EP2021717B1

EP2021717B1 - Wärmetauscher für kraftfahrzeuge

Info

Publication number: EP2021717B1
Application number: EP07711950A
Authority: EP
Inventors: Kalbacher Klaus
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: EP2021717A1; US20090260787A1; WO2007121812A1; DE102006019024A1; WO2007121812A8; CN101432589A; WO2007121812A9

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge, beispielsweise Ladeluftkühler oder Kühlflüssigkeitskühler, bestehend aus Rohren (1), die aus jeweils zwei Platten (1a, 1b) gebildet sind, die zwei gegenüberliegende Längsseiten (L1 , L2) und zwei gegenüberliegende Schmalseiten (S) aufweisen, wobei eine der Längsseiten (L1 ) die Anströmseite (A) für beispielsweise Kühlluft darstellt, und bestehend aus zwischen den Rohren (1 ) angeordneten Wärmetauschrippen (2) oder dergleichen, durch die die Kühlluft frei hindurchströmt, und bestehend aus Sammelräumen (3), die an den Enden (4a, 4b) der Rohre (1) bzw. der Platten (1a, 1 b) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das eine Ende (4a) der Rohre (1 ) in der von der Anströmseite (A) entfernten Längsseite (L2) mündet und dass das andere Ende (4b) der Rohre (1) entweder ebenfalls in der entfernten Längsseite (L2) oder in der die Anströmseite (A) bildende Längsseite (L1) oder in einer der Schmalseiten (S) mündet. Der Wärmetauscher weist vergleichsweise größere wärmetauschende Flächen auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kühlmodul für Kraftfahrzeuge.
Ein Wärmetauscher ist aus der DE 30 17 701 bekannt. Dort sind Platten vorhanden, die etwa rechteckig ausgebildet sind. Die Sammelräume werden mittels in den Platten angeordneter Durchbrüche gebildet, die an den gegenüberliegenden Enden der Platten ausgebildet sind. Die jeweils ein Rohr bildenden zwei Platten werden dazu mit ihren Durchbrüchen fluchtend übereinander gestapelt. Die Wärmetauschrippen werden in den Abständen zwischen den Rohren eingelegt. Dort strömt dann die Kühlluft frei hindurch.
Im Vergleich zu anderen und vielleicht am meisten vorkommenden Wärmetauschern jenes Typs, die Sammelkästen an den Enden von Flachrohren aufweisen, ( DE 197 02 183 A1 ) - also an den gegenüberliegenden Schmalseiten der Rohre - wurde damit der Raumbedarf des Wärmetauschers reduziert. Die Sammelkästen beanspruchen Einbauraum, der zum Wärmetausch nicht zur Verfügung steht. Allerdings findet bei dem Wärmetauscher aus der DE 30 17 701 im Bereich der Sammelräume ebenfalls kein effektiver Wärmeaustausch statt.
Aus diesem Grund (Einbauraum) hat man in der DE 197 02 183 A1 die Sammelkästen so flach wie möglich ausgebildet, wie die dortige Figur 1, mit dem Bezugszeichen 22, zeigt. Deshalb kann dort das Wärmetauschernetz, bestehend aus Flachrohren und Wellrippen bei gleichem Einbauraum, vergleichsweise etwas größer gestaltet werden.
Ein anderer Wärmetauscher, dessen Rohre ebenfalls aus jeweils zwei Platten gebildet sind, ist aus der DE 44 07 080A1 bekannt. Dieser Wärmetauscher könnte wohl auch als Ladeluftkühler eingesetzt werden. Er gehört jedoch einer anderen Gattung an, nämlich einer Gattung, bei der der die Rohre bildende Plattenstapel in einem Gehäuse angeordnet ist. Die Ladeluft strömt dort an einer Seite des Gehäuses ein, steht im Wärmeaustausch mit einer Kühlflüssigkeit, die in den Rohren strömt und verlässt das Gehäuse auf der gegenüberliegenden Seite.
Weiterer Stand der Technik ergibt sich beispielsweise aus der DE 103 28 638A1 und aus der DE 103 59 806 A1 . Die dort gezeigten und beschriebenen Wärmetauscher gehören einer ähnlichen Gattung an, nämlich einer solchen, die ebenfalls nicht frei von einem Kühlmittel durchströmt wird. Dort sind insbesondere Abgaswärmetauscher beschrieben worden, bei denen sowohl die Kanäle für das Abgas als auch die Kanäle für eine Kühlflüssigkeit durch die Gestaltung der Platten gebildet sind. Beide Medien strömen also innerhalb der durch die besondere Plattengestaltung gebildeten Kanäle.
Ein weiterer Wärmetauscher wurde in der DE 40 12 046A1 gezeigt und beschrieben. Dieser Wärmetauscher gehört dem Typ an, bei dem Kühlluft frei durch die Wärmetauschrippen strömen kann. Dort wurden die Enden von flachen Rohren umgebogen und unmittelbar aneinander angelegt. An den Enden können Sammelkästen angeschlossen werden. Der Biegebereich bzw. der Anschlussbereich der Sammelkästen steht dort ebenfalls nicht zum Wärmeaustausch zur Verfügung.
In JP 2003 161589 A und JP 62-084842 A werden so genannte Ringkühler vorgestellt.
In der GB 130,109 wird ein Wärmetauscher für Flugzeuganwendungen gezeigt und beschrieben. Der Wärmetauscher wird an den Flügeln oder am Rumpf des Flugzeuges so befestigt, dass die Sammelräume bzw. die Sammelkästen in Nischen versteckt angeordnet sind und die Flachrohre von der Luftströmung beaufschlagt werden können. Die Flachrohre bestehen dort aus mindestens vier Teilen. Wärmetauschrippen zwischen den Flachrohren sind dort nicht vorgesehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem Wärmetauscher der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Gattung vergleichsweise größere wärmetauschende Flächen zur Verfügung zu stellen.
Die Merkmale des Anspruchs 1 führen zur erfindungsgemäßen Lösung.
Weil beide Enden der Rohre in der von der Anströmseite entfernten Längsseite münden, die also von der anströmenden Kühlluft abgewandt ist, ist es möglich, die gesamte oder jedenfalls eine größere von der Kühlluft angeströmte Fläche des Wärmetauschers als wärmetauschende Fläche auszubilden, wodurch die wärmetauschende Fläche vergleichsweise also vergrößert wird. Trotz der auch an den Enden der Rohre des erfindungsgemäßen Wärmetauschers angeordneten Sammelkästen, konnte die Vergrößerung der wärmetauschenden Flächen realisiert werden. Vorzugsweise werden die allerletzten Enden der Platten bzw. der Rohre im Querschnitt etwas vergrößert und liegen mit ihren Schmalseiten aneinander an. Deshalb können die Sammelkästen ohne das Vorsehen eines Rohrbodens angebracht werden. Wenn auf die Querschnittsvergrößerung der allerletzten Enden verzichtet wird, müssen Rohrböden an den Enden der Rohre angebracht werden, an denen die Sammelkästen zu befestigen sind.
Weil beide Enden der Rohre an einer Längsseite münden, ist die Geometrie oder die Gestalt der Platten demnach nicht rechteckig, wie beim Stand der Technik, sondern U - förmig.
Jeweils zwei Platten werden mit ihren Rändern aneinander angelegt, um ein Rohr zu bilden. Die Platten können identisch sein. Beide Platten besitzen dann einen aufgerichteten Rand, an dem die zwei Platten zu Bildung des Rohres aneinander anliegen und verbunden sind. Es ist jedoch auch möglich, eine Platte etwa eben zu machen, also ohne aufgerichteten Rand auszubilden, und die andere Platte mit einem aufgerichteten Rand zu versehen.
Ferner ist es auch möglich die aufgerichteten Plattenränder zur Verbindung ineinander zu legen.
Die Enden der Rohre bzw. der Platten weisen, wie oben bereits angedeutet wurde, jeweils eine abgewinkelte Kontur auf, um in der von der Anströmseite entfernten Längsseite münden zu können.
Das abgewinkelte Konturstück kann recht kurz gehalten werden - gerade lang genug, um dort Sammelkästen anschließen zu können.
Zwischen den Rohren werden Wärmetauschrippen oder andere den Wärmetausch befördernde Elemente eingefügt. Auch im Bereich mit der abgewinkelten Kontur werden solche Elemente angeordnet.
Im Einsatzfall als Ladeluftkühler befinden sich in den Rohren Einsätze, um die Turbulenzbildung zu fördern. Hier können allerdings auch in die gleiche Richtung wirkende andere Ausbildungen, wie Verformungen oder dergleichen, vorgesehen werden. Die erwähnte Verbindung der Platten und die Verbindung der Platten bzw. der Rohre mit den Wärmetauschrippen erfolgt vorzugsweise mittels Lötverfahren. Die Sammelkästen können aus Kunststoff oder aus Metall bestehen.
Die Erfindung wird nun in einigen Ausführungsbeispielen anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Diese Erläuterungen können weitere unter Umständen wesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung enthalten.
Die Figuren zeigen Folgendes:

Fig.1 Perspektivansicht eines Wärmetauschers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 Ansicht eines Rohrstückes;
Fig. 3 Ansicht eines Plattenstückes;
Fig. 4 - 6 andere Ansichten des Wärmetauschers aus der Fig. 1;
Fig. 7 und 8 Ansichten eines Kühlmoduls mit Wärmetauscher;
Fig. 9 - 11 nicht erfindungsgemäße strukturelle Darstellungen von Wärmetauschern (Ansichten von oben oder von unten);

Der in den Ausführungsbeispielen gezeigte Wärmetauscher kommt in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz. Es kann sich sowohl um einen mit Kühlluft beaufschlagten Kühlflüssigkeitskühler oder auch um einen Ladeluftkühler handeln. Andere Verwendungen, beispielsweise als mit Kühlluft beaufschlagte Ölkühler, sind ebenfalls sehr gut vorstellbar. Der in der Fig. 1 in einer Perspektivansicht gezeigte Wärmetauscher ist vorne im Kraftfahrzeug angeordnet. Er besitzt eine vergleichsweise große Anströmfläche A, die mit Kühlluft beaufschlagbar ist. Bei dem Ausführungsbeispiel befinden sich beide Enden 4a und 4b der Platten 1a, 1b bzw. der Rohre 1 an der von der Anströmseite A entfernten Längsseite L2 der Platten 1a, 1b bzw. der Rohre 1. Deshalb kann auch von etwa U - förmigen Platten 1a, 1b gesprochen werden, die dort zum Einsatz kommen. An den Enden 4a und 4b der Platten 1a, 1b, die praktisch auch die beiden freien Enden des "U" sind, befindet sich jeweils ein Sammelkasten 30. (Fig. 4 - 6) Die Sammelkästen 30 sind entweder aus Kunststoff und werden mechanisch an den Enden 4a und 4b befestigt oder sie sind, wie die Rohre 1 und die zwischen den Rohren 1 angeordneten Wärmetauschrippen 2 aus einem Metall. Dabei stellt Aluminium bzw. eine geeignete Aluminiumlegierung die bevorzugte Wahl dar. Die Platten 1a, 1b besitzen einen aufgerichteten Rand 10 und werden jeweils zu einem Rohr 1 zusammengesetzt, um (später) an ihren aufgerichteten Rändern verlötet zu werden. Die Fig. 2 zeigt ein Stück des Rohres mit einem Ende 4 und die Fig. 3 zeigt ein Stück einer Platte 1a. Die Platten 1a und 1b sind identisch. Die Rohre 1 werden in an sich bekannter Weise mit den Wärmetauschrippen 2 zusammengesetzt. Dabei werden auch Wärmetauschrippen 2 in den Plattenbereichen 5 eingesetzt bzw. angeordnet, die abgewinkelt sind und die zu den Sammelkästen 30 führen. Der somit entstandene Wärmetauscherblock wird einem Hartlötprozess unterzogen und dadurch zu einem kompakten Block vereinigt. Die Fig. 4 lässt erkennen, dass sich in diesem Ausführungsbeispiel auch innerhalb der Rohre 1 Einsätze 20 befinden. Die Inneneinsätze 20 müssen nicht über die gesamte Rohrlänge gehen. Sie können auch einen Abstand zu den Schmalseiten S haben.
Die erwähnten Längsseiten L1, L2 verlaufen vorzugsweise in Querrichtung des nicht gezeigten Kraftfahrzeugs. Sie könnten allerdings auch in Hochrichtung des Kraftfahrzeugs verlaufen.
Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen Ansichten des Wärmetauschers von oben oder von unten, die ebenfalls vergrößerte wärmetauschende Flächen aufweisen. Es handelt sich hier um Prinzipdarstellungen. Die Darstellung gemäß der Fig. 9 besitzt etwa Z-förmige Platten 1a und 1b, die jeweils ein Rohr 1 bilden. Das im Bild linke Ende 4a der Platten 1a, 1b bzw. der Rohre 1 mündet in der von der Anströmseite A entfernt liegenden Längsseite L2. Das andere im Bild rechte Ende 4b mündet in der Anströmseite A bzw. in der Längsseite L1.
Die Fig. 10 könnte als eine Darstellung angesehen werden, welche etwas größere wärmetauschende Flächen aufweist als diejenige gemäß der Fig. 9. Dort kommen L-förmige Platten 1a, 1b bzw. Rohre 1 zum Einsatz. Das im Bild linke Ende 4a befindet sich wie bei der Fig. 9 in der von der Anströmseite A entfernten Längsseite L2. Das andere Ende 4b befindet sich in der vom linken Ende 4a entfernten Schmalseite S. Der dort angeordnete Sammelkasten 30 wird hier besonders flach ausgebildet, um die Größe der Anströmseite A nicht wesentlich einschränken zu müssen.
Eine nicht gezeigte weitere Darstellung besitzt einen nicht an der entfernt liegenden Schmalseite S, sondern an der nahe liegenden Schmalseite S angeordneten Sammelkasten 30. In diesem Fall besitzen die Rohre 1 eine Flusstrennung in Längsrichtung, damit die darin strömende beispielsweise Ladeluft zur entfernt liegenden Schmalseite S und von dort wieder zurück strömen kann.
Die Darstellung gemäß Fig. 11 ist ähnlich derjenigen nach den Fig. 1 - 6. Es zeigt jedoch im Unterschied dazu eine konvexe Kontur der Längsseiten L1 und L2. Auch hier kann die gesamte Fläche der Platten 1a, 1b als wärmetauschende Fläche ausgebildet werden. Im Vergleich zu bekannten Ringkühlern, bei denen die Flachrohre über ihre Schmalseiten S gebogen werden, was fertigungstechnisch immer noch schwierig ist, insbesondere dann, wenn sich in den Flachrohren Einsätze befinden, wurde durch den Vorschlag die Herstellbarkeit verbessert bzw. erleichtert. In der Fig. 11 laufen die Längsseiten L1, L2 zu den Enden 4a, 4b hin etwas auseinander und vergrößern scheinbar den Querschnitt derselben. Das ist nicht bevorzugt sondern der Darstellung mittels "Autoformen" geschuldet. Bevorzugt laufen die mit der konvexen Kontur versehenen Längsseiten L1 und L2 parallel zueinander, also auch an den Enden 4a, 4b. Die Sammelkästen 30 an den Enden 4a, 4b wurden lediglich angedeutet.
Die Fig. 7 zeigt nun einen Blick auf die Anströmseite eines Kühlmoduls, in dem sich der Wärmetauscher aus den Fig. 1 - 6 befindet. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Wärmetauscher um einen Ladeluftkühler LLK. Die Anströmseite des Kühlmoduls ist gleichzeitig die Anströmseite des Wärmetauschers. Der Wärmetauscher wurde im unteren Bereich des Kühlmoduls angeordnet. Darüber befindet sich beispielsweise eine Kühlflüssigkeitskühler und andere zum Kühlmodule gehörende Komponenten. Die Fig.7 macht die vergrößerte wärmetauschende Fläche des Ladeluftkühlers LLK im Vergleich zum darüber angeordneten Kühlflüssigkeitskühler besonders deutlich. Die Fig. 8 zeigt das Kühlmodul von der Rückseite. Die Einlass- und Auslassstutzen des Ladeluftkühlers LLK sind links und rechts, unten, erkennbar. Die Gesamtfläche wird von einer Ventilatorhaube V eingefasst, an der ein Lüfter angeordnet ist, um Kühlluft durch das Kühlmodul zu saugen.

Claims

Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge, beispielsweise Ladeluftkühler oder Kühlflüssigkeitskühler, bestehend aus Rohren (1), die zwei gegenüberliegende Längsseiten (L1, L2) und zwei gegenüberliegende Schmalseiten (S) aufweisen, wobei eine der Längsseiten (L1) die Anströmseite (A) für beispielsweise Kühlluft darstellt, und bestehend aus Wärmetauschrippen (2), durch die die Kühlluft frei hindurchströmt sowie bestehend aus Sammelräumen (3), die an den Enden (4a, 4b) der Rohre (1) ausgebildet sind, wobei die Rohre (1) aus jeweils zwei Platten (1a, 1b) gebildet sind, und wobei beide Enden (4a) der Rohre (1) bzw. der Platten in der von der Anströmseite (A) entfernten Längsseite (L2) münden
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rohren (1) gewellte Wärmetauschrippen (2) angeordnet sind,
dass die Enden der Platten (1a, 1b) eine abgewinkelte Kontur aufweisen
und dass die gewellten Wärmetauschrippen (2) auch in den Bereichen, die die abgewinkelte Kontur (5) aufweisen zwischen den Rohren (1) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Sammelraum (3) bildender Sammelkasten (30) an jedem Ende (4a, 4b) angeschlossen ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der die Rohre (1) bildenden Platten (1a, 1b) etwa U-förmig ausgebildet ist.
Kühlmodul für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass es einen oder mehrere Wärmetauscher enthält der gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist.