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Die
Erfindung betrifft ein Wärmetauscherprofil
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere für einen
CO2-Verdampfer, sowie einen Verdampfer mit
einem solchen Wärmetauscherprofil. Derartige
Verdampfer finden breite Anwendung bei Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen.
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Eine
Klimaanlage besitzt im Allgemeinen einen Verdichter, einen Verflüssiger,
eine Expansionsvorrichtung und einen Verdampfer, wobei diese Bestandteile üblicherweise
nacheinander angeordnet und über
fluidleitende Rohre zu einem Kreislauf miteinander verbunden sind.
Bei bisherigen Kraftfahrzeugklimatisierungsanlagen hatten sich Kältemittel, wie
R134a, bewährt.
Diese Kältemittel
sind wegen ihrer FCKW-Bestandteile jedoch umweltschädlich und sollen
durch weniger problematische Kältemittel
ersetzt werden. Ein alternatives Fluid für den Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage
ist beispielsweise Kohlendioxid (CO2). Dieses
Kohlendioxid stellt an eine Klimatisierungsanlage jedoch höhere Anforderungen,
da ein höherer
Betriebsdruck erforderlich ist und damit die einzelnen Bestandteile
der Anlage auf höhere
Berstdrücke
ausgelegt werden müssen.
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Ein
bekannter Flachrohrverdampfer gemäß
DE 10 2005 004 284 A1 umfasst
einen Sammelkasten, der in Längsrichtung
wenigstens in zwei Kammern unterteilt ist und in dessen Boden die
Enden der einzelnen Flachrohre eingeführt sind. Zwischen den einzelnen
Flachrohren sind Lamellen angeordnet, so dass ein guter Wärmeaustausch
zwischen dem durch den Verdampfer fließenden Kältemittel und einem außenseitig
des Verdampfers strömenden
Fluid erfolgen kann. Nachteilig bei einer solchen Anordnung ist,
dass jedes Flachrohr einzeln in eine vorgesehene Öffnung im
Boden des Sammelkastens eingeführt,
positioniert und mit dem Sammelkasten verbunden werden muss.
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Ein
geringerer Zeitaufwand bei der Montage des Verdampfers wird bei
der Verwendung von Verbundprofilen erzielt. Das Dokument
DE 101 50 213 A1 offenbart
ein solches stranggepresstes Verbundprofil aus Aluminium bzw. einer
Aluminiumlegierung. Dieses Verbundprofil weist zwei nebeneinander
angeordnete Flachrohre auf, die in Längsrichtung des Verbundprofils
an ihren Schmalseiten über
Stege miteinander verbunden sind. In diesem Steg können zum
besseren Wärmeaustausch
Ausstanzungen vorgenommen werden. Um die zwei zu dem Verbundprofil
gehörenden
Flachrohre gleichzeitig in vorgesehene Öffnungen eines Sammelkastens
einführen
zu können,
wird endseitig dieser Steg entfernt. Dieses bereichsweise Heraustrennen
des Steges an den Enden des Verbundprofils muss sehr präzise erfolgen.
Zum einen darf nicht unnötig
viel Material am Radius der Flachprofile verbleiben, denn dieses
Material muss vor Einführung
der Flachprofile in den Sammelkasten entfernt werden, da die Größe der Öffnungen
im Sammlerprofil an die Größe der Flachprofile
angepasst ist. Eine solche Gratentfernung birgt das Risiko, dass
sich das Flachprofil während dieser
Bearbeitung verbiegt und seine Geometrie verändert. Auch dies verhindert
ein unproblematisches Einführen
der Flachrohre in die vorgesehenen Öffnungen. Wird andererseits
beim Heraustrennen des Steges zuviel Material entfernt, führt dies
zu einer Wandstärkenschwächung des
Flachrohres und damit bei den hohen Betriebsdrücken eines CO
2-Verdampfers
zu einem erhöhten
Berstrisiko.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein verbessertes Wärmetauscherprofil zur Verfügung zu
stellen, das auf einfache Weise hergestellt werden kann und den
hohen Anforderungen eines CO2-Verdampfers genügt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Wärmetauscherprofil
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieses Wärmetauscherprofil
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wird, wie das bekannte
einstückig
stranggepresste Verbundprofil, mit mindestens zwei Flachrohren,
die an ihren Schmalseiten über
einen Steg miteinander verbunden sind, hergestellt. Diese zwei Flachrohre
können
gleiche oder unterschiedliche Außen- und Innengeometrien aufweisen,
vorzugsweise werden Flachrohre mit gleicher Höhe verwendet. Die Flachrohre
sind in Längsrichtung
des Verbundprofils über
einen verhältnismäßig dicken
Steg miteinander verbunden. Dieser Steg wird vorzugsweise mit geringer
Breite vorgesehen. An der Verbindungsstelle zwischen Steg und Flachrohr
ist die Wanddicke des Steges durch eine einseitig oder beidseitige
Einengung, beispielsweise eine Kerbe, reduziert. Die Wanddicke ist
an dieser Stelle der Einengung damit geringer als die Wanddicke
des Steges und sie ist auch geringer als die Wanddicke des benachbarten
Flachrohres.
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Ein
Verbundprofil lässt
sich auf einfache Weise durch Strangpressen herstellen und auf die
vorgesehene Länge
der Verdampferprofile ablängen.
Ein solches Verbundprofil kann Flachrohre mit einem oder mehreren
durchlaufenden Kanälen
aufweisen, wobei vorzugsweise die Kanäle durch senkrecht zu den Breitseiten
der Flachrohre anordnete Kanalwände
gebildet werden. Die Größe und Anzahl
der Kanäle
für die
zu einem Verbundprofil gehörenden
Flachrohre kann gleich oder unterschiedlich gewählt werden.
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Das
erfindungsgemäße Wärmetauscherprofil
kann in vorteilhafter und einfacher Weise für Hochdruckklimatisierungsanlagen,
insbesondere für
einen CO2-Verdampfer verwendet werden. Dazu wird
an den beiden Enden eines Verbundprofils der Steg bereichsweise
herausgetrennt, so dass eine Nut entsteht, die ausreichend groß ist, dass
die Enden der Flachrohre in vorgesehene Öffnungen des Sammlerprofils
eingeführt
werden können.
Dies bedeutet, dass der Steg in einer Länge entfernt wird, die mindestens
der Einstecktiefe der Flachrohre im Sammlerprofil entspricht. Das
Heraustrennen des Steges oder eines Teiles des Steges ist einfach
aber exakt möglich,
da die Einengungen des Steges Sollbruchstellen für den Trennvorgang darstellen
und damit kein Trennwerkzeug zwischen Steg und Flachrohr angreifen
muss, dass die Seitenwand des Flachrohres eventuell beschädigen könnte. Beim
Trennvorgang bleibt die Seitenwand des Flachrohres unbeeinflusst
und es verbleibt kein Span am Radius dieser Seitenwand. Dadurch
kann auch auf eine dem Trennvorgang eventuell nachfolgende Bearbeitung
der Trennstellen verzichtet werden. Die Flachrohre behalten ihre
Geometrie und können
unmittelbar in die Öffnungen
des Sammlerprofils eingeführt
werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
ist das Verbundprofil an seinen äußeren Oberflächen mit
einer Lot- und/oder Flussmittelbeschichtung versehen, vorzugsweise
an den Breitseiten der Flachrohre, um beim Hartlöten eine gute Verbindung mit
den zwischen den Flachrohren angeordneten Lamellen zu erzielen.
Des Weiteren kann bei einem Sammlerprofil aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung auch eine Hartlötverbindung zwischen dem Sammlerprofil und
den Flachrohren erreicht werden, wobei vorzugsweise das Hartlöten zwischen
den Flachrohren und Lamellen sowie zwischen den Flachrohren und dem
Sammlerprofil in einem Produktionsschritt vorgenommen wird.
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Ein
CO2-Verdampfer mit den erfindungsgemäßen Wärmetauscherprofilen
lässt sich
somit einfach herstellen. Durch die gleichzeitige Montage von zwei
Flachrohren und durch die einfache aber präzise Bearbeitung der Enden
der Verbundprofile wird Produktionszeit eingespart. Andererseits
gibt es weniger Ausschuss bei der Vorbereitung der Verbundprofile
für die
Montage, nämlich
beim bestimmungsgemäßen sauberen,
nämlich
gratlosen Heraustrennen des Steges.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand von Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines stranggepressten Verbundprofils gemäß Stand
der Technik,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen stranggepressten Wärmetauscherprofils,
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3 eine
vergrößerte Querschnittsansicht aus
dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherprofil gemäß 2,
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4 einen
Ausschnitt eines Verdampfers.
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In 1 ist
ein bekanntes stranggepresstes Verbundprofil 1 gezeigt.
Das Verbundprofil ist vorzugsweise aus Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt.
Dieses einstückig
stranggepresste Verbundprofil 1 besteht aus zwei Flachrohren 2, 3,
in diesem Fall mit gleicher Außen-
und Innengeometrie. Die Flachrohre 2, 3 sind nebeneinander
angeordnet und an ihrer einen Schmalseite über einen Steg 4 miteinander
verbunden. Ein solches Verbundprofil 1 wird durch Strangpressen
erhalten, wobei der aus der Strangpresse austretende Strang einer
Trennvorrichtung zugeführt
wird, wo der Profilstrang in gewünschte
Längen
des Verbundprofils 1 geteilt wird. Zum Einführen der
Enden der Flachrohre 2, 3 in ein Sammlerprofil
ist am Ende des jeweiligen Verbundprofils 1 der Steg 4 bereichsweise
herauszutrennen, so dass eine Nut 7 endseitig zwischen
den Flachrohre 2 und 3 entsteht. In der 1 ist
die gewünschte Trennungsnaht 5 für eine solche
Nut 7 in gestrichelter Linie eingezeichnet. Die Trennung
wird mit einem Stanz- oder Schneidwerkzeug erzielt. Wichtig bei diesem
Verbundprofil 1 nach dem Stand der Technik ist, dass ein
Trennwerkzeug unmittelbar diese Trennungsnaht 5 trifft
und der Trennungsschnitt präzise ausgeführt wird.
Eine geringfügige
Abweichung von der beabsichtigten Trennungsnaht 5 führt zu Nachbearbeitungen
oder Ausschussteilen. Wird nämlich
der Trennungsschnitt links von der Trennungsnaht 5 durchgeführt, wird
die Wandung des Flachprofils 2 geschwächt und damit der anwendbare
Druck für
dieses Profil 2 verringert, so dass dieses möglicherweise
nicht mehr für
einen CO2-Verdampfer einsetzbar ist. Übersteigt
der tatsächliche
Betriebsdruck im Verdampfer nämlich
diesen Wert, so kann das Profil bersten. Wird andererseits der Trennungsschnitt rechts
von der beabsichtigten Trennungsnaht 5 durchgeführt, so
verbleibt ein Rest des Steges am Radius des Fachprofils 2 oder 3,
der entfernt werden muss, damit die Stirnseite 8 bzw. 9 des
Flachrohres 2 bzw. 3 in die passende Öffnung am
Sammlerprofil eingeführt
werden kann. Selbst bei einer exakten Ausführung des Trennungsschnittes
verbleibt in der Regel ein Grat am Radius des Flachprofils 2 bzw. 3. Dieser
Grat muss entfernt werden, da ein CO2-Verdampfer ein sensibles
System darstellt, das sehr empfindlich auf Verunreinigungen reagiert.
Späne können den
Kompressor schädigen
oder Ventile bzw. Düsen
verstopfen. Die Nachbearbeitung zur Entfernung der Grate kann zu
Verbiegungen der Schmalseite der Flachrohre führen.
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2 zeigt
ein erfindungsgemäßes stranggepresstes
Verbundprofil 10. Dieses ist vorzugsweise aus Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung hergestellt und besteht aus den Flachrohren 12, 13, in
diesem Fall gleicher Außen-
und Innengeometrie, nämlich
aus vier Kanälen,
die durch drei Kanalwände 16 gebildet
sind. Die Flachrohre 12, 13 sind nebeneinander
angeordnet und an ihrer Schmalseite über einen Steg 14 miteinander
verbunden. Der Steg 14 besitzt an der Verbindungsstelle
zu den Flachrohren 12 und 13, also unmittelbar
benachbart zu diesen Flachrohren 12, 13 eine Einengung 15.
In 2 ist die Einengung 15 durch eine beidseitige
Kerbe erzeugt. Diese beidseitigen Kerben verlaufen in gleicher Tiefe
in Längsrichtung
des Verbundprofils 10. Sie werden bereits beim Strangpressen
in dieser Weise erzeugt. Wie besser aus 3 zu ersehen,
ist die Dicke w1 der Einengung 15 geringer als die Dicke
w3 des Steges 14 und die Dicke w1 der Einengung 15 ist
geringer als die Dicke w2 der anliegenden Seitenwandung 11 des
Flachrohrs 12. Die Einengung 15 stellt damit eine
sogenannte Sollbruchstelle dar und es ist möglich, den Steg 14 gezielt
im Bereich der Einengung 15 von dem Flachprofil 12 und
auf der anderen Seite im Bereich der Einengung 15 vom Flachprofil 13 abzutrennen.
Die Einengung 15 ermöglicht
ein spanloses Herauslösen
des Steges 14, d.h. ein Abtrennen, das keiner Nachbearbeitung
bedarf. Des Weiteren hat das Vorsehen der Einengungen 15 den
Vorteil, dass die Breite b des Steges 14 sehr klein gewählt werden kann.
Dieser Steg 14 dient als Montagehilfe, nämlich zum
Einführen
von gleichzeitig zwei Flachrohren 12, 13 in das
Sammlerprofil 20, trägt
ansonsten jedoch nicht zur Funktionsweise des CO2-Verdampfers
bei. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherprofil 10 kann
die Breite b des Steges 14 so klein gewählt werden, dass die Breite
b der Wanddicke der Trennwand 24 des Sammlers 20 entspricht.
In diesem Fall hat der Steg 14 etwa den Querschnitt eines
Drahtes. Die Wahl einer so geringen Breite b des Steges 4 ist bei
Verbundprofilen 1 nach dem Stand der Technik nicht möglich, da
dort zwischen den Flachrohren 2, 3 ausreichend
Platz für
die Anwendung des Trennwerkzeuges vorhanden sein muß.
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Das
Herauslösen
des Steges 14 kann über die
gesamte Ausdehnung des Verbundprofils 10 erfolgen, beispielsweise
um ein Flachrohr vom Verbundprofil abzutrennen, beispielsweise um
ein Verbundprofil mit vier Flachrohren in zwei Verbundprofile mit
zwei Flachrohren zu teilen. Der Steg 14 kann jedoch auch
bereichsweise herausgetrennt werden, vorzugsweise an den Enden des
Verbundprofils 10 und dort in einer Länge, die mindestens der Einstecktiefe
t der Flachrohre 12, 13 im Sammlerrohr 20 entspricht.
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In 4 ist
eine Verbindung des Verbundprofils 10 mit einem Sammlerprofil 20 aufgezeigt.
Das Sammlerprofil 20 ist in zwei Kammern 22, 23 durch eine
Trennwand 24 aufgeteilt. Das Ende 18 des Flachrohres 12 des
Verbundprofils 10 ist in einer Einstecktiefe t in die Kammer 22 eingeführt. Gleichzeitig wird
das Flachrohr 13 mit seinem Ende 19 in die Kammer 23 eingeführt. Dafür besitzen
die Kammern 22, 23 passende Öffnungen 21. Sichtbar
ist des Weiteren, dass der die Flachrohre 12, 13 verbindende Steg 14 endseitig
herausgenommen ist, so dass eine Nut 17 entsteht, die die
Montage des Verbundprofils 10 am Sammelprofil 20 möglich gemacht
hat. Zum Verdampfer gehören
des Weiteren in 4 nicht gezeigte Lamellen, die
oberhalb und unterhalb vom Verbundprofil 10, d.h. von den
Flachrohren 12, 13, angeordnet und mit den Flachrohren 12, 13 über eine Hartlotverbindung
verbunden sind. Dazu wird das Verbundprofil 10 vorzugsweise
bei der Herstellung mit einer Lot- und Flußmittelbeschichtung versehen. In
gleicher Weise wird die Verbindung zwischen dem Verbundprofil 10 und
dem Sammlerprofil 20 über
eine Hartlotverbindung erzielt, wobei die gute Positionierbarkeit
des Verbundprofils 10 im Sammlerprofil 20 eine
optimale Verlötung
sicherstellt.
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Ein
solcher Verdampfer wird insbesondere für eine Kraftfahrzeugklimaanlage
verwendet, wobei die Querschnittsform des Sammlerprofils 20 unabhängig von
der Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmetauscherprofile
ist, soweit die Öffnungen 21 im
Sammlerprofil 20 benachbart zueinander angeordnet und die
Querschnitte der Öffnungen 21 und die
Querschnitte der Flachrohre 12, 13 aufeinander abgestimmt
sind.
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- 1
- Verbundprofil
(Stand der Technik)
- 2
- Flachrohr
(Stand der Technik)
- 3
- Flachrohr
(Stand der Technik)
- 4
- Steg
(Stand der Technik)
- 5
- Trennungsnaht
(Stand der Technik)
- 6
- Kanalwand
(Stand der Technik)
- 7
- Nut
(Stand der Technik)
- 8
- Stirnseite
(Stand der Technik)
- 9
- Stirnseite
(Stand der Technik)
- 10
- Verbundprofil
- 11
- Seitenwandung
- 12
- Flachrohr
- 13
- Flachrohr
- 14
- Steg
- 15
- Einengung
- 16
- Kanalwand
- 17
- Nut
- 18
- Ende
von 12
- 19
- Ende
von 13
- 20
- Sammlerprofil
- 21
- Öffnung
- 22
- Kammer
- 23
- Kammer
- 24
- Trennwand
- b
- Breite
von 14
- t
- Einstecktiefe
- w1
- Dicke
von 15
- w2
- Dicke
von 11
- w3
- Dicke
von 14