-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spritzgießverfahren zur Herstellung einer Wärmetauscher-Kanalanordnung mit einem ersten Kanal und mit einem zweiten Kanal, welcher mit dem ersten durch einen die Kanäle trennenden Wärmeübertragungs-Wandabschnitt in Wärmeübertragungsverbindung steht. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung die Wärmetauscher-Kanalanordnung selbst, insbesondere eine Wärmetauscher-Kanalanordnung, welche zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet ist und welche nach dem in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Kraftfahrzeug mit einer Wärmetauscher-Kanalanordnung.
-
Die Eignung zur Verwendung der Wärmetauscher-Kanalanordnung in einem Kraftfahrzeug ist maßgeblich durch die Größe der Wärmetauscher-Kanalanordnung bestimmt sowie durch das zu seiner Bildung verwendete Material, welches den thermischen und mechanischen Belastungen während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs standhalten können muss. Grundsätzlich jedoch wird mit der vorliegenden Anwendung Schutz für eine allgemein einsetzbare Wärmetauscher-Kanalanordnung begehrt.
-
Das gattungsgemäße Spritzgießverfahren zur Herstellung der hier diskutierten Wärmetauscher-Kanalanordnung umfasst die für Spritzgießverfahren allgemeinen Verfahrensschritte eines Einfüllens von fließfähigem Spritzgießmaterial in eine Formkavität eines Formwerkzeugs und das Bilden des ersten Kanals.
-
Das Bilden des ersten Kanals ist dabei in seiner allgemeinsten Form derart zu verstehen, dass in dem in die Formkavität eingefüllten Spritzgießmaterial ein Hohlraum ausgebildet wird, welcher den späteren ersten Kanal bildet. Dieser Hohlraum kann entweder nachträglich durch Austreiben von noch fließfähigem Material aus der Formkavität gebildet werden oder kann bereits beim Einfüllen des Spritzgießmaterials in die Formkavität gebildet werden, wenn in diese ein entformbarer Kern eingelegt ist, welcher in an sich bekannter Weise zunächst ein Volumen für den ersten Kanal reserviert.
-
Mit diesem gattungsgemäßen Spritzgießverfahren ist grundsätzlich ein beliebiger Kanal, etwa in Form eines Rohrs herstellbar.
-
Nachteilig am Stand der Technik ist der große Aufwand zur Bildung eines zweiten Kanals, welcher mit dem ersten Kanal in Wärmeübertragungsverbidnung steht.
-
Will man etwa das Spritzgießverfahren auch zur Bildung des zweiten Kanals beibehalten, so muss in der Regel der einmal erzeugte erste Kanal in eine weitere Formkavität eingelegt werden, um ihn dort mit weiterem Spritzgießmaterial zu umspritzen, in welchem dann der zweite Kanal ausgebildet werden kann.
-
Alternativ ist es mit einem noch einfacheren bekannten Verfahren des Standes der Technik möglich, Schalenteile der Wärmetauscher-Kanalanordnung zu spritzgießen und diese mit einem den ersten Kanal bildenden Rohr unter Bildung eines zweiten Kanals radial außerhalb des Rohrs zu vereinigen.
-
Aus der
WO 2010/116580 A1 ist die Herstellung von Hohlkörpern, insbesondere von Rohrabschnitten, im Spritzgussverfahren mit Projektilinjektionstechnik bekannt. Dabei wird zunächst durch Spritzgießen ein erweichter Kunststoff in eine Spritzgusskavität einer Form eingespritzt. Die Spritzgusskavität weist an ihrem einen Ende einen Druck-Auslass auf, welcher mit einem Projektil als „schwimmendem“ Kern beladen werden kann. Am anderen Ende der Spritzgusskavität ist eine Auslassöffnung ausgebildet. Unter Druck stehendes Fluid wird ausgehend vom Druck-Auslass in die Spritzgusskavität eingeleitet, wodurch das Projektil zur Auslassöffnung bewegt wird und dabei den erweichten Kunststoff aus der Auslassöffnung austreibt. Das Projektil weist einen Säulenabschnitt mit kreisförmigen Querschnitt auf und verjüngt sich ausgehend von einem Ende des Säulenabschnitts vom Säulenabschnitt weg. Das Projektil ist dabei derart bemessen, dass in Zahlenwerten die axiale Länge des Säulenabschnitts das 0,1- bis 1-Fache der Querschnittsfläche des Säulenabschnitts beträgt, und dass die axiale Länge des sich verjüngenden Abschnitts das 0,3- bis 1,6-Fache der Querschnittsfläche beträgt.
-
Aus der
WO 01/ 07 227 A1 ist ein weiteres Spritzgussverfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers bekannt. Gemäß diesem bekannten Spritzgussverfahren wird ein Hohlraum des Hohlkörpers zumindest teilweise durch einen Schmelzkern gebildet, welcher nach dem Erstarren des Werkstoffes des Hohlkörpers aus diesem ausgeschmolzen wird. Der Schmelzkern weist dabei ein Einlegeteil auf, welches bei der Herstellung des Hohlkörpers in den Schmelzkern eingebracht wird und teilweise aus dem Schmelzkern herausragt. Das Einlegeteil wird durch die Bildung des Hohlkörpers in diesem fixiert, sodass das Einlegeteil nach dem Aufschmelzen des Schmelzkerns im Hohlkörper verbleibt.
-
Aus der
DE 195 18 963 A1 ist ein Fluidinjektionsverfahren zum Spritzgießen hohlgeblasener Kunststoffkörper bekannt. Dieses bekannte Fluidinjektionsverfahren entspricht in seinen Grundzügen im Wesentlichen dem aus der
WO 2010/116580 A1 bekannten Projektilinjektionsverfahren, mit dem Unterschied, dass Letzteres einen Festkörper als Projektil verwendet, während das Fluidinjektionsverfahren noch erweichtes Kernmaterial (Seele) durch ein formloses Fluid aus einer Hauptkavität die Hauptkavität austreibt. Die Hauptkavität steht mit Nebenkavitäten kommunizierend in Verbindung, wobei dann, wenn eine Fließfront des erweichten Kernmaterials eine Verbindungsstelle mit der Nebenkavität erreicht, auch Fluid in die Nebenkavität eingeleitet wird, um Kernmaterial aus der Nebenkavität auszutreiben. Das vom Fluid ausgetriebene Material wird aus der Spritzgussform zurück in eine Plastifiziereinheit der Spritzgussmaschine getrieben und von dort erneut zur Füllung der Spritzgussform verwendet.
-
Nicht nur ist bei diesen Verfahren der Aufwand zur Herstellung sehr groß, auch das Ergebnis ist verbesserungswürdig, da Füge- und Anspritzstellen eine geringere Festigkeit oder erhöhte Sprödigkeit aufweisen können als das übrige Material der Wärmetauscher-Kanalanordnung, was bei der thermischen und mechanischen Belastung der Wärmetauscher-Kanalanordnung im Betrieb zu einem unerwünscht frühen Bauteilversagen führen kann.
-
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Lehre anzugeben, mit welcher die eingangs genannte Wärmetauscher-Kanalanordnung mit höherer Standfestigkeit als bisher bereitgestellt werden kann.
-
Gelöst wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 8 und 15. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten, das Spritzgießverfahren betreffenden Gesichtspunkt dadurch gelöst, dass die verwendete Formkavität einen dem ersten Kanal zugeordneten ersten Kavitätsabschnitt und einen mit dem ersten Kavitätsabschnitt wenigstens abschnittsweise zusammenhängenden, diesen vorteilhafterweise wenigstens abschnittsweise, besonders bevorzugt wendelförmig, umgebenden, dem zweiten Kanal zugeordneten zweiten Kavitätsabschnitt aufweist, wobei das Verfahren folgende zusätzliche Schritte umfasst:
- - Belassen eines den ersten Kanal füllenden Kernmaterials im gebildeten ersten Kanal,
- - Hinausfördern einer noch fließfähigen Seele des eingefüllten Spritzgießmaterials aus dem zweiten Kavitätsabschnitt mittels eines Förder-Injektionsfluids durch Injektionstechnik und dadurch Bilden des zweiten Kanals,
- - Entfernen des Kernmaterials aus dem ersten Kanal,
- - Entformen der gebildeten Wärmetauscher-Kanalanordnung aus dem Formwerkzeug.
-
Bei diesem Spritzgießverfahren wird der überragende Vorteil erzielt, dass der erste und der zweite Kanal wenigstens in dem Abschnitt, in welchem sie wärmeübertragungsmäßig zusammenhängen, also nur durch den beiden Kanälen gemeinsamen Wärmeübertragungs-Wandabschnitt getrennt sind, in einem einzigen Spritzgießschritt und in einem einzigen Formwerkzeug ausgebildet werden können.
-
Grundvoraussetzung hierfür ist, dass das den ersten Kanal bei dessen Bildung füllende Kernmaterial zunächst in dem gebildeten ersten Kanal verbleibt. Dieses Kernmaterial kann dann dazu dienen, die den ersten Kanal definierende Wandung während des nachfolgenden Hinausförderns einer noch fließfähigen Seele des eingefüllten Spritzgießmaterials aus dem zweiten Kavitätsabschnitt zu stützen.
-
Durch die zum Hinausfördern der noch fließfähigen Seele aus dem zweiten Kavitätsabschnitt verwendete Injektionstechnik kann ein zweiter Kanal selbst mit komplexem und über einen weiten Erstreckungsabschnitt gekrümmtem Verlauf gebildet werden.
-
Da bei der zur Bildung des zweiten Kanals verwendeten Injektionstechnik die fließfähige Seele aus dem zweiten Kavitätsabschnitt unter Verwendung eines unter Druck stehenden Förder-Injektionsfluids hinausgefördert wird, droht der bei dem Hinausfördern gebildete Wärmeübertragungs-Wandabschnitt in den ersten Kanal hinein verformt oder gar zerstört zu werden, wenn dieser Wandabschnitt während des Hinausförderns der noch fließfähigen Seele, also während der Bildung des zweiten Kanals, nicht entsprechend von der Seite des ersten Kanals her abgestützt ist.
-
Dann, wenn das Spritzgießmaterial ausreichend erstarrt ist, kann das Kernmaterial aus dem ersten Kanal entfernt und die so gebildete Wärmetauscher-Kanalanordnung aus dem Formwerkzeug entformt werden. Dabei ist es gleichgültig, in welcher Reihenfolge das Entfernen des Kernmaterials und das Entformen der Wärmetauscher-Kanalanordnung geschieht.
-
Dieses Verfahren ermöglicht also eine weitere Lösung der oben genannten Aufgabe gemäß einem zweiten, die Kanalanordnung betreffenden Aspekt der vorliegenden Erfindung, wonach die eingangs genannte gattungsgemäße Wärmetauscher-Kanalanordnung derart weitergebildet wird, dass der zweite Kanal den ersten Kanal längs eines Umgebungsabschnitts des letzteren umgibt und dass weiter der erste und der zweite Kanal wenigstens in dem Umgebungsabschnitt an einem einstückigen, fügestellenfreien Kanalbauteil aus thermoplastischem Kunststoff ausgebildet sind.
-
Das einstückige Kanalbauteil aus thermoplastischem Kunststoff ist somit im Wesentlichen fügestellenfrei und hat eine homogene, in Wesentlichen schwachstellenfreie Struktur.
-
Dann, wenn der zweite Kanal den ersten Kanal umgibt, kann bereits in einem kurzen Abschnitt des ersten Kanals eine verhältnismäßig große Wärmeübertragungsfläche bereitgestellt werden, was die Effektivität der Wärmetauscher-Kanalanordnung erheblich verbessert. Der Wärmeübertragungs-Wandabschnitt, welcher den ersten und den zweiten Kanal voneinander trennt, ist im bevorzugten einfachsten Fall ein Wandabschnitt, dessen eine Flächenseite den ersten Kanal, bezogen auf eine längs einer Kanalmittellinie des ersten Kanals verlaufenden ersten Kanallängsachse, nach radial außen begrenzt und dessen entgegengesetzte Flächenseite den zweiten Kanal, bezogen auf eine längs der Kanalmittellinie des zweiten Kanals verlaufenden zweiten Kanallängsachse, nach radial außen begrenzt.
-
Wenngleich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht ausgeschlossen sein soll, dass das im ersten Kanal belassene Kernmaterial ein massiver, im Wesentlichen starrer Kern sein kann, so ist dennoch die damit am ersten Kanal erzielbare geometrische Vielfalt begrenzt. Bevorzugt ist daher vorgesehen, dass der Schritt des Bildens des ersten Kanals einen Schritt eines Austreibens einer noch fließfähigen Seele aus dem ersten Kavitätsabschnitt mittels eines Austriebs-Injektionsfluids umfasst und dass das im Hohlraum des ersten Kanals belassene Kernmaterial größtenteils Austriebs-Injektionsfluid umfasst, vorzugsweise das Austriebs-Injektionsfluid ist. Aufgrund der verwendeten Injektionstechnik ist der Schritt des Austreibens dem oben genannten Schritt des Hinausförderns sehr ähnlich. Die Terminologie „Austreiben“ und „Hinausfördern“ ist hier gewählt, um den Bezug zur Bildung des ersten Kanals bzw. des zweiten Kanals durch den jeweiligen Verfahrensschritt stärker zu kennzeichnen. In beiden Verfahren wird jedoch durch ein Injektionsfluid eine noch fließfähige Seele des in den jeweiligen Kavitätsabschnitt eingefüllten Spritzgießmaterials längs der jeweiligen Kanalachse entfernt.
-
Dies ist möglich, da das fließfähige in die Formkavität eingefüllte Spritzgießmaterial an der Formkavitätswand Wärme besonders schnell abgibt, so dass das Spritzgießmaterial ausgehend von der Grenzfläche mit der Formkavitätswand erstarrt. Diese am Spritzgießmaterial ganz außen liegenden erstarrenden und erstarrten Zonen bilden eine Führung für das in das eingefüllte Spritzgießmaterial eingeleitete Injektionsfluid.
-
Zur Bildung einer möglichst exakten Innengeometrie des ersten Kanals kann vorgesehen sein, dass das Austriebs-Injektionsfluid im Schritt des Austreibens zur Bildung des ersten Kanals ein Festkörper-Projektil zur Bewegung in das Spritzgießmaterial im ersten Formkavitätsabschnitt hinein, vorzugsweise durch dieses hindurch, antreibt. Das Festkörper-Projektil verdrängt bei seinem Eindringen in die mit Spritzgießmaterial gefüllte Formkavität das längs seiner Trajektorie vor ihm liegende noch fließfähige Seelenmaterial in eine eigens für den Schritt des Austreibens bereitgestellte Verdrängungskavität. Diese Verdrängungskavität kann ein gesondert am Formwerkzeug vorgesehenes Auffangvolumen für das ausgetriebene noch fließfähige Spritzgießmaterial sein oder kann ein Abschnitt des Förderstrangs sein, längs welchem das fließfähige Spritzgießmaterial in die Formkavität eingebracht wird.
-
Sofern das Projektil die in die Formkavität eingefüllte Spritzgießmasse nicht vollständig durchdringt, sondern etwa in einem Endbereich stecken bleibt, welcher nach der Entformung der Wärmetauscher-Kanalanordnung von dem späteren endgültigen Bauteil abgetrennt wird, kann das oben genannte Kernmaterial durch das Austriebs-Injektionsfluid und durch das Projektil gemeinsam gebildet sein. Dies bedeutet, dass sich zunächst hinter dem Projektil in dem bereits von ihm zurückgelegten Weg und damit in dem gebildeten ersten Kanal weiterhin Austriebs-Injektionsfluid befindet.
-
Dann jedoch, wenn das Festkörper-Projektil die in die Formkavität eingefüllte Spritzgießmasse vollständig durchdringt, oder dann, wenn überhaupt kein Festkörper-Projektil verwendet wird, was von der vorliegenden Erfindung ebenfalls umfasst sein soll, kann das Kernmaterial vollständig von Austriebs-Injektionsfluid gebildet sein und somit das Austriebs-Injektionsfluid selbst sein.
-
Grundsätzlich kann ein beliebiges Fluid als Austriebs-Injektionsfluid verwendet werden. In einer weniger bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sogar ein kompressibles Gas als Austriebs-Injektionsfluid verwendet werden, wenn dieses - im gebildeten ersten Kanal belassen - zumindest für einen Zeitabschnitt der Dauer des Hinausförderns der Seele aus dem zweiten Kavitätsabschnitt, also für die Dauer der Bildung des zweiten Kanals, unter einem bezogen auf den Umgebungsdruck erhöhten Druck gesetzt wird.
-
Grundsätzlich ist es schwieriger, mit einem kompressiblen Gas den Wärmeübertragungs-Wandabschnitt bei der Bildung des zweiten Kanals zu stützen. Dies kann jedoch dennoch möglich sein, wenn ein Gas als Austriebs-Injektionsfluid unter einen ausreichend hohen Druck gesetzt wird, während der zweite Kanal gebildet wird. Dieser erhöhte Druck des Austriebs-Injektionsfluids kann etwa 80 % bis 300 %, vorzugsweise etwa 90 % bis 200 %, des mittleren Druckes oder etwa 50 % bis 150 %, vorzugsweise etwa 75 % bis 120 %, des Spitzendruckes jeweils des Förder-Injektionsfluids während des Schritt des Hinausförderns betragen. Derartige Drücke des Austriebs-Injektionsfluids sollten ausreichen, um für die Phase des Hinausförderns der Seele aus dem zweiten Kavitätsabschnitt ausreichend Stützung des Wärmeübertragungs-Wandabschnitts bereitzustellen.
-
Einfacher und daher bevorzugt ist es jedoch, wenn das Austriebs-Injektionsfluid, verglichen mit einem Gas, im Wesentlichen inkompressibel ist. Hierzu kann eine Injektionsflüssigkeit als Austriebs-Injektionsfluid verwendet werden, wobei sich Wasser als Injektionsflüssigkeit in der Vergangenheit bereits bewährt hat.
-
Da das Austriebs-Injektionsfluid im Wesentlichen inkompressibel ist, braucht es nicht eigens unter Druck gesetzt werden, um einen ausreichenden Gegendruck für das Förder-Injektionsfluid bereitzustellen. Dennoch soll auch das Unterdrucksetzen des im Wesentlichen inkompressiblen Austriebs-Injektionsfluids zumindest während eines Zeitabschnitts der Erzeugung des zweiten Kanals nicht ausgeschlossen sein.
-
Wenn oben von einem „Unterdrucksetzen“ des Austriebs-Injektionsfluids die Rede ist, so ist damit ein Unterdrucksetzen ausgehend von einer Druckquelle gemeint, welche von dem Förder-Injektionsfluid verschieden ist. Denn bei entsprechend weichem oder sogar noch fließfähigem Wärmeübertragungs-Wandabschnitt wird bei Einleiten des Förder-Injektionsfluids in den zweiten Kavitätsabschnitt nach dem Grundsatz actio = reactio der Druck des im ersten Kanal belassenen Austriebs-Injektionsfluids unvermeidlich erhöht.
-
Eine gesondert vorgesehene Verdrängungskavität zur Aufnahme des aus der Formkavität ausgetriebenen Spritzgießmaterials kann dann vermieden werden, wenn die Injektionsrichtung im Schritt des Austreibens einer Einfüllrichtung, in welcher Spritzgießmaterial in die Formkavität eingefüllt wird, im Wesentlichen entgegengesetzt ist. In diesem Falle kann ein Volumen der Füllvorrichtung, mit welcher die Formkavität des Formwerkzeugs zu Beginn des Verfahrens mit Spritzgießmaterial gefüllt wird, als Auffangmaterialspeicher bzw. Verdrängungskavität verwendet werden, aus welchem bzw. aus welcher das verdrängte Spritzgießmaterial bei einem nachfolgenden Durchgang wieder in die Formkavität eingefüllt werden kann.
-
Auch für die Bildung des zweiten Kanals kann grundsätzlich ein Projektil-Injektionsverfahren mit einem Festkörper-Projektil verwendet werden, welches durch das Förder-Injektionsfluid zur Bewegung in das Spritzgießmaterial im zweiten Kavitätsabschnitt angetrieben wird.
-
Alternativ kann auch herkömmliche Gas- oder Flüssigkeitsinjektionstechnik ohne Projektil verwendet werden, bei welcher das in den zweiten Formkavitätsabschnitt eingeleitete Förder-Injektionsfluid die noch fließfähige Seele unmittelbar aus der zweiten Formkavität hinaus befördert.
-
Jedenfalls ist der zweite Kanal der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Kanalanordnung durch Spritzgießen mit Injektionstechnik gebildet.
-
Ebenso kann der erste Kanal, wie oben ausführlich beschrieben, durch Injektionstechnik, insbesondere durch Wasser-Injektionstechnik oder durch Projektil-Injektionstechnik mit einer Flüssigkeit als antreibendes Injektionsfluid, gebildet sein, um beispielsweise auch komplexe Verläufe des ersten Kanals realisieren zu können.
-
Da in der Regel thermische und elektrische Leitfähigkeit korreliert sind, d. h. mit der elektrischen Leitfähigkeit eines Materials auch dessen Wärmeleitfähigkeit steigt und umgekehrt, ist es zur Verbesserung des Wärmeaustausches zwischen den im Wärmetauscher-Betrieb in den beiden Kanälen strömenden Fluiden vorteilhaft, wenn wenigstens der Umgebungsabschnitt aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff gebildet ist. Ein derartiger Kunststoff kann beispielsweise durch ausreichende Einmischung elektrisch leitfähiger Füllstoffe in die Spritzgießmasse bereitgestellt werden.
-
Die oben genannte komplexe Geometrie des ersten Kanals kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass der erste Kanal sich längs einer ersten Kanallängsachse erstreckt und im Umgebungsabschnitt um wenigstens eine, vorzugsweise zur ersten Kanallängsachse orthogonale, Krümmungsachse gekrümmt ist. Bei noch weiter zunehmender Komplexität kann der erste Kanal sogar um eine Mehrzahl voneinander verschiedener Krümmungsachsen gekrümmt sein. Ein gekrümmter erster Kanal, insbesondere ein um eine Mehrzahl von voneinander verschiedenen Krümmungsachsen gekrümmter erster Kanal kann in der Regel nicht mehr durch starre Formkerne erzeugt werden. Hier bietet die oben ausführlich beschriebene Injektionstechnik jedoch ausreichend Möglichkeiten, auch einen solchen Kanal noch mit hoher Formtreue reproduzierbar herzustellen.
-
Zur Erhöhung der Wärmeaustauscherfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal am Wärmeübertragungs-Wandabschnitt kann, wie oben bereits beschrieben, vorgesehen sein, dass der zweite Kanal den ersten Kanal im Umgebungsabschnitt wendelförmig umgibt.
-
Damit dabei der erste Kanal dennoch einen definierten Verlauf einnehmen kann, kann in Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die einzelnen Windungen des wendelförmigen zweiten Kanals in Richtung der Kanallängsachse des ersten Kanals mit Abstand voneinander angeordnet sind. In diesen Abstandsbereichen kann dann durch das Formwerkzeug ein eindeutig definierter Verlauf des ersten Kanals erreicht werden. Hierzu ist bevorzugt der bezogen auf die erste Kanallängsachse axiale Abstand der Windungen des wendelförmigen zweiten Kanals derart bemessen, dass er lokal - etwa an einer ausgewählten Umfangsstelle des ersten Kanals in einem Axialbereich - wenigstens die lokale axiale Länge des den ersten und den zweiten Kanal trennenden Wärmeübertragungs-Wandabschnitts in diesem Bereich aufweist. Dabei ist im Zweifel jener Bereich des Wärmeübertragungs-Wandabschnitts herauszuziehen, welcher dem Abstandsbereich zwischen zwei in axialer Richtung aufeinander folgenden Windungen an in etwa gleichem Umfangsort axial am nächsten gelegen ist.
-
Ferner wird selbständiger Schutz für ein Kraftfahrzeug mit einer Wärmetauscher-Kanalanordnung angestrebt, welche wie oben beschrieben ausgebildet ist. Eine derartige Wärmetauscher-Kanalanordnung verleiht einem Kraftfahrzeug aufgrund ihrer Robustheit und hoher Standzeit einen verglichen mit dem Einbau einer herkömmlichen Wärmetauscher-Kanalanordnung erhöhten Wert.
-
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es stellt dar:
- 1 eine grobschematische Draufsicht auf eine Formhälfte eines Formwerkzeugs mit einer Formkavität zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Kanalanordnung in einem Zustand, in welchem die Formkavität mit Spritzgießmaterial vollständig gefüllt ist,
- 2a die grobschematische Ansicht des Formwerkzeugs von 1 nach einer Projektilinjektion in einen ersten Formkavitätsabschnitt der Formkavität,
- 2b eine Detailansicht des durch Projektilinjektion gebildeten ersten Kanals,
- 3 die Ansicht des Formwerkzeugs der 1 und 2a nach einem Schritt des Hinausförderns einer noch fließfähigen Seele aus dem zweiten Kavitätsabschnitt mittels Injektionstechnik und
- 4 eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Kanalanordnung.
-
In 1 ist eine Formwerkzeughälfte eines Formwerkzeugs 10 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Kanalanordnung gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spritzgießverfahrens allgemein mit 11 bezeichnet.
-
Die Formwerkzeughälfte 11, welche im Wesentlichen spiegelbildlich zu der sie ergänzenden, in 1 nicht dargestellten weiteren Formwerkzeughälfte ausgestaltet ist, weist eine Formkavität 12 auf, die eine Negativform eines herzustellenden Rohlings einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Kanalanordnung 60 (siehe 4) darstellt.
-
Die Formkavität 12 weist einen ersten Formkavitätsabschnitt 14 auf, welcher vorzugsweise im Wesentlichen geradlinig verläuft, welcher jedoch abweichend vom dargestellten Beispiel auch einen um eine oder mehrere Krümmungsachsen gekrümmten Verlauf haben kann. Der erste Formkavitätsabschnitt 14 verläuft längs einer ersten Formkavitätslängsachse 16.
-
Weiter weist die Formkavität 12 einen zweiten Formkavitätsabschnitt 18 auf, welcher den ersten Formkavitätsabschnitt längs eines, bezogen auf die erste Formkavitätslängsachse 16, axialen Umgebungsabschnitts 20 besonders bevorzugt wendelförmig umgibt. Der Verlauf einer zweiten Formkavitätslängsachse 22 ist in 1 grobschematisch dargestellt. Die erste Formkavitätslängsachse 16 des ersten Formkavitätsabschnitts 14 und die zweite Formkavitätslängsachse 22 des zweiten Formkavitätsabschnitts 18 sind jeweils die geometrischen Orte der jeweiligen Kavitätsabschnittsmittelpunkte.
-
Die Formkavität 12 ist in 1 in einem mit Spritzgießmaterial vollständig gefüllten Zustand dargestellt. Die Befüllung der Formkavität 12 erfolgte ausgehend von der in 1 rechts liegenden Speiseröffnung 24 durch eine nicht dargestellte an sich bekannte Füllvorrichtung, etwa unter Verwendung einer Extruderschnecke oder Kolbenpumpe oder dergleichen längs der Füllrichtung F.
-
In das Formwerkzeug 10 kann eine erste Injektionsdüse 26 einragen, an welcher ein Festkörper-Projektil 28 festgelegt sein kann, um durch ein von der ersten Injektionsdüse 26 ausgehendes Austriebs-Injektionsfluid im Wesentlichen entlang der ersten Formkavitätslängsachse 16 in den ersten Formkavitätsabschnitt 14 hinein, besonders bevorzugt durch diesen hindurch, angetrieben zu werden. Dadurch kann eine noch fließfähige Seele an Spritzgießmaterial aus dem ersten Formkavitätsabschnitt ausgetrieben werden.
-
Weiter kann in das Formwerkzeug 10 eine zweite Injektionsdüse 30 einragen, um von dieser ausgehend ein zweites Injektionsfluid in die Formkavität 12, genauer in den zweiten Formkavitätsabschnitt 18, einzuleiten und dadurch eine noch fließfähige Seele an Spritzgießmaterial aus dem zweiten Formkavitätsabschnitt 18 hinauszufördern.
-
An der Speiseröffnung 24 kann eine in 1 nicht dargestellte Verdrängungskavität vorgesehen sein, in welche hinein das Projektil 28 bei seinem Durchgang durch den ersten Formkavitätsabschnitt 14 eine fließfähige Seele an Spritzgießmaterial aus dem ersten Formkavitätsabschnitt 14 hinaus austreibt.
-
Besonders bevorzugt wird diese Verdrängungskavität durch die zur Füllung der Formkavität 12 verwendeten, in 1 nicht dargestellten Füllvorrichtung bereitgestellt, so dass das in einem Spritzgießvorgang ausgetriebene Spritzgießmaterial unter entsprechender Erwärmung in der Füllvorrichtung in einem nachfolgenden Spritzgießvorgang erneut in die Formkavität 12 eingefüllt werden kann.
-
An dem der zweiten Injektionsdüse 30 gegenüberliegenden Ende des zweiten Formkavitätsabschnitts 18 kann eine zweite Verdrängungskavität 32 vorgesehen sein, in welche hinein fließfähiges Spritzgießmaterial durch das von der zweiten Injektionsdüse 30 verwendete Förder-Injektionsfluid aus dem zweiten Formkavitätsabschnitt 18 hinaus gefördert wird. Während das Förder-Injektionsfluid in den zweiten Formkavitätsabschnitt 18 eingeleitet wird, ist ausschließlich die diesem Formkavitätsabschnitt zugeordnete zweite Verdrängungskavität zur Aufnahme von weggefördertem Spritzgießmaterial geöffnet.
-
In dem in 1 gezeigten Zustand ist ein Verschluss 34 der Speiseröffnung 24 geöffnet, so dass Spritzgießmaterial durch das von der ersten Injektionsdüse 26 verwendete Austriebs-Injektionsfluid entgegen der Einfüllrichtung F aus dem ersten Formkavitätsabschnitt 14 ausgetrieben werden kann.
-
Hierzu wird das Austriebs-Injektionsfluid, welches bevorzugt eine im Verhältnis zu Gasen inkompressible Flüssigkeit ist, in Richtung des Pfeils A, welcher im Wesentlichen entlang der ersten Formkavitätslängsachse 16 im Bereich einer nicht dargestellten Mündung der ersten Injektionsdüse 26, der Füllrichtung F entgegengesetzt gerichtet ist, in die erste Formkavität 14 eingeleitet.
-
Durch das Austriebs-Injektionsfluid kann somit das Festkörper-Projektil 28 in den ersten Formkavitätsabschnitt 14 hinein angetrieben werden, wobei es wie ein Kolben fließfähiges Spritzgießmaterial aus der Speiseröffnung 24 in die dort bereitgestellte erste Verdrängungskavität austreibt. Während des Einleitens von Austriebs-Injektionsfluid in den ersten Formkavitätsabschnitt 14, also etwa während des Projektilschusses mit dem Festkörper-Projektil 28, ist nur die Verdrängungskavität der Speiseröffnung 24 geöffnet, welche dem ersten Formkavitätsabschnitt 14 zugeordnet ist, so dass auch nur Spritzgießmaterial aus diesem Formkavitätsabschnitt 14 ausgetrieben werden kann.
-
Alternativ kann das Festkörper-Projektil 28 weggelassen sein und das Austriebs-Injektionsfluid unmittelbar die noch fließfähige Seele an Spritzgießmaterial aus dem ersten Formkavitätsabschnitt 14 austreiben.
-
Bei der in der grobschematischen Darstellung der 1 bis 4 besonders einfachen geradlinigen ersten Formkavitätlängsachse 16 könnte theoretisch auch ein in die Formkavität 12, insbesondere in den ersten Formkavitätsabschnitt 14, einlegbarer Formkern zur Bildung eines ersten Kanals verwendet werden.
-
In 2a ist ein Zustand des in 1 gezeigten Formwerkzeugs nach dem Durchgang des Festkörper-Projektils 28 durch den ersten Formkavitätsabschnitt 14 gezeigt.
-
In dem in 2a gezeigten Beispiel sei angenommen, dass das Festkörper-Projektil 28 etwa im Bereich der Speiseröffnung 24 zum Stillstand gekommen ist, wenngleich das Festkörper-Projektil auch eine weitere oder kürzere Strecke durch die erste Formkavität 14 hindurch zurückgelegt haben kann.
-
An der Wand 14a des ersten Formkavitätsabschnitts 14 ist durch Wärmeleitung und damit verbundene Abkühlung ein rohrförmiges Gebilde 36 an Spritzgießmaterial erstarrt.
-
Das Festkörper-Projektil 28 hat bei seinem Durchgang durch den ersten Formkavitätsabschnitt 14 in dem rohrförmigen Gebilde 36 einen von Spritzgießmaterial freien Raum 38 geschaffen, welcher den ersten Kanal der späteren Wärmetauscher-Kanalanordnung bildet, und welcher in dem in 2a gezeigten Zustand mit Austriebs-Injektionsfluid gefüllt ist.
-
Die erste Formkavitätslängsachse 16 fällt mit der nun erzeugten ersten Kanallängsachse 40 des ersten Kanals 38 zusammen.
-
Der zweite Formkavitätsabschnitt 18 ist nach wie vor mit Spritzgießmaterial gefüllt, wobei auch in diesem zweiten Formkavitätsabschnitt 18 das Spritzgießmaterial ausgehend von der Wandung 18a des zweiten Formkavitätsabschnitts 18 aufgrund von Wärmeleitung und damit verbundener Abkühlung erstarrt, während weiter im Inneren gelegene Bereiche des Spritzgießmaterials im zweiten Formkavitätsabschnitt 18 noch fließfähig sind.
-
Als Austriebs-Injektionsfluid wird bevorzugt eine im Verhältnis zu Gasen im Wesentlichen inkompressible Flüssigkeit verwendet, welche in dem in 2a dargestellten Zustand das rohrförmige Gebilde 36 nach radial innen, also zur ersten Formkavitätslängsachse 16 bzw. zur ersten Kanallängsachse 40 hin abstützt. Hierzu kann das Austriebs-Injektionsfluid durch die erste Injektionsdüse 26 unter gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck gesetzt sein.
-
Zu erkennen ist in 2a die Einlagekavität 42, in welche das Festkörper-Projektil 28 zur Vorbereitung des Durchgangs durch den ersten Formkavitätsabschnitt 14 in eine definierte Position eingelegt werden kann.
-
Wie die Detaildarstellung der 2b zeigt, wird beim Durchgang des Festkörper-Projektils 28 und dem ihm folgenden Austriebs-Injektionsfluid aufgrund aero- bzw. hydrodynamischer Effekte Material im Bereich eines Zusammenhangs von erstem und zweitem Formkavitätsabschnitt 14 bzw. 18, welches in Ermangelung einer nahe gelegenen Formkavitätswand zum Zeitpunkt der Injektion durch die erste Injektionsdüse 26 weniger stark erstarrt ist, mitgerissen, so dass sich in jenem Bereich, in welchem der erste Formkavitätsabschnitt 14 und der zweite Formkavitätsabschnitt 18 zusammenhängen, eine Mulde bilden kann. Diese Mulde ist in den 2a und 2b mit 44 bezeichnet. Aufgrund des bevorzugten wendelförmigen Umlaufs des zweiten Formkavitätsabschnitts 18 um den ersten Formkavitätsabschnitt 14 weist auch die Mulde 44 einen wendelförmigen Verlauf auf.
-
3 zeigt das Werkzeug der 1 und 2a nach einem zweiten Injektionsschritt, in welchem die zweite Injektionsdüse 30 Förder-Injektionsfluid in den zweiten Formkavitätsabschnitt 18 eingeleitet hat.
-
Mit dem Förder-Injektionsfluid, welches ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann, wurde noch fließfähiges Spritzgießmaterial aus dem zweiten Formkavitätsabschnitt 18 in die zweite Verdrängungskavität 32 hinein gefördert, so dass die zweite Formkavitätslängsachse 22 nun mit der zweiten Kanallängsachse 46 des durch den gerade beschriebenen zweiten Injektionsschritt gebildeten zweiten Kanals 48 im Wesentlichen zusammenfällt.
-
An den Formkavitätswänden 18a erstarrtes Spritzgießmaterial bildet eine Hülle 50, welche den zweiten Kanal 48 nach radial außen begrenzt. Nach radial innen begrenzt wird der zweite Kanal 48 durch erstarrte Abschnitte des rohrförmigen Gebildes 36 des ersten Kanals. Die mit der Mulde 44 behafteten Abschnitte am erstarrten Spritzgießmaterial, welche eine Trennwand zwischen dem ersten Kanal 38 und dem zweiten Kanal 48 bilden, sind Wärmeübertragungs-Wandabschnitte 52 im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die Mulden 44 müssen dabei nicht in der dargestellten Weise ausgebildet sein und können eine andere Gestalt aufweisen.
-
Im Wärmetauscher-Betrieb der aus dem vorliegend beschriebenen Verfahren resultierenden Wärmetauscher-Kanalanordnung kann jedenfalls ein Wärmeübertrag zwischen einem den ersten Kanal 38 durchströmenden Fluid und einem den zweiten Kanal 48 durchströmenden Fluid durch die WärmeübertragungsWandabschnitte 52 hindurch erfolgen.
-
Vorzugsweise wird als Spritzgießmaterial ein mit elektrisch leitfähigen Partikeln gefüllter thermoplastischer Kunststoff verwendet, da elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit in der Regel korrelieren, so dass durch ein derartiges Material die pro Zeiteinheit übertragbare Wärmemenge erhöht ist. Dadurch ist die Effektivität der resultierenden Wärmetauscher-Kanalanordnung erhöht.
-
Während des Hinausförderns der noch fließfähigen Seele aus dem zweiten Formkavitätsabschnitt 18 war der bereits gebildete erste Kanal 38 mit Austriebs-Injektionsfluid gefüllt, um die späteren Wärmeübertragungs-Wandabschnitte 52 gegen den Injektionsdruck im zweiten Formkavitätsabschnitt bei der Bildung des zweiten Kanals 48 zu stützen.
-
Nach Abschluss der Bildung des zweiten Kanals bzw. nach ausreichendem Druckabfall des Förder-Injektionsfluids kann das Austriebs-Injektionsfluid aus dem gebildeten ersten Kanal 38 ausgelassen werden.
-
4 zeigt die entformte und geputzte Wärmetauscher-Kanalanordnung 60, welche nach dem anhand der 1 bis 3 beschriebenen Verfahren in einem einzigen Spritzgießvorgang herstellbar ist.
-
Wie aus 4 zu erkennen ist, ist die Geometrie der Wärmetauscher-Kanalanordnung 60 und damit auch der Formkavität 12 vorzugsweise so gewählt, dass der Abstand 54 zwischen zwei in axialer Richtung (bezogen auf die erste Kanallängsachse 40) aufeinander folgende Windungen des zweiten Kanals 48 an einem Umfangsort größer gewählt ist als die axiale Länge 56 des Wärmeübertragungs-Wandabschnitts 52 in dem Umfangsort.
-
In dem Bereich zwischen zwei in axialer Richtung benachbarten Windungen des zweiten Kanals 48 ist ein möglicherweise zur Bildung des ersten Kanals 38 verwendetes Projektil nämlich in der Formkavität 12 durch die bereits erstarrte Wand 36 geführt, während der Wärmeübertragungs-Wandabschnitt 52 bei der Bildung des ersten Kanals 38 aufgrund der ihm fehlenden Anlagemöglichkeit an eine Formkavitätswand weniger stark erstarrt ist und somit eine geringere oder sogar keine Möglichkeit zur Projektilführung bildet. Durch das oben gewählte Längenverhältnis wird eine ausreichende Projektilals auch Injektionstrahlführung gewährleistet.
-
Das zur Führung eines Projektils 28 Gesagte gilt für einen ohne Projektil injizierten Strahl aus Austriebs-Injektionsfluid in gleicher Weise.
