DE4309360C2 - Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge - Google Patents
Heizungswärmetauscher für KraftfahrzeugeInfo
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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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19934309360 DE4309360C2 (de) | 1993-03-23 | 1993-03-23 | Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE19934309360 DE4309360C2 (de) | 1993-03-23 | 1993-03-23 | Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge |
Publications (2)
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DE4309360A1 DE4309360A1 (de) | 1994-09-29 |
DE4309360C2 true DE4309360C2 (de) | 1995-06-22 |
Family
ID=6483595
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19934309360 Expired - Lifetime DE4309360C2 (de) | 1993-03-23 | 1993-03-23 | Heizungswärmetauscher für Kraftfahrzeuge |
Country Status (1)
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