WO2004090457A1 - Sammelkasten und wärmeübertrager - Google Patents

Sammelkasten und wärmeübertrager Download PDF

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2225/00—Reinforcing means
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/14—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes molded
    • F28F2255/143—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes molded injection molded

Definitions

  • the invention relates to a collecting tank, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of claim 1 and to a heat exchanger according to the preamble of claim 8.
  • Tension anchors designed that form a connection from one wall to the other of the charge air box. These are usually taken into account in the manufacturing process and injection molded from the same material with the charge air box. However, such a charge air box still leaves nothing to be desired.
  • EP 0 641 985 B1 discloses a heat exchanger tank with a plurality of stiffening struts which are formed separately from the heat exchanger tank and are inserted in depressions which extend between opposite walls of the heat exchanger tank after the heat exchanger tank has been completed.
  • the production is relatively complex, so that even such a heat exchanger container still leaves something to be desired. It is an object of the invention to provide an improved header tank and / or heat exchanger.
  • the tie rod which is formed in one piece with the charge air or coolant box, in particular made of plastic, or at least firmly connected to it, in particular by means of casting, has a continuous cavity, preferably open on both sides. This is preferably produced in one operation with the production of the remaining collecting tank, in particular by means of injection molding.
  • an insert can be provided, which is inserted into the tool in particular before the injection molding.
  • the tie rod it is also possible to insert the tie rod into openings that are sprayed with it and then weld it, which also enables a material connection.
  • the cavity is used for temperature control, for example cooling the tie rod, which may be exposed to high temperatures.
  • the cavity is preferably continuous in a pulling direction of the tie rod.
  • a coolant is particularly preferably passed through the cavity, which may also be ambient air, since the material temperatures in the most heavily loaded areas can thus be reduced in a targeted manner. This slows down the oxidative aging of the plastic, which increases the service life.
  • cheaper plastics can also be used, or the use of plastics instead of aluminum becomes possible in certain cases.
  • the cavity is preferably formed by a tube arranged in the tie rod, in particular with an essentially circular or oval cross section. Several thin tubes can also be arranged side by side, separately or in one piece.
  • Inlays in the tie rod are also possible, for example metal inserts, metal strips, fiber material inserts, fiber material strips and / or fibers, the fiber materials or the fibers in particular being glass or carbon fibers. These inserts serve to reinforce the tie rod (eg glass fibers) as well as additional heat dissipation (eg copper wires or foils).
  • a casing with a plastic is preferably provided. This applies in particular to the variant in which the tie rod is inserted and welded after injection molding.
  • the plastic sheathing which consists in particular of a plastic material that can be easily connected to the plastic material of the charge air or coolant box, enables a very good, preferably integral connection of the plastic materials.
  • a header box according to the invention is used in a heat exchanger, with heat transfer tubes opening into the header box.
  • the heat exchanger has corrugated fins for enlarging a heat-transferring surface, the corrugated fins being soldered to the heat transfer tubes, for example.
  • Such heat exchangers can be used in particular in motor vehicles.
  • the collecting box according to the invention in any heat exchanger alone or in connection with at least one further collecting box, wherein the at least one further collecting box can also be a collecting box according to the invention or a collecting box according to the prior art.
  • An inventive collection box designed as a coolant box of an air conditioning system of a motor vehicle, consists of polyamide reinforced with glass fibers with tie rods that have an insert made of a glass fiber band.
  • a chemical, exothermic or endothermic active blowing agent in granular form is added to a polyamide present in the form of granules and mixed with glass fibers to accelerate the crystallization, the blowing agent being coated with polyethylene, the granules mixed together and fed to an injection molding machine.
  • the granules are plasticized in a known manner to give a plastic mass due to heat (240-290 ° C.) and pressure.
  • This plastic plastic mass is filled into an injection molding tool, into which reinforcing elements, in the present case tubular glass fibers that are coated with polyamide, are automatically inserted at the points where tie rods are provided.
  • the reinforcing element is so stable that the cavity inside is not destroyed during the injection molding. Due to high temperatures, the blowing agent reacts, releasing heat energy and producing CO 2 .
  • the blowing agent or the resulting CO 2 causes the injection mold to be filled more quickly, since there is less volume loss of the plastic mass when cooling, so that no or only a minimal amount of plasticized plastic mass has to be added to compensate for the volume loss.
  • the injected polyamide integrally connects with the polyamide of the glass fiber sheathing, so that tie rods integrated in the coolant box are formed in one piece, which are reinforced with glass fibers according to the requirements.
  • the plastic mass remains in the injection molding tool until the mold is filled and a certain crystallization and relaxation has taken place. Then the injection mold is opened, the coolant box is removed and a clamping frame is inserted immediately to prevent the coolant box from falling into place.
  • the coolant boxes have a surface temperature of approx. 120 ° C during removal. The stenter can be cooled.
  • a rubber cord seal is placed around an aluminum box bottom, the clamping frame is removed from the coolant box, as quickly as possible, i.e. within approx. 30-60 seconds, the coolant box is placed on the aluminum box bottom with a rubber cord seal and pressed in a press.
  • thin metal tubes which are provided for strengthening and cooling the tie rods, are inserted and cast into the injection mold for a charge air box, the ends of the metal tubes protruding from the mold, so that later connection to a coolant circuit is possible.
  • the coolant cooler is usually arranged near the charge air box and therefore only minor changes are required for a charge air box that is cooled in some areas, that is to say in the area of the tie rods.
  • the tie rod, together with the continuous cavity is injection-molded directly in one operation, without inlays being provided.
  • FIG. 1 is a perspective view of a heat exchanger
  • Fig. 2 shows a partial section through a collecting box
  • FIG. 3 shows a section through a collecting box.
  • FIG. 1 shows a heat exchanger 1 as charge air cooler is connected to a tube-fin block 2 in which the individual tubes, not shown, are connected, for example soldered, to corrugated fins arranged therebetween.
  • Side parts 3, 4 are arranged on the side of the tube-fin block 2.
  • the tubes of the tube-fin block 2 are fluidly connected to header boxes 5, 6, so that the fluid flowing into the one header box 5 via the connector 7, such as charge air, through part of the tubes of the tube-fin block to the second header box 6 flows and from there flows over a further part of the pipes back to the first header tank and from there can flow out through the nozzle.
  • FIG. 2 shows a section through a collecting box 5 with a tube plate 5a and a cover 5b.
  • a nozzle 7, 8 is arranged, but this is not visible in this illustration.
  • a tie rod 10 is arranged between a front wall of the cover of the collection box and a rear wall of the cover of the collection box. This tie rod is hollow.
  • Figure 3 shows a collecting box in the area of the nozzle 7 in section.
  • the tube sheet 5a and the tie rod 10 can be seen.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ladeluft- oder Kühlmittelkasten (5) aus Kunststoff mit mindestens einem in den Ladeluft- bzw. Kühlmittelkasten (5) integrierten, einstückig oder fest verbundenen Zuganker (10), wobei der Zuganker (10) mindestens einen durchgehenden Hohlraum in seiner Längsachse aufweist.

Description

Sammelkasten und Wärmeübertrager
Die Erfindung betrifft einen Sammelkasten, insbesondere für ein Kraftfahr- zeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Herkömmliche, spritzgegossene Kunststoff-Ladeluftkästen, die hohen Beanspruchungen, nämlich hohen Temperaturen und hohen Drücken, ausgesetzt sind, sind häufig in Bereichen mit besonders hohen Beanspruchungen mit
Zugankern ausgestaltet, die eine Verbindung von einer zur anderen Wand des Ladeluftkastens bilden. Diese werden in der Regel bei der Herstellungsform berücksichtigt und gleich mit dem Ladeluftkasten aus dem gleichen Material spritzgegossen. Ein derartiger Ladeluftkasten lässt jedoch noch Wünsche offen.
So ist aus der EP 0 641 985 B1 ein Wärmetauscherbehälter mit mehreren getrennt vom Wärmetauscherbehälter ausgebildeten und in Vertiefungen, die sich zwischen gegenüberliegenden Wänden des Wärmetauscherbehäl- ters erstrecken, nach der Fertigstellung des Wärmetauscherbehälters eingesetzte Versteifungsstreben bekannt. Hierbei ist jedoch die Herstellung relativ aufwändig, so dass auch ein solcher Wärmetauscherbehälter noch Wünsche offen lässt. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Sammelkasten und/oder Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sammelkasten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß weist der Zuganker, der einstückig mit dem Ladeluft- oder Kühlmittelkasten, insbesondere aus Kunststoff, ausgebildet oder hiermit zumindest fest verbunden ist, insbesondere mittels Eingießens, einen durchgehenden, bevorzugt auf beiden Seiten offenen, Hohlraum auf. Dieser wird bevorzugt in einem Arbeitsgang mit der Herstellung des restlichen Sammelkastens hergestellt, insbesondere mittels Spritzgießen. Alternativ kann eine Einlage vorgesehen sein, die insbesondere vor dem Spritzgießen in das Werkzeug eingelegt wird. Prinzipiell ist es auch möglich den Zuganker in mitgespritzte Öffnungen einzuschieben und anschließend zu verschweißen, wodurch auch eine stoffschlüssige Verbindung möglich ist. Dabei dient der Hohlraum einer Temperierung, beispielsweise Kühlung des Zugankers, der unter Umständen hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
Bevorzugt ist der Hohlraum in einer Zugrichtung des Zugankers durchgehend ausgebildet. Besonders bevorzugt erfolgt eine Durchleitung eines Kühlmittels durch den Hohlraum, wobei es sich auch um Umgebungsluft handeln kann, da so die Material-Temperaturen in den am stärksten belasteten Bereichen gezielt abgesenkt werden können. Somit wird die oxidative Alterung des Kunststoffes verlangsamt, wodurch die Lebensdauer steigt. Ferner können auch billigere Kunststoffe verwendet werden oder aber die Verwendung von Kunststoffen anstelle von Aluminium wird in bestimmten Fällen überhaupt erst möglich. Vorzugsweise wird der Hohlraum durch ein in dem Zuganker angeordnetes Rohr gebildet, insbesondere mit einem im wesentlichen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt. Dabei können auch mehrere dünne Röhrchen nebeneinander angeordnet sein, getrennt oder einstückig ausgebildet. Femer sind Einlagen im Zuganker möglich, z.B. Metalleinlegeteile, Metallbänder, Faserwerkstoff-Einlegeteile, Faserwerkstoff-Bänder und/oder Fasern, wobei es sich bei den Faserwerkstoffen beziehungsweise bei den Fasern insbesondere um Glas- oder Kohlefasern handelt. Diese Einlagen die- nen sowohl der Verstärkung des Zugankers (z.B. Glasfasern) als auch der zusätzlichen Wärmeableitung (z.B. Kupferdrähte oder -folien). Vorzugsweise ist eine Ummantelung mit einem Kunststoff vorgesehen. Dies gilt insbesondere für die Variante, bei der der Zuganker nach dem Spritzgießen eingeschoben und verschweißt wird. Durch die Kunststoff-Ummantelung, die ins- besondere aus einem Kunststoff-Material besteht, das sich mit dem Kunststoff-Material des Ladeluft- oder Kühlmittelkastens problemlos verbinden lässt, ist eine sehr gute, bevorzugt stoffschlüssige Verbindung der Kunststoff-Materialien möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein erfindungsgemäßer Sammelkasten in einem Wärmeübertrager eingesetzt, wobei Wärmeübertragungsrohre in den Sammelkasten münden, Insbesondere weist der Wärmeübertrager Wellrippen für eine Vergrößerung einer wärmeübertragenden Oberfläche auf, wobei zum Beispiel die Wellrippen mit den Wärmeübertra- gungsrohren verlötet sind. Solche Wärmeübertrager sind insbesondere in Kraftfahrzeugen einsetzbar.
Es besteht überdies die Möglichkeit, den erfindungsgemäßen Sammelkasten in einem beliebigen Wärmeübertrager allein oder in Verbindung mit zumin- dest einem weiteren Sammelkasten zu verwenden, wobei der zumindest eine weitere Sammelkasten ebenfalls ein erfindungsgemäßer Sammelkasten oder ein Sammelkasten nach dem Stand der Technik sein kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele im ein- zelnen erläutert. Ein erfindungsgemäßer, als Kühlmittelkasten einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs ausgebildeter Sammelkasten besteht aus mit Glasfasern verstärktem Polyamid mit Zugankern, die einen Einsatz aus einem Glasfaserband aufweisen. Zur Herstellung des Kühlmittelkastens wird einem in Gra- nulatform vorliegenden, mit Glasfasern versetzten Polyamid zur Beschleunigung der Kristallisation ein chemisches, exotherm oder endotherm wirkendes Treibmittel in Granulatform zugegeben, wobei das Treibmittel mit Polyäthylen ummantelt ist, die Granulate miteinander vermischt und einer Spritzgießmaschine zugeführt.
In einer Schnecke der Spritzgießmaschine erfolgt auf bekannte Weise eine Plastifizierung der Granulate zu einer Kunststoffmasse infolge von Wärme (240-290°C) und des Druckes. Diese plastische Kunststoff masse wird in ein Spritzgusswerkzeug gefüllt, in das verstärkende Elemente, vorliegend rohr- förmig angeordnete Glasfasern, die mit Polyamid ummantelt sind, an den Stellen, an denen Zuganker vorgesehen sind, automatisch eingelegt. Hierbei ist das verstärkende Element so stabil ausgebildet, dass der Hohlraum im Inneren während dem Spritzgießen nicht zerstört wird. Aufgrund hohen Temperaturen reagiert das Treibmittel unter Abgabe von Wärmeenergie un- ter Bildung von CO2. Das Treibmittel bzw. das entstandene CO2 bewirkt ein schnelleres Ausfüllen des Spritzgusswerkzeuges, da ein geringerer Volumenschwund der Kunststoffmasse beim Abkühlen auftritt, so dass keine oder nur eine minimale Menge plastifizierter Kunststoff masse zum Ausgleich des Volumenschwunds nachgeschoben werden muss. Das eingespritzte Polyamid verbindet sich stoffschlüssig mit dem Polyamid der Glasfaserum- mantelung, so dass einstückig in den Kühlmittelkasten integrierte Zuganker ausgebildet sind, die mit Glasfasern entsprechend den Anforderungen verstärkt sind.
Im Spritzgusswerkzeug verbleibt die Kunststoffmasse bis die Form ausgefüllt und eine gewisse Kristallisation und Relaxation erfolgt ist. Anschließend wird das Spritzgusswerkzeug geöffnet, der Kühlmittelkasten entnommen und sofort ein Spannrahmen eingesetzt, um ein Einfallen des Kühlmittelkastens zu verhindern. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hat der Kühlmittel- kästen bei der Entnahme eine Oberflächentemperatur von ca. 120°C. Dabei kann der Spannrahmen gekühlt werden.
Zur Weiterverarbeitung wird um einen Aluminium-Kastenboden eine Gummi- schnur-Dichtung gelegt, der Spannrahmen aus dem Kühlmittelkasten entfernt, möglichst schnell, d.h. innerhalb von ca. 30-60 Sekunden, der Kühlmittelkasten auf den Aluminium-Kastenboden mit Gummischnur-Dichtung gelegt und in einer Presse verpresst.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel werden für einen Ladeluftkasten dünne Metallröhrchen, die zur Verstärkung und Kühlung der Zuganker vorgesehen sind, in das Spritzgusswerkzeug eingelegt und eingegossen, wobei die Enden der Metallröhrchen aus der Form ragen, so dass später ein Anschließen an einen Kühlmittelkreislauf möglich ist. Der Kühlmittelkühler ist in der Regel nahe dem Ladeluftkasten angeordnet und daher sind nur geringe Änderungen für einen bereichsweise, das heißt im Bereich der Zuganker, gekühlten Ladeluftkasten erforderlich.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel wird der Zuganker mitsamt durch- gehendem Hohlraum direkt in einem Arbeitsgang gespritzt, ohne dass Einlagen vorgesehen sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Wärmeübertragers,
Fig. 2 einen teilweisen Schnitt durch einen Sammelkasten und
Fig. 3 einen Schnitt durch einen Sammelkasten. Die Figur 1 zeigt einen Wärmeübertrager 1 , wie Ladeluftkühler mit einem Rohr-Rippen-Block 2 bei welchem die einzelnen nicht dargestellten Rohre mit dazwischen angeordneten Wellrippen verbunden, wie beispielsweise verlötet, sind. Seitlich des Rohr-Rippen-Blocks 2 sind Seitenteile 3,4 ange- ordnet. Die Rohre des Rohr-Rippen-Blocks 2 sind mit Sammelkästen 5,6 fluidverbunden, so daß das in den einen Sammelkasten 5 über den Stutzen 7 einströmende Fluid, wie Ladeluft, durch einen Teil der Rohre des Rohr- Rippen-Blocks zu dem zweiten Sammelkasten 6 strömt und von dort über einen weiteren Teil der Rohre zurück zu dem ersten Sammelkasten strömt und von dort durch den Stutzen ausströmen kann.
Die Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Sammelkasten 5 mit einem Rohrboden 5a und einem Deckel 5b. Im Bereich der glockenförmigen Kontur ist ein Stutzen 7,8 angeordnet, der jedoch in dieser Darstellung nicht sichtbar ist. Zwischen einer vorderen Wand des Deckels des Sammelkastens und einer rückwärtigen Wand des Deckels des Sammelkastens ist ein Zuganker 10 angeordnet. Dieser Zuganker ist hohl ausgebildet.
Die Figur 3 zeigt einen Sammelkasten im Bereich des Stutzens 7 im Schnitt. Dabei ist der Rohrboden 5a und der Zuganker 10 zu erkennen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Sammelkasten, insbesondere Ladeluft- oder Kühlmittelkasten aus Kunststoff, mit mindestens einem in den Sammelkasten integrierten, einstückig oder fest verbundenen Zuganker, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker mindestens einen insbesondere in einer Zugrichtung des Zugankers durchgehenden Hohlraum aufweist.
2. Sammelkasten nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum an einer Seite des Zugankers, insbesondere an zwei gegenüberliegenden Seiten des Zugankers, offen ist.
3. Sammelkasten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einlage im Zuganker vorgesehen ist, die den Hohlraum definiert.
4. Sammelkasten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einlage ein Rohr ist.
5. Sammelkasten nach einem Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ummantelung einer Einlage mit einem Kunststoff vorgesehen ist.
6. Sammelkasten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum von einem Fluid durchströmbar ausgebildet ist.
7. Sammelkasten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer oder beiden Seiten des Hohlraums Anschlüsse für eine Fluidzulei- tung und eine Fluidableitung vorgesehen sind.
8. Wärmeübertrager, insbesondere Ladeluft- oder Kühlmittelkühler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit Wärmeübertragungsrohren, die in zumindest einen Sammelkasten münden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Sammelkasten nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
PCT/EP2004/003681 2003-04-10 2004-04-06 Sammelkasten und wärmeübertrager Ceased WO2004090457A1 (de)

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