DE102010052621B4 - Method for producing a heat exchanger - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird, mit folgenden Schritten: a. Aus einem Edelstahlband werden Zick-Zack-förmige Verwirbelungselemente (1) gebogen, wobei der Biegeradius der Biegungen (2) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lamellen (3) des Verwirbelungselements (1) größer als die Wandstärke des Edelstahlbandes gewählt wird; b. Die Verwirbelungselemente (1) werden im Bereich der Biegungen (2) mit einem Lot (4) bepastet und unter Ausbildung eines Lötspaltes an einer Oberfläche (5) eines Wärmeüberträgers (6) angeordnet; c. Die Verwirbelungselemente (1) werden mittels Schweißen punktuell an dem Wärmeüberträger (6) fixiert; d. Die Verwirbelungselemente (1) werden mit dem Wärmeüberträger (6) in einem Lötofen verlötet.Method for producing a heat exchanger which is used in the exhaust gas flow of an internal combustion engine, comprising the following steps: a. Zigzag-shaped turbulence elements (1) are bent from a stainless steel strip, the bending radius of the bends (2) between two successive lamellae (3) of the turbulence element (1) being selected to be greater than the wall thickness of the stainless steel strip; b. The swirling elements (1) are pasted with a solder (4) in the area of the bends (2) and arranged on a surface (5) of a heat exchanger (6) with the formation of a soldering gap; c. The swirling elements (1) are fixed at points on the heat exchanger (6) by means of welding; d. The swirling elements (1) are soldered to the heat exchanger (6) in a soldering furnace.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers.The invention relates to a method for producing a heat exchanger.

Wärmetauscher bzw. Wärmetauscherplatten werden zurzeit in unterschiedlichsten Konfigurationen in automobilen Kühlanwendungen verbaut. In Abgas- und Abgasrückkühlungsanwendungen kommt aufgrund der chemischen Haltbarkeit, der Warmfestigkeit und der mechanischen Dauerfestigkeit bevorzugt Edelstahl zum Einsatz. Häufige Materialkombinationen sind hierbei Edelstähle der Werkstoffgruppen 1.43xx und 1.44xx, also chemisch beständige, nicht rostende Stähle mit mehr als 2% Nickel. Diese Werkstoffe kennzeichnet eine hohe Resistenz gegen sogenanntes aggressives Kondensat, welches bei Unterschreitung des jeweiligen Taupunkts in größeren Mengen in Wärmetauschern anfallen kann.Heat exchangers or heat exchanger plates are currently installed in a wide variety of configurations in automotive refrigeration applications. In exhaust gas and exhaust gas recirculation applications, preference is given to stainless steel because of its chemical durability, heat resistance and mechanical fatigue strength. Common material combinations here are stainless steels of the material groups 1.43xx and 1.44xx, ie chemically resistant, stainless steels with more than 2% nickel. These materials are characterized by a high resistance to so-called aggressive condensate, which can occur in larger quantities in heat exchangers when falling below the respective dew point.

Aufgrund der geringen Materialstärken von Wärmetauscherplatten und Wärmetauscherrohren spielt die Wärmeleitung des Materials nur eine untergeordnete Rolle. Die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit übertragen werden kann, hängt allerdings maßgeblich von dem Wärmeübergang und der Größe der Oberfläche ab.Due to the low material thicknesses of heat exchanger plates and heat exchanger tubes, the heat conduction of the material plays only a minor role. The amount of heat that can be transferred per unit of time, however, largely depends on the heat transfer and the size of the surface.

Bei Abgaswärmetauschern (Abgas/Kühlwasser) unterscheiden sich die Wärmekapazitäten in Bezug auf das Volumen der Medien sehr stark. Die zur Verfügung stehende Oberfläche ist aufgrund der geringen Wandstärke der Wärmetauscherwände bei Plattenwärmetauschern und Rohrbündelwärmetauschern annähernd gleich.In the case of exhaust gas heat exchangers (exhaust gas / cooling water), the heat capacities differ greatly with respect to the volume of the media. The available surface is approximately the same due to the small wall thickness of the heat exchanger walls in plate heat exchangers and shell and tube heat exchangers.

Somit ist der Wärmeübergang zwischen Oberfläche und den strömenden Medien, insbesondere dem Abgas, zu optimieren. Hierfür eignet sich dessen Verwirbelung innerhalb des Wärmetauschers. Ein bevorzugter Ansatz zur Herbeiführung solcher Verwirbelungen im Gasstrom nutzt Einbauten in Form von Rippen oder Blechen, die in Lamellenstrukturen geformt werden. Diese bewirken eine Querschnittsverkleinerung der gasseitigen Strömungswege. Aus diesen Querschnittsverengungen ergibt sich eine Änderung des Strömungsquerschnitts, wodurch der Beginn der Turbulenzproduktion bereits bei kleineren Strömungsgeschwindigkeiten stattfindet.Thus, the heat transfer between the surface and the flowing media, in particular the exhaust gas to optimize. For this purpose, its swirling within the heat exchanger is suitable. A preferred approach to inducing such swirls in the gas stream utilizes internals in the form of ribs or sheets which are formed into lamellar structures. These cause a cross-sectional reduction of the gas-side flow paths. From these cross-sectional constrictions results in a change in the flow cross-section, whereby the beginning of the turbulence production already takes place at lower flow velocities.

Allerdings erhöht sich mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit auch der Strömungswiderstand, wodurch sich die Effizienz wieder reduziert.However, the flow resistance also increases with increasing flow velocity, which reduces the efficiency again.

Wie eingangs ausgeführt, bestehen bezüglich der Materialauswahl erhebliche Einschränkungen. Das Gleiche gilt für die möglichen Fügeverfahren. Aufgrund der komplexen Geometrie, den unzugänglichen Fügestellen und der Vielzahl von Einzelteilen ist das Fügen durch Schweißen nur im Bereich von Rohrböden geeignet.As stated at the outset, there are considerable restrictions with regard to the choice of material. The same applies to the possible joining methods. Due to the complex geometry, the inaccessible joints and the large number of individual parts, joining by welding is only suitable in the area of tube sheets.

Die DE 20 2008 013 351 U1 offenbart ein Wärmetauschernetz und einen damit ausgerüsteten Wärmetauscher. Dieser ist zur Abkühlung von Ladeluft, beispielsweise aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors eines Kraftwagens, vorgesehen. Das Wärmetauschernetz weist aus einem Edelstahlband zick-zack-förmig abgebogene Lamellen auf, welche mit einem Biegeradius versehen sind und somit wellenförmig ineinander übergehen. Die Lamellen sind im Bereich ihrer wellenförmigen Übergänge mittels Löten an der Oberfläche einer Platte festgelegt.The DE 20 2008 013 351 U1 discloses a heat exchanger network and a heat exchanger equipped therewith. This is for cooling charge air, for example from the exhaust stream of the engine of a motor vehicle, provided. The heat exchanger network has from a stainless steel strip zigzag-shaped bent lamellae, which are provided with a bending radius and thus wavy in one another. The lamellae are fixed in the region of their wavy transitions by means of soldering to the surface of a plate.

Aus der DE 10 2007 004 993 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung von Flachrohren hervor, welche das Kühlnetz eines Wärmetauschers bilden. Die einzelnen Flachrohre weisen ein zick-zack-förmig gebogenes Innenteil in Form eines wellenförmig verlaufenden Streifens aus einem Aluminiumblech auf. Die Wellentäler und Wellenberge des inneren Streifens werden mit weiteren Streifen verbunden, zwischen denen der innere Streifen angeordnet ist. Hierfür weist wenigstens einer der Streifen eine zweckmäßige Lotbeschichtung auf, um eine Verbindung mittels Löten zu ermöglichen. Das Verlöten erfolgt innerhalb eines Lötofens.From the DE 10 2007 004 993 A1 shows a process for the production of flat tubes, which form the cooling network of a heat exchanger. The individual flat tubes have a zigzag-shaped bent inner part in the form of a wave-shaped strip made of an aluminum sheet. The troughs and crests of the inner strip are connected to further strips, between which the inner strip is arranged. For this purpose, at least one of the strips has a suitable solder coating in order to enable a connection by means of soldering. The soldering takes place within a soldering furnace.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der dafür vorgesehen ist, im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eingesetzt zu werden, fertigungstechnisch zu optimieren.The invention has for its object to provide a method for producing a heat exchanger, which is intended to be used in the exhaust stream of an internal combustion engine to optimize manufacturing technology.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers sind folgende Fertigungsschritte vorgesehen:

  • a. Aus einem Edelstahlband werden Zick-Zack-förmige, insbesondere lamellen- oder rippenförmige Verwirbelungselemente gebogen, wobei der Biegeradius der Biegungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lamellen oder Rippen der Verwirbelungselemente größer als die Wandstärke des Edelstahlbandes gewählt wird;
  • b. Die Verwirbelungselemente werden im Bereich der Biegungen mit einem Lot bepastet und unter Ausbildung eines Lötspaltes an einer Oberfläche eines Wärmeüberträgers des Wärmetauschers angeordnet;
  • c. Die Verwirbelungselemente werden mittels Schweißen punktuell an dem Wärmeüberträger fixiert;
  • d. Die fixierten Verwirbelungselemente werden mit dem Wärmeüberträger in einem Lötofen verlötet.
In the method according to the invention for producing a heat exchanger, the following production steps are provided:
  • a. From a stainless steel band zigzag-shaped, in particular lamellar or rib-shaped swirling elements are bent, the bending radius of the bends between two successive lamellae or ribs of the swirling elements is selected to be greater than the wall thickness of the stainless steel strip;
  • b. The swirling elements are pasted in the region of the bends with a solder and arranged to form a soldering gap on a surface of a heat exchanger of the heat exchanger;
  • c. The turbulators are selectively fixed by welding to the heat exchanger;
  • d. The fixed turbulators are soldered to the heat exchanger in a brazing furnace.

Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert das Schweißen und das Löten. Im ersten Schritt werden die einzelnen Verwirbelungselemente aus dem Edelstahlband, insbesondere der Werkstoffgruppen 1.43xx und 1.44xx, gebogen. Dabei ergibt sich eine zusammenhängende, Zick-Zack-förmige Struktur. Hierdurch weisen die Verwirbelungselemente einzelne Lamellen und/oder Rippen auf, welche über einzelne Biegungen zusammenhängen. Ein einzelnes Verwirbelungselement besitzt mindestens eine solche Biegung, vorzugsweise eine Vielzahl von Biegungen, so dass sich unter Ausbildung mehrerer Verwirbelungselemente die erforderliche Lamellen- oder Rippenform ergibt. Theoretisch denkbar ist auch, dass mehrere V-förmig gebogene Lamellen aneinander gereiht werden und sich somit Zick-Zack-förmige Anordnungen auf der Oberfläche des Wärmetauschers und auf der Oberfläche des Wärmeüberträgers bilden. Bei dem Wärmeüberträger handelt es sich um ein metallisches Bauteil. Die so vorgefertigten Elemente werden bewusst mit sehr großen Biegeradien gebogen, wobei der Biegeradius deutlich größer ist als die Wandstärke des eingesetzten Edelstahlbandes. Der Biegeradius kann in einem Verhältnis von 5 bis 50, insbesondere in einem Verhältnis von 10 bis 20 zur Wandstärke des Edelstahlbandes stehen. Die großen gerundeten Radien werden anschließend mit einem Lot bepastet. Das Lotmittel ist insbesondere ein Hochtemperaturlot, vorzugsweise ein Kupferbasislot. Die Bepastung erfolgt längs derjenigen Lamellenbereiche, die später mit dem Wärmeüberträger in Kontakt stehen sollen. The inventive method combines welding and soldering. In the first step, the individual swirling elements are bent from the stainless steel strip, in particular the material groups 1.43xx and 1.44xx. This results in a coherent, zigzag-shaped structure. As a result, the turbulence elements on individual lamellae and / or ribs, which are related to individual bends. A single turbulence element has at least one such bend, preferably a plurality of bends, so that the formation of a plurality of turbulence elements results in the required lamella or rib shape. Theoretically, it is also conceivable that a plurality of V-shaped curved lamellas are lined up and thus form zigzag-shaped arrangements on the surface of the heat exchanger and on the surface of the heat exchanger. The heat exchanger is a metallic component. The prefabricated elements are deliberately bent with very large bending radii, whereby the bending radius is significantly greater than the wall thickness of the stainless steel strip used. The bending radius can be in a ratio of 5 to 50, in particular in a ratio of 10 to 20 to the wall thickness of the stainless steel strip. The large rounded radii are then pasted with a solder. The solder is in particular a high-temperature solder, preferably a Kupferbasislot. The pasting takes place along those slat areas, which are later to be in contact with the heat exchanger.

Die bepasteten Verwirbelungselemente sind so mit dem Wärmetauscher zu verbinden, dass die Einzellamellen oder Einzelrippen den für eine korrekte Verbindung benötigten Lotspalt aufweisen. Dies ist erforderlich, um eine gleichmäßige und ausgeprägte Anbindung der Lamellen oder Rippen mit dem Wärmeüberträger zu erreichen. Gerade bei der Ausbildung des Lötspaltes kommen die besonderen Vorteile der großen Biegeradien zum Tragen. Aufgrund der Radien stellt sich zwangsläufig der erforderliche Lötspalt ein, der wesentlich ist für das prozesssichere Löten. Nur so ist ein sicherer Wärmeübergang von den Verwirbelungselementen in den Wärmeüberträger gewährleistet.The pasted Verwirbelungselemente are to be connected to the heat exchanger, that the single lamellae or single ribs have the necessary for a correct connection Lotspalt. This is necessary to achieve a uniform and pronounced connection of the fins or ribs with the heat exchanger. Especially in the formation of the soldering gap, the special advantages of the large bending radii come into play. Due to the radii inevitably sets the required solder gap, which is essential for process-reliable soldering. Only then is a safe heat transfer from the turbulence in the heat exchanger guaranteed.

Die nötige Fixierung zur Vorbereitung auf den Lötvorgang kann durch geeignete Positionierhilfen erfolgen. Im Rahmen der Erfindung wird jedoch eine zusätzliche Verschweißung vorgesehen, insbesondere eine sogenannte Mikroverschweißung, mittels welcher Mikroschweißpunkte gesetzt werden. Dadurch können die einzelnen Verwirbelungselemente auf dem Wärmeüberträger fixiert werden.The necessary fixation to prepare for the soldering can be done by suitable positioning. In the context of the invention, however, an additional welding is provided, in particular a so-called micro-welding, by means of which micro-welding points are set. As a result, the individual swirling elements can be fixed on the heat exchanger.

Die Mikroschweißpunkte können manuell oder automatisch aufgebracht werden.The micro-welding points can be applied manually or automatically.

Vorzugsweise wird das Verschweißen mittels eines Doppelschweißimpulses durchgeführt. Im ersten Schweißimpuls werden etwaige Oxidschichten auf der Oberfläche der Fügepartner gelöst und zwischenliegendes Lot verdrängt. Im zweiten Schweißimpuls wird die Verbindung mit dem Grundmaterial, das heißt mit dem Wärmeüberträger, hergestellt.Preferably, the welding is carried out by means of a double-welding pulse. In the first welding impulse, any oxide layers on the surface of the joining partners are loosened and interposed solder displaced. In the second welding pulse, the connection with the base material, that is to say with the heat exchanger, is produced.

Zur Fixierung eines Verwirbelungselements reicht je nach Länge des Wärmeüberträgers bereits ein einziger Mikroschweißpunkt je Rippe aus. Grundsätzlich können auch mehrere Mikroschweißpunkte je Rippe gesetzt werden.Depending on the length of the heat exchanger, a single microwelding point per rib is sufficient to fix a swirling element. In principle, several micro-welding points per rib can also be set.

Der Wärmeüberträger kann sowohl eine Wärmetauscherplatte, die Bestandteil eines Wärmetauschers ist, als auch ein Wärmetauscherrohr sein. Während auf der einen Seite des Wärmeüberträgers ein Abgas vorbeiströmt, befindet sich auf der anderen Seite des Wärmeüberträgers beispielsweise ein flüssiges Wärmeträgermedium.The heat exchanger may be both a heat exchanger plate, which is part of a heat exchanger, and a heat exchanger tube. While on one side of the heat exchanger, an exhaust gas flows past, is located on the other side of the heat exchanger, for example, a liquid heat transfer medium.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht einen abschließenden Lötvorgang innerhalb eines Lötofens vor. Das Löten selbst erfolgt vorzugsweise in reduzierter Atmosphäre. Hierbei kann es sich zum Beispiel um eine Wasserstoffatmosphäre handeln, die dazu beiträgt, die Oxidschicht zu reduzieren und eine einwandfreie Lötverbindung mit dem Grundwerkstoff des Wärmeüberträgers herbeizuführen.The inventive method provides a final soldering process within a brazing furnace. The soldering itself is preferably carried out in a reduced atmosphere. This may be, for example, a hydrogen atmosphere, which helps to reduce the oxide layer and bring about a perfect solder joint with the base material of the heat exchanger.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawings. Show it:

1 mit einem Lötmittel bepastete Verwirbelungselemente in perspektivischer Ansicht und 1 with a solder pasted Verwirbelungselemente in perspective view and

2 die Verwirbelungselemente aus 1 in Verbindung mit einem plattenförmigen Wärmeüberträger. 2 the vortex elements 1 in conjunction with a plate-shaped heat exchanger.

1 zeigt Zick-Zack-förmige Verwirbelungselemente 1, welche durch einen Biegevorgang aus einem Edelstahlband hergestellt worden sind. In nicht näher dargestellter Weise ist der Biegeradius der Biegungen 2 zwischen benachbarten verbundenen Lamellen 3 der Verwirbelungselemente 1 wesentlich größer als die Wandstärke des Edelstahlbandes. Das Edelstahlband kann auch sich U-förmig aneinanderreihenden Schlaufen aufweisen. In diesem Fall können die einzelnen Lamellen 3 sogar parallel zueinander verlaufen oder im Abstand von der Biegung aufeinander zulaufen. Im Sinne der Erfindung wird unter Zick-Zack-förmigen Verwirbelungselementen 1 jede mäanderförmige Struktur oder Teilstruktur verstanden. Ein Zick-Zack-förmiges Verwirbelungselement 1 ist mithin auch ein solches, welches nur eine einzelne Biegung aufweist. 1 shows zigzag-shaped turbulence elements 1 , which have been made by a bending process of a stainless steel strip. In a manner not shown, the bending radius of the bends 2 between adjacent connected slats 3 the swirling elements 1 much larger than the wall thickness of the stainless steel strip. The stainless steel strip may also have U-shaped successive loops. In this case, the individual slats 3 even parallel to each other or converge at a distance from the bend to each other. For the purposes of the invention is under zig-zag-shaped swirling elements 1 every meandering structure or substructure understood. A zig-zag swirling element 1 is therefore also such, which has only a single bend.

Die so vorgefertigten Verwirbelungselemente 1 werden in denjenigen Bereichen, die zum Verbinden mitweiteren Bauteilen vorgesehen sind, mit einem Lot 4 bepastet und unter Ausbildung eines nicht näher dargestellten Lötspaltes mit einer Oberfläche 5 eines in 2 zu erkennenden Wärmeüberträgers 6 verbunden.The pre-fabricated turbulence elements 1 are in those areas which are intended to connect with further components, with a solder 4 bepastet and forming a soldering gap not shown with a surface 5 one in 2 to detect heat exchanger 6 connected.

Der Wärmeüberträger 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Platte. Es kann sich bei dem Wärmeüberträger 6 prinzipiell auch um ein Rohrbauteil handeln. Die so aneinander angeordneten Bauteile, das heißt die Verwirbelungselemente 1 und der Wärmeüberträger 6, werden in einem Lötofen in nicht näher dargestellter Weise miteinander verlötet.The heat exchanger 6 is a plate in this embodiment. It may be at the heat exchanger 6 in principle also act around a pipe component. The so juxtaposed components, that is, the Verwirbelungselemente 1 and the heat exchanger 6 , are soldered together in a soldering oven in a manner not shown.

2 zeigt mehrere schematisch angedeutete Mirkoschweißpunkte 7, die mittels eines doppelten Schweißimpulses gesetzt worden sind. Es ist zu erkennen, dass jede zweite Lamelle 3 mit je zwei dieser Mikroschweißpunkte 7 an dem Wärmeüberträger 6 fixiert worden ist. Die übrigen Lamellen 3 sind mit nur einem Mikroschweißpunkt 7 mit dem Wärmeüberträger 6 verbunden. Die Fixierung mittels der Mikroschweißpunkte 7 erfolgt dabei vor dem Verlöten und dient zur Fixierung der Verwirbelungselemente 1 an dem Wärmeüberträger 6 zur Einhaltung eines definierten Lötspaltes. 2 shows several schematically indicated Mirkoschweißpunkte 7 which have been set by means of a double welding pulse. It can be seen that every second lamella 3 with two of these micro welding points each 7 on the heat exchanger 6 has been fixed. The remaining slats 3 are with only one microweld point 7 with the heat exchanger 6 connected. Fixation by means of micro-welding points 7 takes place before soldering and serves to fix the swirling elements 1 on the heat exchanger 6 to comply with a defined soldering gap.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Verwirbelungselementswirling
22
Biegungbend
33
Lamellelamella
44
Lotsolder
55
Oberflächesurface
66
WärmeüberträgerHeat exchangers
77
MikroschweißpunktMicro-welding point

Claims (3)

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird, mit folgenden Schritten: a. Aus einem Edelstahlband werden Zick-Zack-förmige Verwirbelungselemente (1) gebogen, wobei der Biegeradius der Biegungen (2) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lamellen (3) des Verwirbelungselements (1) größer als die Wandstärke des Edelstahlbandes gewählt wird; b. Die Verwirbelungselemente (1) werden im Bereich der Biegungen (2) mit einem Lot (4) bepastet und unter Ausbildung eines Lötspaltes an einer Oberfläche (5) eines Wärmeüberträgers (6) angeordnet; c. Die Verwirbelungselemente (1) werden mittels Schweißen punktuell an dem Wärmeüberträger (6) fixiert; d. Die Verwirbelungselemente (1) werden mit dem Wärmeüberträger (6) in einem Lötofen verlötet.Method for producing a heat exchanger, which is used in the exhaust gas stream of an internal combustion engine, comprising the following steps: a. From a stainless steel strip zig-zag-shaped swirling elements ( 1 ), wherein the bending radius of the bends ( 2 ) between two successive lamellae ( 3 ) of the swirling element ( 1 ) greater than the wall thickness of the stainless steel strip is selected; b. The swirling elements ( 1 ) are used in the area of bends ( 2 ) with a solder ( 4 ) and forming a soldering gap on a surface ( 5 ) of a heat exchanger ( 6 ) arranged; c. The swirling elements ( 1 ) are selectively welded to the heat exchanger ( 6 ) fixed; d. The swirling elements ( 1 ) are with the heat exchanger ( 6 ) soldered in a soldering oven. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Löten in reduzierter Atmosphäre durchgeführt wird.A method according to claim 1, characterized in that the soldering is carried out in a reduced atmosphere. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen mittels eines doppelten Schweißimpulses erfolgt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the welding takes place by means of a double welding pulse.
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