettbewerb zwischen Kraftfahrzeugzulieferern ist daher ein An­ teil von 3% an den Gesamtkosten außerordentlich hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen al­ ternativen Weg zur Lösung der genannten Probleme ungleichmäßi­ ger innerer Wasserzuführung zu den einzelnen Rohren eines Hei­ zungswärmetauschers für Kraftfahrzeuge anzugeben, welcher deut­ lich kostengünstiger ist und zudem die Möglichkeit schafft, selbst bei Bauarten von Heizungswärmetauschern für Kraftfahr­ zeuge der diskutierten, besonders problematischen Art die Was­ serzufuhr pro Zeiteinheit nur dort zu reduzieren, wo es ohne zusätzliche Maßnahmen zu einem Überangebot an Wasser kommen könnte. Letzteres ist, wie gesagt, zum Beispiel bei Rückstauer­ scheinungen der Fall.

Diese Aufgabe wird bei einem Heizungswärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch l durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Die durch die Erfindung gegebene Kosteneinsparung be­ ruht vor allem darauf, daß die Verteilmaßnahmen für das die einzelnen Rohre des Rohrbündels beaufschlagende Wasser an einem Bauteil vorgenommen werden, das sowieso für den Heizungswärme­ tauscher geformt werden muß. Das ermöglicht es, auf das bisher bei den genannten schwierigen Bauarten eingesetzte Verteilblech und dessen Herstellungs- und Montagekosten gänzlich zu verzich­ ten. Dabei wird nunmehr bewußt eine Drosselung des freien Rohr­ querschnitts im Bereich des Rohrbodens des jeweiligen Wasserka­ stens entgegen aller bisherigen Denkweise vorgenommen. Grund­ sätzlich ist es dabei sogar möglich, alle Rohre des Rohrbündels abzudrosseln, und sei es auch nur jeweils in relativ geringem Maße in Abhängigkeit von der jeweils verfügbaren Förderleistung der Umlaufpumpe des inneren Wärmetauschmediums des Heizungswär­ metauschers. Bevorzugt wird jedoch sogar eine solche Abdrosse­ lung nur in ausgewählten Rohren des Rohrbündels bei sonst unge­ drosselt bleibendem freien Querschnitt der übrigen Rohre des Rohrbündels vorgenommen, und zwar dann mit dem Ziel, solche Rohre, die von vornherein genügend Wasserzufuhr erhalten, ohne zusätzliche Maßnahmen mit Wasser zu beaufschlagen und lediglich solche Rohre, die sonst mit einem Übermaß an Wasser versorgt werden, in der Zufuhr des Wassers zu drosseln.

Die erfindungsgemäße Maßnahme zur Wasserverteilung auf die einzelnen Rohre des Rohrbündels wirkt sich kostenmäßig lediglich in dem ganz geringfügig größeren Materialverbrauch für die drosselnde bzw. den freien Querschnitt im Bereich des Rohrbodens einengende Ausbildung des jeweils überhaupt nur drosselnd eingesetzten Einsatzstückes aus, und zusätzliche Mon­ tagekosten treten überhaupt nicht auf. Bei der Formgebung kön­ nen die bisher verwendeten Formen eingesetzt werden; man kann nämlich die Drosselausbildung in den Bereich der Formtrennebene legen, so daß also auch keine erhöhten Werkzeugkosten auftre­ ten. Wegen der bei weitem größeren Variabilität und der Mög­ lichkeit, etliche Rohre des Rohrbündels ohne jede Zusatzmaßnah­ me zu lassen, ergibt sich für die nach der Erfindung vorgesehe­ nen Verteilungsmaßnahmen eine Kosteneinsparung in der Größen­ ordnung von sogar zwei Größenordnungen gegenüber den Herstel­ lungs- und Montagekosten des konventionellen zusätzlichen Ver­ teilblechs.

Die Auslegung eines erfindungsgemäßen Heizungswärme­ tauschers auf eine optimierte Soll-Druckverlustverteilung wird zweckmäßig experimentell gewonnen. Als Bezugsgröße geht man zweckmäßig von einer solchen Auslegung aus, bei welcher die Einsatzstücke in Rohrabschnitte ragen, die ebenso wie beim Stand der Technik etwas aufgeweitet sind, so daß bei dieser Geometrie noch kein oder nur ein bestimmter geringer Druckver­ lust entsteht. Es ist dabei nicht unbedingt erforderlich, die Soll-Druckverlustverteilung exakt zu erreichen, da bereits eine Annäherung an die Idealvorstellung die Zielvorstellung erfüllt, die verschiedenen Rohre des Bündels einigermaßen gleichmäßig mit Wasser zu beaufschlagen und für diese Maßnahme möglichst wenig Material- und Montageaufwand zu betreiben.

Die Erfindung ist primär für das auch dem bekannten Verteilblech unterliegende Ziel entwickelt worden, alle Rohre gleichmäßig oder wenigstens vergleichmäßigt mit Wasser zu be­ aufschlagen (Anspruch 2). Diese Lösungsmöglichkeit bietet gera­ de auch dann Vorteile, wenn man vom unteren Bereich des Hei­ zungswärmetauschers Heizluft für den Fußbereich und vom oberen Bereich des Heizungswärmetauschers Heizluft für den Kopfbereich im Fahrzeug ableiten möchte. Dann kommt es nicht wie bisher bei ungleichmäßiger Beaufschlagung der Rohre des Rohrbündels, die vom zulaufseitigen unteren Wasserkasten zum ablaufseitigen obe­ ren Wasserkasten vertikal verlaufen, zu einer Temperaturvertei­ lung mit Durchschlagen einer heißen Zone bis in den oberen Be­ reich des Heizkörpers in der mittleren Zone des Bündels. Derar­ tiges wird durch die Vergleichmäßigung zuverlässig vermieden, auch wenn es nicht exakt zu gleicher Rohrbeaufschlagung kommt.

Man kann aber aus anderen Gründen auch irgendeine an­ dere Soll-Druckverlustverteilung anstreben bzw. einstellen, um bestimmte Bereiche des Wärmetauschers bewußt mit mehr Wasser­ menge pro Zeiteinheit zu beaufschlagen, um dort eine größere Wärmeleistung zu erzeugen. Ein Beispiel wäre eine erhöhte Wär­ meleistungserzeugung in Randbereichen des Wärmetauschers. An­ spruch 3 bietet hierzu eine Möglichkeit.

Die Ansprüche 4 und 5 betreffen zwei bevorzugte An­ wendungsfälle für die Erfindung bei bekannten Konstruktionen von Wasserkästen. So betrifft Anspruch 4 den bekannten Fall, daß das Einsatzstück schon integraler Bestandteil des Rohrbo­ dens des Wasserkastens ist (US 4 739 828). Anspruch 5 be­ trifft den Fall der EP-A2-0 437 825, von dem die Erfindung aus­ geht. Bei diesem bekannten Wasserkasten ist eine Grundplatte des Wasserkastens mit einem gesondert gefertigten Bauteil zum Rohrboden des Wasserkastens vereint. Das gesondert gefertigte Bauteil umfaßt verschiedene Hülsenteile, die in Öffnungen des Bodenteils des Wasserkastens unter Einschließen der Rohrenden mit Preßsitz eingedrückt werden können und untereinander durch eine Stegstruktur zu einem einzigen vorgefertigten Bauteil ver­ eint ist.

In beiden bekannten Fällen kann man die Erfindung entweder bei der Fertigung des integralen Rohrbodens oder bei der Fertigung des gesonderten Bauteils von vornherein bei der Formgebung mit gewinnen, ohne daß zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich sind.

Besonders bequem ist dabei die Ausführung der Erfin­ dung, wenn die Einsatzstücke an einem aus spritzbarem Kunst­ stoff bestehenden Bauteil des Wasserkastens ausgebildet sind, was bei den bekannten Fällen eines integralen Rohrbodens oder eines gesonderten Bauteils auch schon Stand der Technik ist.

Die Erfindung ermöglicht es ferner, die an sich bei der Bauform der EP-A2-0 437 825 schon bekannten Gesichtspunkte, daß die Einsatzstücke als turbulenzerzeugende Leitelemente, und zwar insbesondere zur Erzeugung einer Drallströmung, geformt sind, mit der erfindungsgemäßen Auslegung als Drosselelemente zu kombinieren.

So kann man z. B. konstruktiv einfach an die bekannte Ausführungsform der Einsatzstücke als in das Rohrende eingreifende Hülsenteile anknüpfen und dementsprechend die drosselnden Elemente aus über den Umfang des Hül­ senteils verteilte und jeweils nach innen abstehende Fortsätze bilden. Hierbei wird eine normale Lochblende in einzelne über den Umfang verteilte und außen gehaltene Segmente aufgelöst. Das hat neben einer sehr einfachen Einstellung der Drosselwir­ kung, die mit der einer normalen Drosselblende vergleichbar ist, den Vorteil, daß das Drosselelement nicht als innere Ver­ steifung des Einsatzteils wirkt und dabei Einfluß auf die Ver­ pressung der Rohrenden im ein- oder mehrteilig aufgebauten Rohrboden haben könnte.

Bei der Erfindung ist es möglich, wie in dem Fall des bekannten Verteilblechs, die Verteilungsmaßnahmen nur an einem Wasserkasten vorzusehen, wobei dann insbesondere, aber nicht ausschließlich, der zulaufseitige Wasserkasten in Frage kommt. Gemäß Anspruch 7 kann man die Optimierung auf eine Soll-Druck­ verlustverteilung aber auch an beiden Enden des Bündels der Rohre vorsehen. Das hat zunächst den Vorteil, daß man den die Strömung einengenden Querschnitt am einzelnen Wasserkasten ge­ ringer halten kann und so etwaigen Verstopfungen entgegenwirken kann. Es ist auch konstruktiv vorteilhaft, indem man einfach dieselben konstruktiven Maßnahmen an beidsei­ tig vorgesehenen Wasserkästen vorsieht.

Die Ansprüche 8 bis 10 wählen einige an sich bekann­ te Bauformen von Heizungswärmetauschern mit an beiden Enden des Rohrbündels vorgesehenen Wasserkästen aus, bei denen Maßnahmen zur Strömungsvergleichmäßigung sinnvoll sind und an denen daher der durch die Erfindung erreichte Effekt besonders deutlich ist.

Die Erfindung ist dabei jedoch nicht nur auf Hei­ zungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge mit beidseitigen Wasser­ kästen beschränkt; die Erfindung umfaßt insbesondere auch sol­ che Heizungswärmetauscher, bei denen ein einziger unterteilter Wasserkasten vorgesehen ist, der sowohl den Wassereinlaß als auch den Wasserauslaß enthält und gegebenenfalls noch in wei­ tere Kammern, z. B. für unterschiedliche Steuerung der Warmluft­ zufuhr zur Fahrer- und Beifahrerseite, ausgelegt ist. In sol­ chen Fällen bestehen dann die Rohrbündel aus U-förmig gebogenen Rohren, bei denen die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung ne­ beneinander gelegen sind und an denselben, jedoch an unter­ schiedliche Abteilungen desselben Wasserkastens, anschließen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen noch näher erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 einen Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeu­ ge in perspektivischer, teilweise aufgeschnittener Ansicht;

Fig. 2a und Fig. 2b zwei Ansichten in Luftrichtung und senkrecht dazu einer anderen Bauform eines Heizungswärme­ tauschers für Kraftfahrzeuge;

Fig. 3a und Fig. 3b noch eine Bauform eines Hei­ zungswärmetauschers für Kraftfahrzeuge in Luftrichtung und rechtwinklig dazu;

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine erste Bauart ei­ nes Rohrbodens durch die Rohrachse;

Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine zweite Bauart eines Rohrbodens durch die Rohrachse;

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein gesondert gefertigtes Bauteil, welches bei der Bauart gemäß Fig. 5 zusammen mit einer Grundplatte des Wasserkastens dessen Rohrboden bildet; und

Fig. 7 eine Draufsicht in Achsrichtung eines Rohres auf ein sowohl bei der Bauweise nach Fig. 4 als auch bei der Bauweise nach Fig. 5 einsetzbaren Einsatzteils, z. B. als ver­ größerte und detailliertere Herauszeichnung einer Teilansicht von Fig. 6 in der Bauweise nach Fig. 5.

Anhand der Fig. 1 bis 3b werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit drei an sich bekannte Bauformen von Heizungswär­ metauschern gezeigt, bei denen die Anwendung der dem Heizungswärmetauscher zugrundeliegenden Idee besonders effektiv ist.

Bei allen drei durch die Ziffer der Figuren angegebe­ nen Bauformen handelt es sich um Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge mit einem Bündel paralleler verrippter Wärme­ tauschrohre 2, deren Verrippung 4 nur angedeutet ist. Die Rohre bestehen aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Alu­ miniumlegierung, wie insbesondere AlMn1. Die Verrippung besteht zweckmäßig aus Lamellenpaketen, bei denen die einzelnen Lamel­ len Aufnahmehülsen besitzen, in welche die Rohre formschlüssig aufgeweitet werden. Die Verrippung 4 ist zweckmäßig aus demsel­ ben Metall gewählt wie die Rohre 2. Für Sonderfälle käme aber auch eine Herstellung der Rohre und/oder der Verrippung aus an­ deren Materialien, gegebenenfalls auch aus einem Kunststoff, in Frage.

Bei den Rohrbündeln mit U-förmigen Rohren 2 kommt man mit einem einzigen Wasserkasten 6 aus. Bei den beiden Ausfüh­ rungsformen nach Fig. 1 einerseits und nach Fig. 3a und 3b an­ dererseits münden die nebeneinanderliegenden Enden der parallel zueinander angeordneten U-förmigen Rohre in einem gemeinsamen Rohrboden 8 eines einzigen Wasserkastens 6, der durch eine Trennwand 18 in eine zulaufseitige erste Abteilung 10 sowie ei­ ne ablaufseitige zweite Abteilung 12 unterteilt ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 erfolgt diese Un­ terteilung des Wasserkastens 6 durch eine solche Trennwand 18, die quer zur Luftrichtung 20 der anströmenden Luft orientiert ist und somit eine Längsunterteilung des Wasserkastens 6 be­ wirkt.

Der zulaufseitige Anschluß 14 und der ablaufseitige Anschluß 16 sind längs der Strömungsrichtung 20 der anströmen­ den Luft orientiert, jedoch gemäß der Wasserströmungsrichtung 22 entgegen der Luftströmung gerichtet. Beide Anschlüsse 14 und 16 sind dabei an den entsprechenden Abteilungen 10 und 12 mit­ tig und somit axial fluchtend angeordnet. Die Trennwand 18 bil­ det dabei eine Stauwand für das durch den Anschluß 14 anströ­ mende Wasser, welches dann quer zur Anströmrichtung 20 der Luft bzw. Zulaufrichtung 22 des Wassers in der Abteilung 10 verteilt und in der Abteilung 12 zum Anschluß 16 hin wieder gesammelt wird.

Die dritte Ausführungsform nach den Fig. 3a und 3b unterscheidet sich bezüglich Bauart sowie Anströmart der äuße­ ren Luft bis auf die nachfolgende Besonderheit nicht von der Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Der einzige Unterschied besteht darin, daß der zu­ laufseitige Anschluß 10 und der ablaufseitige Anschluß 12 hier in Längsrichtung der beiden Abteilungen 10 und 12 parallel zu­ einander und damit rechtwinklig zur Strömungsrichtung 20 der anströmenden Luft orientiert sind. In diesem Falle wird das zu­ laufende Wasser nicht an der Trennwand 18 frühzeitig gestaut, sondern über die ganze Länge des Wasserkastens verteilt und läuft dann erst gegen die den Zulauf entgegengesetzte Abschluß­ wand des Wasserkastens an. Entsprechendes gilt mit umgekehrter Wasserströmungsrichtung in der ablaufseitigen Abteilung 12.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 staut sich das anströmende Wasser in nahezu allen praktischen Anwendungsfällen in den Bereichen, welche in der Nachbarschaft des zulaufseiti­ gen Anschlusses 14 gelegen sind, so daß die dort anschließenden Rohre mit einer größeren Heizwassermenge versorgt werden als die dem Zulaufanschluß fernen Rohre.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 hängt die zulauf­ seitige Wasserversorgung der einzelnen Rohre 2 eher von der Strömungsgeschwindigkeit des zulaufenden Wassers ab. Bei gerin­ ger Strömungsgeschwindigkeit kommt es eher zu einer Überversor­ gung der dem zulaufseitigen Anschluß nahen Rohre, bei hoher Strömungsgeschwindigkeit, die noch zu Stauerscheinungen an der dem Zulauf abgewandten Schmalseite des Wasserkastens führt, eher an dem dem Zulauf abgewandten Ende des Wasserkastens bzw. von dessen zulaufseitiger Abteilung 10.

Die zweite Ausführungsform gemäß den Fig. 2a und 2b betrifft einen bezüglich der Strömungsverteilung besonders kri­ tischen Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge, bei dem die Rohre 2 geradlinig parallel zueinander angeordnet und parallel­ geschaltet sind. Dies führt zum einen dazu, daß gesondert von­ einander ein zulaufseitiger Wasserkasten 6a und ein ablaufsei­ tiger Wasserkasten 6b vorgesehen sein müssen. Zum anderen sind im Gegensatz zur vorbeschriebenen ersten und dritten Ausfüh­ rungsform keine U-förmigen Krümmerabschnitte 24 mehr vorgese­ hen, welche für sich einen relativ hohen Druckverlust bewirken. Bei der Parallelschaltung gerader Rohre kommt es daher beson­ ders leicht zu vergleichbaren Druckverlusten in den Rohren 2 und in den Wasserkästen 6a und 6b.

Der zulaufseitige Wasserkasten 6a besteht aus einer einzigen Abteilung mit einem Zulaufanschluß 14, der mittig am Wasserkasten 6a längs der Strömungsrichtung 20 der anströmenden Luft, jedoch in deren Gegenrichtung, angeordnet ist.

Der ablaufseitige Wasserkasten 6b ist in zwei Abtei­ lungen mittels einer Zwischenwand 26 hälftig unterteilt. Da­ durch werden auslaufseitig im Wasserkasten 6b zwei Abteilungen 28 und 30 voneinander abgeteilt, die zur gesonderten Wärmever­ sorgung für Fahrerseite und Beifahrerseite des Kraftfahrzeugs vorgesehen sind. Jede dieser beiden Abteilungen 28 und 30 weist je einen ablaufseitigen Anschluß 16a und 16b auf, die nahe der Zwischenwand 26 angeordnet sind. Die beiden Anschlüsse 16a und 16b sind parallel zueinander und zu dem Anschluß 14 angeordnet, wobei hier die Wasserausströmrichtung parallel und in Richtung 20 der anströmenden Luft orientiert ist.

Wie schematisch dargestellt ist, ist den beiden An­ schlüssen 16a und 16b jeweils ein Steuerventil 32a bzw. 32b strömungsmäßig hinsichtlich des Heizwassers nachgeordnet. Mit­ tels der beiden Steuerventile 32a und 32b kann man dann die Wärmeversorgung der Fahrerseite und der Beifahrerseite des Kraftfahrzeugs unabhängig steuern.

Von besonderem Interesse sind auch noch folgende zeichnerisch nicht dargestellte Varianten:

So kann man zum einen bei der zweiten Ausführungsform die Unterteilung des ablaufseitigen Wasserkastens 6b durch die Zwischenwand 26 fortlassen. Dann genügt ein einziger ablaufsei­ tiger Anschluß 16, der dann zweckmäßig parallel zum zulaufsei­ tigen Anschluß 14 mittig am Wasserkasten 6b angeordnet ist. Die Aussagen über die Wasserströmungsrichtung bleiben dabei unver­ ändert. In diesem Falle entfallen die Steuerungsmöglichkeiten mittels der Ventile 32a und 32b. Es reicht hier wie bei allen derartigen Heizungswärmetauschern für Kraftfahrzeuge, bei denen keine besondere räumliche Aufteilung auf einzelne Abschnitte des Kraftfahrzeugs, wie Fahrerseite und Beifahrerseite, vorge­ sehen ist, ein einziges nicht dargestelltes Steuerventil, das wie bei der zweiten Ausführungsform der Fig. 2a und 2b ablauf­ seitig üblicherweise geschaltet ist.

Eine zulaufseitige Schaltung kommt jedoch auch in Frage.

Umgekehrt könnte man in ebenfalls nicht dargestellter Weise auch die Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch modifizie­ ren, daß man die ablaufseitige Abteilung 12 ebenso wie den ab­ laufseitigen Wasserkasten 6b der zweiten Ausführungsform in zwei Abteilungen durch eine nicht gezeigte Zwischenwand unter­ teilt und dann ebenso wie bei der zweiten Ausführungsform mit Anordnung von zwei ablaufseitigen Anschlüssen 16a und 16b in Nachbarschaft der mittigen Zwischenwand die gesonderten ab­ laufseitigen Steuerventile vorsieht. In diesem Falle würde der einzige Wasserkasten 6 der einzigen Bauart in insgesamt drei Abteilungen zerfallen, nämlich die eingangsseitige Abteilung 10 sowie zwei ausgangsseitige Abteilungen durch mittige Unter­ teilung der Abteilung 12 der Bauart nach Fig. 1.

Bei allen beschriebenen und auch anderen bekannten Bauformen von Heizungswärmetauschern für Kraftfahrzeuge kommen ohne Beschränkung der Allgemeinheit insbesondere die folgenden beiden Ausbildungsarten des Rohrbodens des jeweiligen Wasserka­ stens in Frage, wie sie vor allem durch die alternativen Bau­ weisen der Fig. 4 und 5 veranschaulicht sind.

Bei der Bauform nach Fig. 4 ist ein integral gefer­ tigter Rohrboden 8 vorgesehen, der zweckmäßig ein Spritzform­ stück aus Polyamid mit etwa 30% Glasfaseranteil ist.

Das über den mit der Verrippung 4 herausragende Rohr­ ende 34 des jeweiligen Rohres 2 ist mechanisch aufgeweitet und mit Preßsitz im Rohrboden 8 gehalten. Hierzu steht von einem plattenförmigen Teil 36 des Rohrbodens 8 in Richtung zum jewei­ ligen Rohr eine Hülse 38 vor, die das Rohrende 34 außen flüs­ sigkeitsdicht umfaßt. Außerdem greift ein ebenfalls hülsenför­ miges Einsatzstück 40 in das Rohrende 34 ein und liegt an des­ sen innerer Mantelfläche flüssigkeitsdicht an. Das Einsatzstück 40 ist wie die Hülse 38 integral mit dem Rohrboden 8 gefertigt. Hülse 38 und Einsatzteil 40 hängen dabei so mit dem plattenför­ migen Teil 36 des Rohrbodens 8 zusammen, daß ein Ringspalt 42 gebildet wird, in dem das aufgeweitete Rohrende 34 mit beidsei­ tigem Preßsitz eingreift. Obwohl hier das Einsatzteil einen et­ was kleineren lichten Querschnitt hat als das unaufgeweitete Rohr 2, kommt es wegen der düsenförmigen Einlauföffnung 44 im lichten Querschnitt des Einsatzteils 40 praktisch nicht zu ei­ ner Strömungsabdrosselung im Vergleich mit dem nicht aufgewei­ teten Rohr 2.

Nach der zweiten Bauweise nach Fig. 5 ist der Rohrbo­ den 8 aus zwei Bauteilen zusammengesetzt, nämlich einerseits aus einer Grundplatte 46 des Wasserkastens und andererseits ei­ nem gesondert gefertigten Bauteil 48. Mindestens das Bauteil 48 besteht hier zweckmäßig aus spritzbarem Polyamid mit etwa 30% Glasfaseranteil. Die Grundplatte 46 kann aus demselben Material bestehen, muß es aber nicht. Neben anderen Kunststoffarten und Kunststoffzusammensetzungen käme gegebenenfalls sogar eine me­ tallische Ausbildung in Frage.

Anstelle der einseitigen Hülse 38 ist hier eine beid­ seitig der Grundplatte 46 herausragende Hülse 50 ausgebildet. In nicht dargestellter Weise könnte man aber auch bei der Aus­ führungsform nach Fig. 4 eine entsprechende beidseitige Hülse vorsehen oder bei der Ausführungsform nach Fig. 5 nur eine ein­ seitige Hülse gemäß Fig. 4 wählen.

Das Rohrende 34 weist hier einen ersten aufgeweiteten Abschnitt 52 sowie einen am Ende des Rohres gelegenen und noch­ mals aufgeweiteten Abschnitt 54 auf. Dabei ist wie im Falle der Fig. 4 das Rohrende 34 axial außerhalb des mit der Verrippung 4 versehenen normalen Bereichs der Rohre angeordnet, wo die Rohre in nicht erkennbarer Weise gegen die Lamellenverrippung 4 me­ chanisch aufgeweitet wurden (sowohl bei Fig. 4 als auch bei Fig. 5).

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist nun die Hülse 50 integraler Bestandteil der Grundplatte 40, während das eben­ falls als Hülsenteil ausgebildete Einsatzteil 40 integraler Be­ standteil des besonderen Bauteils 48 ist. Der erste aufgewei­ tete Abschnitt 52 des Rohrendes 34 ist dabei zwischen der Hülse 50 und dem hülsenförmigen Einsatzteil 40 mit Preßsitz gehalten. Der weiter aufgeweitete Endabschnitt 54 des Rohrendes 34 greift in einen Ringspalt 56 ein, der in dem Bauteil 48 geformt ist. Dieses Bauteil 48 weist ferner einen Kragen 58 auf, der in eine Ringnut 60 an der der Innenseite des Wasserkastens zugewandten Stirnseite der Hülse 50 eingreift. Das Bauteil 48 wird bei der Montage an der Grundplatte 46 zum fertigen Rohrboden 8 mit dem Kragen 58 in die Ringnut 60 eingedrückt. Dabei greift der Ab­ schnitt 54 des Rohrendes in den mit Untermaß gefertigten Ring­ spalt 56 ein und wird in diesem verpreßt. Die zusätzliche Auf­ weitung des Rohrendes 54 ist dabei bereits grob vorgeformt und findet ihre endgültige Konfiguration beim Verpressen.

Aus Fig. 6 ergibt sich, daß bei der Montageweise nach Fig. 5 die einzelnen Einsatzstücke 40 für alle Rohre 2 inte­ grale Bestandteile eines einzigen gesonderten Bauteils 48 sind, welches über verbindende Stege 62 vereint ist. Man könnte auch unter größerem Materialverbrauch eine durchgehende Platte im Bauteil 48 vorsehen, was jedoch aus Materialeinsparungsgründen weniger in Frage kommt.

Sowohl bei den in Zusammenhang mit Fig. 4 als auch bei den in Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen Bauweisen als auch allgemein wird nun vorgesehen, daß das jeweilige Einsatz­ stück mindestens bei einigen Rohranschlüssen im Rohrboden mit einem zusätzlichen Drosselelement 64 versehen ist. Die fakulta­ tive Anbringungsmöglichkeit des Drosselelements ist in Fig. 4 durch gestrichelte Einzeichnung noch besonders hervorgehoben. Entsprechendes gilt für die Ausführungsform nach Fig. 5, wo aber das Drosselelement als Vollquerschnitt dargestellt ist.

In beiden Fällen ist dabei das Drosselelement 64 der Art nach als Lochblende geformt, welche nur an einem Teilbe­ reich der axialen Länge des Einsatzstückes 40 angeordnet ist. Bei der Bauart nach Fig. 4 ist die Anordnung hier an der Kommu­ nikationsöffnung 66 des Rohres 2 mit der Innenseite des Wasser­ kastens angeordnet, und zwar sogar fluchtend mit der Innenseite des Rohrbodens 36. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist das Drosselelement statt dessen etwa auf halber axialer Länge des Einsatzstücks 40 angeordnet.

Diese Anordnungsmöglichkeiten könnte man auch bei beiden Ausführungsformen der Fig. 4 und 5 tauschen.

Bei der dargestellten Bauweise sind sie formtechnisch bedingt, um möglichst keinen zusätzlichen Formungs- und Entfor­ mungsaufwand im Sinne der Zielsetzung der Erfindung treiben zu müssen. Man erkennt an den jeweils im Bereich des Drosselele­ ments 64 endenden zulaufenden Entformungskurven, daß in beiden Fällen das Drosselelement im Bereich der Trennebene von zwei Spritzgußformen gewinnbar ist.

Die axiale Länge des Einsatzstückes 40 beträgt bei allen Bauarten zweckmäßig etwa den Durchmesser des Rohres 34 nach erster oder gegebenenfalls einziger Aufweitung. Die das Drosselelement bildende Lochblende braucht dabei nur eine sol­ che Wandstärke zu haben, wie man dies formtechnisch benötigt, z. B. bei Kunststofformung insbesondere 0,4 bis 0,8 mm Dicke.

Das Maß der Einschnürung durch die Lochblende im Ver­ hältnis zum Hülsenteil des Einsatzstücks 40 richtet sich nach der Optimierung des Heizungswärmetauschers. Es kommt dabei durchaus eine Drosselung im Bereich zwischen 10 und 90% des ungedrosselten freien Querschnitts des Hülsenteils des Einsatzstücks 40 in Frage. Die genauen Bemessungen hängen von den durch Experimente gewonnenen Anwendungsbedingungen ab.

Die Drosselblende 68 ist zweckmäßig von Fortsätzen 70 gebildet, die von dem Hülsenteil nach innen abstehen, welches den Grundkörper des Einsatzteils 40 bildet. Die Fortsätze 70 sind dabei über den Umfang des Hülsenteils segmentartig mit ge­ genseitigen Zwischenräumen 72 verteilt und integral mit dem Einsatzstück 40 gefertigt. Dabei ist es alternativ möglich, die unterschiedlichen freien Querschnitte des Drosselelements in erster Linie durch den freien Querschnitt der zentralen Öffnung 74 oder durch die Weite der Zwischenräume 72 zu wählen, wobei auch Mischformen in Frage kommen. Vorgezogen wird eine Ausfüh­ rungsform, bei der die Fortsätze alle gleiche Geometrie mit formtechnisch nur schmalen Zwischenräumen haben und die wesent­ liche Änderung des Drosselquerschnittes im Bereich der zentra­ len Öffnung 74 erfolgt.

Die Zwischenräume 72 bilden dann normal zur Innen­ wandfläche des Hülsenteils des Einsatzstücks verlaufende stern­ förmige Schlitze, die allein die Bedeutung haben, eine etwaige innere Versteifungswirkung des Einsatzteils aufgrund des Dros­ selelements zu verhindern. Die Schlitzbreite muß dabei so breit gewählt werden, daß beim Verpressen die Schlitze allenfalls in Anlage kommen, es aber nicht zu einer zusätzlichen Materialver­ formung zwischen den einzelnen segmentförmigen Fortsätzen 70 kommt.

Der Heizungswärmetauscher ist anhand von Rundrohren veranschau­ licht worden, so daß dann auch die zentrale Blendenöffnung 74 rund dargestellt ist. Dies ist zweckmäßig, jedoch nicht zwin­ gend erforderlich.

In nicht dargestellter Weise kann der Heizungswärmetauscher je­ doch auch bei anderen Querschnittskonfigurationen der Rohre 2 Anwendung finden, insbesondere bei Ovalrohren und bei Flachroh­ ren. Die äußeren Konturen der Einsatzstücke 40 sowie die geome­ trischen Formen der Drosselelemente 64 müssen dann entsprechend angepaßt werden.

Es ist möglich, die einzelnen Fortsätze 70 in bezug auf die Achse des Einsatzstücks 40 rotorschaufelartig oder ein­ fach schräg so einzustellen, daß eine Drallströmung im durch­ strömenden Wasser erzeugt wird, welche unter Turbulenzförderung den Wärmeübergang im ersten Bereich des anschließenden Rohres 2 erhöht. Die Fortsätze 70 haben dann nicht nur drosselnden Cha­ rakter, sondern auch Charakter als zusammenwirkende Leitele­ mente.

In den Fig. 1 sowie 6 ist schließlich zeichnerisch angedeutet, daß der Drosselquerschnitt an den einzelnen Rohren 2 verschieden gewählt wird. Dementspre­ chend ist bei der Anordnung nach Fig. 1 im Bereich der beiden Anschlüsse 14 und 16 jeweils eine stärkere Drosselung als in den benachbarten Bereichen eingezeichnet und in den Endberei­ chen der Abteilungen 10 und 12 des Wasserkastens 6 ein drossel­ freier Querschnitt zu sehen.

Ähnlich erkennt man in der Draufsicht der Fig. 6 den mittleren Bereich des Bauteils 48 mit stärkerer Drosselung.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind bei den im einzelnen dargestellten Bauformen von Heizungswärmetauschern nur zweireihige Bauformen gezeigt. Daß jedoch auch mehr als zweireihige Bauformen in Frage kommen, sieht man an der Dar­ stellung nach Fig. 6, die auf einen vierreihigen Wärmetauscher mit gegeneinander auf Lücke versetzten Rohren bezogen ist.

Bevorzugt ist eine Auslegung der Drosselquerschnitte, die in den einzelnen Reihen weitgehend gleich ist, wenn man einmal von Unterschieden durch etwaigen Rohrversatz absieht. Es wird dann eher der Drosselquerschnitt längs der einzelnen Rei­ hen variiert.

Claims (10)

1. Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge mit einem mindestens zweireihigen Bündel paralleler verrippter Wärme­ tauschrohre (2), insbesondere aus Metall, sowie mit mindestens einem Wasserkasten (6), der einen Rohrboden (8), insbesondere aus Kunststoff, aufweist, an dem die Enden (34) der Rohre an einem Ende des Bündels jeweils außen und innen mit Preßsitz um­ faßt sind, wobei in den freien Querschnitt des in den Rohrboden ragenden Endes des jeweiligen Rohres (2) jeweils ein Einsatz­ stück (40) ragt, das jeweils als ein auf das Strömungsverhalten des strömenden Mediums im Rohr einwirkendes Element ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Teil aller Einsatzstücke (40) jeweils als Drosselelement (64) ausgebildet ist, und
daß in demselben Wasserkasten (6) die Einsatzstücke (40) in die verschiedenen Rohre (2) derart mit unterschiedlicher Geome­ trie ausgebildet sind, daß der Druckverlust des strömenden Me­ diums im Längenbereich der Einsatzstücke (40) auf eine Soll- Druckverlustverteilung über die mit dem Wasserkasten (6) kommu­ nizierenden Rohre (2) des Bündels optimiert ist, welche die Durchströmung der einzelnen Rohre (2) des Bündels im Vergleich mit einer Durchströmung bei gleicher Geometrie der Einsatz­ stücke (40) verändert.

2. Heizungswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Druckverlustverteilung die Durchströmung der einzelnen Rohre (2) des Rohrbündels ver­ gleichmäßigt, vorzugsweise gleich macht.

3. Heizungswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Druckverlustverteilung eine unterschiedliche Durchströmung der Rohre (2) des Bündels quer zur Anströmrichtung (20) der als äußeres Wärmetauschmedium dienenden Luft vorsieht.

4. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzstücke (40) integrale Bestandteile des Rohrbodens (8) sind.

5. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzstücke (40) Bestand­ teile eines gesondert gefertigten Bauteils (48) sind, das zu­ sammen mit einer Grundplatte (46) des Wasserkastens (6) dessen Rohrboden (8) bildet.

6. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzstücke (40) an einem aus spritzbaren Kunststoff bestehenden Bauteil des Rohrbodens (8) ausgebildet sind.

7. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung auf eine Soll- Druckverlustverteilung an beiden Enden des Bündels der Rohre (2) vorgesehen ist.

8. Heizungswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Zulaufanschluß (14) eines zulaufseitigen Wasserkastens (6a) mittig in diesem längs der Anströmrichtung der als äußeres Wärmetauschmedium dienenden Luft (20) angeordnet ist.

9. Heizungswärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein einziger Ablaufanschluß (16) eines ab­ laufseitigen Wasserkastens (6b) mittig in diesem längs der An­ strömrichtung der als äußeres Wärmetauschmedium dienenden Luft (20) angeordnet ist.

10. Heizungswärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei Ablaufanschlüsse (16a, 16b) eines ablauf­ seitigen Wasserkastens (6b) an je einer durch eine Zwischenwand (26) getrennten Abteilung des Wasserkastens (16a, 16b) längs der Anströmrichtung der als äußeres Wärmetauschmedium dienenden Luft (20) angebracht und je mit einem Steuerventil (32a, 32b) versehen sind.