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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Bodenteil für einen Sammelkasten eines
Wärmeaustauschers,
z.B. eines Kühlers,
insbesondere Ölkühlers, mit
den übrigen
Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In
der
EP 0 526 687 A1 ist
ein Ölkühler beschrieben,
bei dem der Bodenteil, auch als Rohrboden bezeichnet, für einen
Sammelkasten dieses Ölkühlers aus
einem zumindest zum Teil ebenen Flachteil besteht, der im Querschnitt
etwa U-förmig
gestaltet ist. An diesem Flachteil ist ein im Querschnitt umgekehrt
U-förmiger
Deckelteil derart befestigbar, dass dieser mit seinen beidseitigen
Schenkeln zwischen Seitenwänden
des Bodenteils aufgenommen wird, wobei in diesem Bereich eine druckfeste
Verbindung zwischen dem Bodenteil und dem Deckelteil geschieht.
Der Bodenteil enthält Öffnungen
zum Aufnehmen einzusteckender Rohre, die hierbei als Flachrohre
ausgebildet sind. In Anpassung daran sind die Öffnungen etwa schlitzförmig. Der
Flachteil hat zumindest einen gerundeten Bereich, nämlich in der
Weise, dass der ebene Mittelbereich beidseitig über gerundete Seitenbereiche übergeht
in die beiden Seitenwände
des Bodenteils. Die schlitzförmigen Öffnungen
zum Aufnehmen und Befestigen einzusteckender Flachrohre erstrecken
sich in Querrichtung betrachtet über
den Mittelbereich. Die Rohre sind nebeneinander angeordnet unter
Bildung von Zwischenräumen
dazwischen, in denen Kühlrippen
platziert sind, die den Wärmeaustausch
zwischen den Rohren und dem zu kühlenden
Medium, das die Rohre durchfließt,
verbessern. Die Rohre sind in den Öffnungen des Bodenteils druckdicht
befestigt, z.B. durch Löten.
Wird der Sammelkasten mit einem zu kühlenden Medium beaufschlagt,
das die Rohre durchfließt
und zu einem zweiten Sammelkasten gelangen kann, wird der Bodenteil
mit Druck beaufschlagt, wodurch sich der Bodenteil derart verformen kann,
dass er in Richtung zu den Rohren hin gebogen wird. Demgemäß stehen
auch die Verbindungen zwischen dem Bodenteil und den Rohren unter
starker mechanischer Beanspruchung. Diese hohen mechanischen Belastungen
können
zu Schäden,
insbesondere Undichtigkeiten im Bereich der Verbindungen, führen und
beeinträchtigen
die Lebensdauer eines so gestalteten Wärmeaustauschers.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bodenteil für einen
Sammelkasten eines Wärmeaustauschers,
z.B. für
einen Ölkühler, zu
schaffen, der eine gesteigerte Festigkeit des Flachteils selbst ermöglicht und
außerdem
auch der Verbindungen zwischen dem Flachteil und daran zu befestigenden Rohren.
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Die
Aufgabe ist bei einem Bodenteil für einen Sammelkasten eines
Wärmeaustauschers
der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass der Flachteil einen zweiachsig, insbesondere entsprechend etwa
einer Kugelkalotte, gekrümmten
Zentralteil aufweist. Mit einer derartigen zweiachsigen, insbesondere
etwa kugelabschnittförmigen,
Krümmung
des Zentralteils wird einer späteren
Verformung des Flachteils bei Druckbelastung bereits vorweg Rechnung
getragen; denn ist der Bodenteil zur Bildung eines Sammelkastens
mit einem Deckelteil verbunden und wird der Sammelkasten mit einem
Medium unter Druck beaufschlagt, so ist normalerweise eine Verformung
des Flachteils unter diesem Mediumdruck zu erwarten. Eine derartige
Verformung unter Druckbelastung tendiert zumindest abschnittweise
zu einer Kugel. Aufgrund des entsprechend gekrümmten Zentralteils ist dem
durch Vorwegkrümmung
bereits Rechnung getragen. Dies führt dazu, dass sich unter Druckbelastung
keine Verformung des Flachteils oder zumindest eine erheblich reduzierte
Verformung dieses ergibt. Daraus resultiert, dass die Verbindungen
zwischen dem Flachteil und daran befestigten Rohren mechanisch erheblich
entlastet sind. Aufgrund des entsprechend gekrümmten Zentralteils lässt sich
zumindest in Grenzen ein fast idealer Zustand erreichen, bei dem
bei Belastung des Flachteils sonst herrschende Biegespannungen aufgrund
der zweiachsigen, z. B. etwa kugelabschnittförmigen, Krümmung in Zugspannungen umgewandelt
sind, wodurch eine größere Festigkeit
des Flachteils selbst und der Verbindungen zwischen diesem und den
Rohren erreicht wird. Da die Festigkeit des Flachteils und der Verbindungen
zwischen diesem und den Rohren vom Äußeren des Flachteils zur Mitte
hin abnimmt, wird besonders im mittleren Bereich des Flachteils
durch den zweiachsig, z. B. etwa kugelabschnittförmig, gekrümmten Zentralteil diesem Rechnung
getragen und die Festigkeit des Flachteils im mittleren Bereich
entsprechend gesteigert. Aufgrund dieser gesteigerten Festigkeit
ist es möglich,
die Querschnittsdicke des Bodenteils und/oder der Rohre weiter zu
reduzieren und somit zu einer Gewichts- und Kostenersparnis zu gelangen.
Die gesteigerte mechanische Festigkeit steigert zugleich die Lebensdauer
eines unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bodenteils gebildeten Sammelkastens
und eines dementsprechend gestalteten Wärmeaustauschers. Dies bedingt
keinen Mehraufwand hinsichtlich des Materials, der Bauteilzahl und
der einzelnen Fertigungsstufen. Vorteilhaft ist ferner, dass reproduzierbar
und dauerhaft dichte Verbindungen zwischen dem Bodenteil und den
einzelnen Rohren bei geringen Fertigungstoleranzen möglich sind.
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Weitere
besondere Erfindungsmerkmale und Ausgestaltungen enthalten die Unteransprüche.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung.
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Der
vollständige
Wortlaut der Ansprüche
ist vorstehend allein zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen nicht
wiedergegeben, sondern statt dessen lediglich durch Hinweis auf
die Ansprüche
darauf Bezug genommen, wodurch jedoch alle diese Anspruchsmerkmale
als an dieser Stelle ausdrücklich und
erfindungswesentlich offenbart zu gelten haben. Dabei sind alle
in der vorstehenden und folgenden Beschreibung erwähnten Merkmale
sowie auch die allein aus den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale
weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders
hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen gezeigten
Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Bodenteils für einen
Sammelkasten eines Wärmeaustauschers,
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2 einen
schematischen Längsschnitt des
Bodenteils entlang der Linie II-II in 1,
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3 einen
schematischen Querschnitt des Bodenteils entlang der Linie III-III
in 2,
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4 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Teils eines Wärmeaustauschers
mit einem Bodenteil entsprechend 1 bis 3.
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In
den Zeichnungen ist ein Bodenteil 10 gezeigt, der für einen
Sammelkasten eines Wärmeaustauschers 24 geeignet
ist, von dem ein Teil schematisch in 4 angedeutet
ist. Der Wärmeaustauscher 24 ist
beispielsweise für
eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, geeignet.
Er kann als Kühler,
insbesondere z.B. als Ölkühler, dienen
oder statt dessen als Kondensator oder als Verdampfer und hierbei
z.B. in einen Kältekreislauf
eingebunden werden.
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Der
Bodenteil 10 besteht aus einem zumindest zum Teil ebenen
Flachteil 11 mit einer in 1 bis 3 nach
oben weisenden Seite 12, an der am Flachteil 11 ein
nicht weiter gezeigter Deckelteil z.B. durch Löten, Schweißen od. dgl. befestigbar ist.
Der Flachteil 11 enthält Öffnungen 13,
die zum Aufnehmen einzusteckender Rohre 14 dienen, wie
dies aus 4 ersichtlich ist. Der Flachteil 11 weist
zumindest einen gerundeten Bereich auf und ist im Besonderen dadurch
gekennzeichnet, dass dieser Flachteil 11 einen gekrümmten Zentralteil 15 aufweist,
der zweiachsig, insbesondere entsprechend etwa einer Kugelkalotte,
und somit z. B. kugelabschnittförmig,
gekrümmt
ist. Mit einer solchen Krümmung
des Zentralteils 15 wird einer späteren Verformung des Flachteils 11 bereits
vorweg Rechnung getragen; denn ist der Bodenteil 10 zur
Bildung eines Sammelkastens mit einem Deckelteil verbunden und wird
der Sammelkasten mit einem Medium beaufschlagt, so ist eine Verformung
des Flachteils 11 unter dem Mediumdruck zu erwarten. Eine
derartige Verformung unter Druckbelastung tendiert zumindest abschnittsweise
zu einer Kugel. Aufgrund des etwa zweiachsig, insbesondere entsprechend
einer Kugelkalotte, gekrümmten
Zentralteils 15 ist durch Vorwegkrümmung dem Rechnung getragen
mit dem Resultat, dass sich unter Druckbelastung keine Verformung
des Flachteils 11 oder zumindest eine wesentlich reduzierte Verformung
dieses ergibt. Dies führt
dazu, dass die Verbindungen zwischen den eingesetzten Rohren 14 und
dem Flachteil 11 mechanisch erheblich entlastet sind. Aufgrund
des entsprechend gekrümmten
Zentralteils 15 lässt
sich zumindest in Grenzen ein Idealzustand erreichen, bei dem bei
Belastung des Flachteils 11 sonst herrschende Biegespannungen
aufgrund dieser Krümmung
in Zugspannungen umgewandelt sind, wodurch eine größere Festigkeit
des Flachteils 11 selbst und der genannten Verbindungen zwischen
dem Flachteil 11 und den Rohren 14 erreicht wird.
Da die Festigkeit des Flachteils 11 und der Verbindungen
zwischen dem Flachteil 11 und den Rohren 14 beim
Flachteil 11 von außen
nach innen abnimmt, wird besonders im mittleren Bereich des Flachteils 11 durch
den gekrümmten
Zentralteil 15 dem Rechnung getragen und die Festigkeit
des Flachteils 11 im mittleren Bereich entsprechend gesteigert.
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Der
gekrümmte
Zentralteil 15 ist um eine in den Zeichnungen nur schematisch
angedeutete, längs
verlaufende erste Achse 16 und zugleich auch um eine quer,
insbesondere etwa rechtwinklig, zur ersten Achse 16 verlaufende
zweite Achse 17 gekrümmt.
Der Flachteil 11 hat beim gezeigten Ausführungsbeispiel
etwa rechteckige Kontur mit einer etwa parallel zur ersten Achse 16 verlaufenden
Längsseite 18 und
einer quer dazu, insbesondere etwa rechtwinklig dazu, verlaufenden
Querseite 19. Dementsprechend ist auch der gekrümmte Zentralteil 15 etwa
rechteckig. Demgemäß bildet
eine etwa parallel zur Längsseite 18 des
Flachteils 11 verlaufende Längsachse die erste Achse 16 und
dabei die Krümmungsachse
für die
Querkrümmung
des Zentralteils 15, wie dies aus 1 und insbesondere
aus 3 zu sehen ist. Der Krümmungsradius für diese
Querkrümmung
ist in 3 mit r1 bezeichnet, wobei es sich versteht, dass
der Krümmungsradius
r1, bezogen auf die sonstige Darstellung in 3, nicht
maßstäblich ist.
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Eine
etwa parallel zur Querseite 19 des Flachteils 11 verlaufende
Querachse bildet die zweite Achse 17 und ist die Krümmungsachse
für die
Längskrümmung des
Zentralteils 15. Der Krümmungsradius
für diese
Längskrümmung ist
in 2 schematisch mit r2 eingezeichnet. Es versteht
sich, dass auch hier die Größe des Krümmungsradius
r2 im Vergleich zur Darstellung des Flachteils 11 nicht
maßstäblich ist,
da r2 in der Praxis deutlich größer als
in der Darstellung gemäß 2 ist.
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Der
Krümmungsradius
r1 um die erste Achse 16 kann ein anderer sein als derjenige
r2 um die zweite Achse 17. Dann ergibt sich beim gekrümmten Zentralteil 15 eine
von einem Kugelabschnitt abweichende zweiachsige Krümmung. Statt
dessen kann der Krümmungsradius
r1 um die erste Achse 16 der gleiche sein wie derjenige
r2 um die zweite Achse. Dann ergibt sich für die Krümmung des Zentralteils 15 etwa
eine solche einer Kugelkalotte, d. h. eines Kugelabschnitts.
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Wie
insbesondere aus 2 und 3 ersichtlich
ist, ist die Querkrümmung
des gekrümmten Zentralteils 15 etwa
im Bereich der Mitte der Längsseite 18 aufgrund
der Längskrümmung am
größten, wobei
die Größe der Krümmung ausgehend
von dieser Mitte zu beiden Seiten in Längsrichtung abnimmt.
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Der
gekrümmte
Zentralteil 15 ist von einem ebenen Randbereich 20 auf
der Längsseite 18 und Querseite 19 umrandet,
der nicht gekrümmt
ist. Dieser ebene Randbereich 20 weist zumindest auf einer Seite,
insbesondere auf der Seite 12, etwa ebene Befestigungsflächen 21 auf,
die für
die Befestigung eines Deckelteils daran dienen.
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Zumindest
die meisten Öffnungen 13,
die zum Aufnehmen von Rohren 14 dienen, sind im gekrümmten Zentralteil 15 enthalten.
Je nach Gestaltung kann dabei die Anordnung so getroffen sein, dass
z.B. lediglich der äußerste Rand 22 der
beiden in Längsrichtung äußersten Öffnungen 13,
der dem ebenen dortigen Randbereich 20 benachbart ist,
keine Querkrümmung
um die erste Achse 16 aufweist.
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Die
Anordnung kann auch so getroffen sein, dass nur einzelne Bereiche
des Flachteils 11 eine zweiachsige Krümmung und andere Bereiche nur eine
einachsige Krümmung,
insbesondere Querkrümmung,
aufweisen. In Längsrichtung
des Zentralteils 15 betrachtet kann z. B. am Beginn ein
zweiachsig gekrümmter
Bereich vorliegen, auf den ein einachsig gekrümmter Bereich, z. B. mit Querkrümmung, folgt,
an den sich dann ein zweiachsig gekrümmter Bereich anschließt.
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Beim
gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die Rohre 14 als Flachrohre ausgebildet. In Anpassung daran
sind die Öffnungen 13 als
entsprechend angepasste Schlitze ausgebildet. Der Schlitzverlauf
dieser Öffnungen 13 ist
quer zur Längsseite 18 und
zur ersten Achse 16 des gekrümmten Zentralteils 15 gerichtet.
Zumindest einige dieser insbesondere schlitzförmigen Öffnungen 13 sind von
einem Durchzug 23 begrenzt, durch die vergrößerte Anlageflächen auf
der dem jeweiligen Rohr 14 zugewandten Innenseite des Durchzuges 23 geschaffen
sind und damit die Festigkeit und die Gewähr einer dichten Verbindung
zwischen dem Flachteil 11 und den einzelnen Rohren 14 erhöht wird.
Mit Vorzug weisen die Durchzüge 23 zu der
Seite 12 des Flachteils 11 hin, an der der nicht
gezeigte Deckelteil zu befestigen ist. Somit stehen die Durchzüge 23 dann
bei gebildetem Sammelkasten zu dessen Inneren hin vor. Bei einem
anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
können
die Durchzüge 23 aber
auch zur anderen, der Seite 12 gegenüberliegenden Seite hin weisen.
Die Durchzüge 23 haben
vorteilhaft allesamt jeweils die gleiche Höhe, d.h. den gleich großen Überstand über den
dazwischen befindlichen Flächenbereich
des Zentralteils 15. Statt dessen können die Durchzüge 23 z.B
im mittleren Bereich des Zentralteils 15 auch höher als
bei den angrenzenden Bereichen sein. Die Höhe der Durchzüge 23 kann
z.B. ausgehend von der Mitte zu beiden Seiten in Längsrichtung 18 abnehmen.
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Der
Flachteil 11 stellt ein einstückiges Bauteil dar und ist
z.B. aus Aluminium gebildet. Die Herstellung erfolgt z.B. durch
Spritzgießen
oder Tiefziehen. Der Flachteil 11 weist eine Querschnittsdicke
in der Größenordnung
von etwa 0,8 bis 6 mm auf.
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Der
Bodenteil 10 ist dafür
geeignet, aus diesem und einem nicht gezeigten Deckelteil, der z.B. auf
die Befestigungsflächen 21 aufgesetzt
wird, einen Sammelkasten für
einen Wärmeaustauscher, z.B.
für einen Ölkühler, zusammenzusetzen.
Dabei wird der nicht gezeigte Deckelteil am ebenen, nicht gekrümmten Randbereich 20 des
Flachteils 11, und hierbei insbesondere an den ebenen Befestigungsflächen 21 dieses,
z.B. durch Schweißen,
Löten od. dgl.,
druckdicht befestigt. Der Deckelteil kann ebenfalls aus Aluminium
gebildet sein und besteht vorzugsweise aus einem Tiefziehteil.
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4 zeigt
einen Teil eines Wärmeaustauschers 24 mit
mindestens einem Bodenteil 10, an dem ein nicht gezeigter
Deckelteil zur Bildung eines Sammelkastens befestigbar ist, und
mit Rohren 14 in Form z.B. von Flachrohren, die in entsprechend schlitzförmig gestalteten Öffnungen 13 im
Bodenteil 10 aufgenommen und druckdicht durch z.B. Löten, Schweißen od.
dgl. befestigt sind. Hierbei erfolgt die Befestigung der Rohre 14 an
den Öffnungen 13 und den
Durchzügen 23.
Der Bodenteil 10 und/oder der daraus zu bildende Sammelkasten
weisen die vorstehend beschriebenen Merkmale auf. Man erkennt, dass
die Rohre 14 trotz des zweiachsig, z. B. etwa kugelabschnittförmig, gekrümmten Zentralteils 15 alle
die gleiche Länge
aufweisen. Die in den Öffnungen 13 aufgenommenen
Rohre 14 ragen mit ihren Enden, die über den Flachteil 11 überstehen
und zum Inneren eines zu bildenden Sammelkastens gerichtet sind,
unterschiedlich weit über
den Bodenteil 10 über und
ragen dementsprechend unterschiedlich weit in das Innere eines in
beschriebener Weise zu bildenden Sammelkastens hinein. Die Rohre 14,
die sich etwa im Bereich der Mitte des Zentralteils 15 befinden,
stehen mit ihren Enden weiter über
den Bodenteil 10 über
als die übrigen
Rohre 14, die sich in Längsrichtung 18,
ausgehend von der Mitte, zu beiden Seiten anschließen. Diese
sich zu beiden Seiten anschließenden
Rohre 14 stehen endseitig weniger weit über den Bodenteil 10 über als
die Rohre 14 im Bereich der Mitte. Auch dadurch wird eine
Steigerung der Festigkeit erreicht; denn die Festigkeit des Flachteils 11 und
der Verbindungen zwischen diesem und den Rohren 14 ist
im Bereich der Enden des Bodenteils 10 größer als
im Bereich der Mitte. Die Festigkeit nimmt von außen zur
Mitte hin ab. Da aufgrund gleich langer Rohre 14 diese
nun im Bereich etwa der Mitte des gekrümmten Zentralteils 15 weiter überstehen als
zu beiden Seiten, in Längsrichtung 18 betrachtet, ergibt
sich in diesem mittleren Bereich ein größeres Widerstandsmoment, wodurch
die Festigkeit gesteigert wird.
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Durch
die besondere Gestaltung des Bodenteils 10, eines unter
Verwendung eines solchen Bodenteils 10 herstellbaren Sammelkastens
für einen Wärmeaustauscher
und eines Wärmeaustauschers 24 wird
eine Steigerung der Festigkeit sowohl des Bodenteils 10 als
auch der Verbindungen zwischen diesem und den Rohren 14 erreicht.
Dies macht es möglich,
ggf. die Querschnittsdicke der einzelnen Bauteile weiter zu reduzieren
und somit zu einer Gewichts- und Kostenersparnis zu gelangen. Aufgrund der
Steigerung der mechanischen Festigkeit wird auch die Lebensdauer
eines unter Verwendung des beschriebenen Bodenteils 10 gebildeten
Sammelkastens und eines dementsprechend gestalteten Wärmeaustauschers 24 erhöht, wobei
dies keinen Mehraufwand hinsichtlich des Materials, der Bauteilzahl
und der einzelnen Fertigungsstufen bedingt. Von Vorteil ist ferner,
dass reproduzierbar und dauerhaft dichte Verbindungen zwischen dem
Bodenteil 10 und den Rohren 14 bei geringen Fertigungstoleranzen
erzielt werden.