DE102012020882A1

DE102012020882A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers für ein Kraftfahrzeug und Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012020882A1
Application number: DE102012020882.0A
Authority: DE
Inventors: Axel Löffler; Benedikt Fries
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2014-04-24
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: US9561563B2; US20140110091A1; DE102012020882B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (107) für ein Kraftfahrzeug, der Wärmetauscher (107) aufweisend Sammelbehälter (108) und ein Bündel (109) fluiddurchströmbarer Leitungen (111) zur Strömungsführung zwischen den Sammelbehältern (108). Die Leitungen (111) werden als Bündel (109) gemeinsam hergestellt. Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Mikrokanalkühler (115), hergestellt nach einem Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers für ein Kraftfahrzeug, der Wärmetauscher aufweisend Sammelbehälter und ein Bündel fluiddurchströmbarer Leitungen zur Strömungsführung zwischen den Sammelbehältern, und einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Mikrokanalkühler, hergestellt nach einem derartigen Verfahren.
Aus der WO2010/141123 ist ein Verfahren bekannt, umfassend die Anordnung einer ersten Endplatte, die zu einer zweiten Endplatte benachbart ist, wobei die erste Endplatte und die zweite Endplatte jeweils ein Muster von Durchbrüchen aufweisen und wobei die erste Endplatte zu der zweiten Endplatte in einer Weise ausgerichtet ist, dass die Muster der Durchbrüche in der ersten Platte im Wesentlichen mit den Mustern der Durchbrüche in der zweiten Endplatte fluchten. Das Verfahren umfasst weiter die Platzierungen eines Endabschnitts eines Mikroröhrchens aus einer Vielzahl von Mikroröhrchen in Kontakt mit der ersten Endplatte, wobei die Mikroröhrchen im Wesentlichen vertikal und im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche der ersten Endplatte angeordnet sind, um die Mikroröhrchen auf der ersten Endplatte zu positionieren. Das Verfahren umfasst weiter, dass wenigstens eines der Mikroröhrchen in Schwingung versetzt wird, während sich die Mikroröhrchen auf der ersten Endplatte befinden, wodurch die Mikroröhrchen dazu gebracht werden, in die zugehörigen Durchbruchmuster in der ersten Endplatte und in der zweiten Endplatte hinein und durch sie hindurchzugreifen. Darüber hinaus umfasst das Verfahren die Trennung der ersten Endplatte von der zweiten Endplatte, während die Mikroröhrchen durch sie hindurchgreifen, bis die erste Endplatte und die zweite Endplatte in räumliche Nähe zu den jeweiligen Endabschnitten der hindurchgreifenden Mikroröhrchen angeordnet sind. Das Verfahren umfasst weiter die Anbringung jedes Endabschnitts der Mikroröhrchen an die jeweilige Endplatte, wodurch in einem Bauteil des Mikroröhrchen-Wärmetauschers ein Pfad gebildet wird, damit die Strömung eines internen Fluids durch die Strömung eines externen Fluids erwärmt oder abgekühlt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers bereitgestellt werden, dessen Leistungsfähigkeit und dessen Kühlleistung wesentlich verbessert ist. Außerdem soll ein Wärmetauscher mit verbesserter Leistungsfähigkeit und optimierter Kühlleistung bereitgestellt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers für ein Kraftfahrzeug, der Wärmetauscher aufweisend Sammelbehälter und ein Bündel fluiddurchströmbarer Leitungen zur Strömungsführung zwischen den Sammelbehältern, wobei die Leitungen als Bündel gemeinsam hergestellt werden. Die Aufgabe wird weiter durch einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Mikrokanalkühler gelöst, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
In dem Wärmetauscher kann die thermische Energie von einem Medium auf ein anderes Medium übertragen werden. Hierbei können beide Medien gasförmig sein, oder ein Medium gasförmig und das andere Medium flüssig sein. Der Energieübergang kann bei dem Wärmetauscher auch von einem gasförmigen Medium auf ein Medium erfolgen, das im Phasenübergang gasförmig/flüssig ist. Weiter können beide im Wärmetauscher strömenden Medien Fluide sein.
Im Wärmetauscher können die beiden Medien derart aneinander vorbei strömen, dass zwischen den Medien Wärme übertragen wird. Dabei kann ein Medium mithilfe des anderen Mediums erwärmt oder gekühlt werden. In den Leitungen zur Strömungsführung können die Medien im Gegenstrom zwischen den Sammelbehältern aneinander entlang geführt werden. In den Leitungen zur Strömungsführung können die Medien im Gleichstrom zwischen den Sammelbehältern aneinander entlang geführt werden. In den Leitungen zur Strömungsführung können die Medien im Kreuzstrom zwischen den Sammelbehältern aneinander entlang geführt werden. Die Temperaturen der beiden Medien können dabei aneinander angeglichen werden und danach zwischen den jeweiligen Ausgangstemperaturen der einzelnen Medien liegen.
Durch die Vergrößerung der Oberfläche der fluiddurchströmbaren Leitungen durch Anordnung von Leitungs-Bündeln kann der Umfang der Wärmeübertragung zwischen den Medien erheblich gesteigert werden. Das kalte Medium kann dabei möglichst stark aufgewärmt und das ursprünglich heiße Medium möglichst stark abgekühlt werden. Die fluiddurchströmbaren Leitungen können aus Metall, aus Emaille, aus Kunststoff, aus Glas oder auch aus anderen Werkstoffen wie z. B. Siliciumcarbid gefertigt sein. Leitungen aus Kupfer bzw. Aluminium können eine gute Wärmeleitfähigkeit mit einem geringen Gewicht verbinden. Zur Erhöhung der Beständigkeit des Materials können auch Leitungen aus Stahl, insbesondere Edelstahl oder Guss eingesetzt werden. Zur weiteren Oberflächenvergrößerung der Kühlflächen innerhalb des Wärmetauschers kann auf Finnen, Rippen oder Lamellen verzichtet werden. Die Erfindung sieht vielmehr ein Bündel fluiddurchströmbarer Leitungen zur Strömungsführung zwischen den Sammelbehältern vor.
Die Leitungen können eine Vielzahl von dünnwandigen Hohlprofilen wie z. B. Rohre umfassen, deren Innendurchmesser kleiner 2 mm, insbesondere kleiner 1 mm, ist. Die Wandstärke der Leitung kann weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 0,5 mm, betragen.
Das Leitungs-Bündel kann eine Vielzahl von dünnwandigen Hohlprofilen umfassen, die in bestimmten Mustern angeordnet sind und auf diese Weise die Oberfläche des Wärmetauschers vergrößern. Die Leitungen können einen runden Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt der einzelnen Leitung kann unrund, mehreckig, elliptisch sein oder eine andere geometrische Formen aufweisen. Durch die Herstellung der Leitungen in einem Bündel können die Leitungen in Normlänge, mit normiertem Durchmesser und/oder mit normierter Wandstärke hergestellt werden. Die Herstellungskosten können durch ein standardisiertes Herstellungsverfahren deutlich gesenkt werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Anzahl der Leitungen innerhalb des genormten Bündels auf die Motorgröße abgestimmt werden. Der Herstellungsaufwand kann reduziert und die Fertigungszeit verkürzt werden. Weitere nachfolgende Fertigungsschritte können kostensenkend entfallen. Die Leitungen können im Bündel in einem Verfahrensschritt versiegelt, mechanisch gereinigt, und zur Anbindung an die jeweiligen Sammelbehälter gemeinsam vorbereitet werden. Die Weiterbehandlung der Leitungen und die Vorbereitung zum Einsatz im Kraftfahrzeug kann an allen Leitungen des Bündels wiederholbar und zeitgleich vorgenommen werden. Hierdurch können zeitaufwändige aufeinander folgende Verfahrensschritte entfallen.
Die Leitungen können in einem Extrusionsverfahren oder in einem Spritzgießverfahren hergestellt werden. Im Extrusionsverfahren können die Leitungen in einem Bündel aus einem härtbaren Werkstoff unter Druck kontinuierlich aus einer Form gebenden Matrize herausgepresst werden. Im Explosionsverfahren kann die Wanddicke, der Durchmesser der Leitung und die Länge der Leitung je nach Bedarf festgelegt werden. Die Leitungen können in einem Kaltextrusionsverfahren unter niedrigen Drücken und vergleichsweise niedrigen Temperaturen und Scherkräften hergestellt werden. Das Verfahren kann auch als Heißextrusionsverfahren unter hohen Drücken und Temperaturen Bündel von fluiddurchströmbaren Leitungen bereitstellen. Zur Herstellung der Leitungs-Bündel können Kolbenextruder und Schneckenextruder Verwendung finden. Mit Hilfe des Extrusionsverfahrens können Leitungsbündel in komplexer Form aus sprödem und/oder weichem Material hergestellt werden.
Im Spritzgießverfahren können Leitungs-Bündel wirtschaftlich besonders rationell gefertigt werden. Die Qualität des Werkzeugs bestimmt die Form und die Oberflächenstruktur des Leitungs-Bündels. Das Spritzgießverfahren ermöglicht es, Leitungsbündel mit hoher Genauigkeit und als Massenprodukt präzise in kurzer Zeit herzustellen. Die Herstellung von Leitungs-Bündeln mittels Spritzgussverfahren kann besonders für große Stückzahlen wirtschaftlich außerordentlich sinnvoll sein. Einzelne Leitungen des Bündels können in gelochte Bauteile eingefädelt und/oder eingeführt werden.
Der Wärmetauscher kann Stützplatten für die Leitungen aufweisen. Die Stützplatten können in einem Spritzgießverfahren zusammen mit den Leitungen hergestellt werden und/oder mit den Leitungen verbunden werden. Die Stützplatten können die Leitungen des Bündels präzise zueinander beabstanden. Das Leitungs-Bündel kann durch die wenigstens eine Stützplatte zusätzlich versteift werden. Das Verfahren ermöglicht einen spielfreien Sitz der Stützplatte an den einzelnen Leitungen des Leitungs-Bündels. Weitere kostenaufwändige und arbeitsintensive nachfolgende Verarbeitungsschritte zur Einführung der einzelnen Leitungen in die Durchbrüche der Stützplatte sind nicht erforderlich. Eine spätere arbeitsintensive Anpassung und Positionierung der Stützplatte an dem Leitungs-Bündel kann unterbleiben.
Die Leitungen können mit den Stützplatten zunächst in unbestimmter Länge hergestellt und nachfolgend abgelängt werden. Die Leitungen können in einem automatisierten Herstellungsverfahren kostengünstig produziert werden. Die Leitungs-Bündel können im Zusammenhang mit den Stützplatten als Normteile hergestellt werden. Je nach der erforderlichen Länge der Leitungen können die produzierten Längen auf das erforderliche Maß gekürzt werden. Die einzelnen Leitungen können in einem Produktionsschritt an den Stützplatten ausgerichtet werden. Die Stützplatten können dabei Einrichtungen aufweisen, die der Verankerung des Leitungsbündels am Fahrzeug dienen.
Die Sammelbehälter und/oder die Stützplatten können während oder nach der Herstellung der Leitungsbündels mit den Leitungen zur Strömungsführung stoffschlüssig verbunden werden. Die stoffschlüssige Verbindung kann je nach Temperatur des Mediums bzw. je nach Art des Werkstoffs der Leitung durch Kleben, Löten, Schweißen und/oder Eingießen bewirkt werden. Die Sammelbehälter, insbesondere Verteilerkästen können nach oder während des Herstellungsprozesses verklebt, gelötet, geschweißt oder auch eingegossen werden. Das Eingießen kann direkt oder indirekt erfolgen. Die stoffschlüssige Verbindung kann auch durch Einspritzen bewerkstelligt werden. Je nachdem, welche Temperatur zur Herstellung des Leitungsbündels erforderlich ist, erfolgt die weitere Verbindung der Leitungen mit den Stützplatten und/oder den Sammelbehältern während oder erst nach der Herstellung der Leitungen.
Die Leitungen können durch Innenhochdruckumformen eines vorgeformten Halbzeugs hergestellt werden. Das Innenhochdruckumformen-Verfahren ermöglicht die Umformung metallischer Hohlprofile zu Leitungsbündeln in einem geschlossenen Formwerkzeug mithilfe von Innendruck. Der Innendruck kann zum Beispiel durch eine Wasser-Öl-Emulsion in das Werkzeug bzw. in die Leitungen des Bündels eingebracht werden. Bei der Innenhochdruckumformung ist die größtmögliche Gestaltungsfreiheit bei der Herstellung der Leitungsbündel gegeben. Das Leitungsbündel kann bei der Herstellung mit dem Sammelbehälter und/oder den Stützplatten kombiniert werden.
Mit diesem Verfahren können weitere Einzelteile eingespart werden, wodurch die Herstellung der Leitungsbündel sehr kostengünstig sein kann. Zusätzliche Montage- und/oder Schweißoperationen können entfallen. Das Innenhochdruckumformungsverfahren eignet sich zur Herstellung der Leitungsbündel, da das Verfahren durch hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit bei der Fertigung der Bauteile gekennzeichnet ist. Die Halbzeuge können als Normteile vorgeformt sein. Die Innenhochdruckumformung des Halbzeugs und die Fertigung des zur Herstellung des Wärmetauschers erforderlichen Werkzeugs kann in einem Fertigungsschritt erfolgen. Zusätzliche Trennstellen zwischen den Leitungsbündeln und den Verteilerkästen und/oder den Sammelbehältern und/oder den Stützplatten können entfallen.
Die Leitungen können zusammen mit den Sammelbehältern in einem gemeinsamen Innenhochdruckumformungsvorgang hergestellt werden. Dies ermöglicht eine besonders wirtschaftliche und rohstoffschonende Herstellungsweise.
Nach dem Verfahren kann ein Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zum Einsatz in einem Mikrokanalkühler hergestellt werden. Der Wärmetauscher kann als Kreuzstrom-, Gleichstrom- oder Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet sein. Auf diese Weise kann je nach Einsatzort die Wärmeabfuhr optimal konzipiert werden. Durch Abtrennung verschiedener Bereiche des Wärmetauschers können platzsparend Hauptwasser- und Niedertemperaturkreis-Kühler in den Wärmetauscher integriert werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:
1 einen Kühler mit einem Wärmetauscher,
2 einen Detailausschnitt A des Wärmetauschers aus 1,
3 einen Kühler mit Wärmetauscher in Frontansicht,
4 einen Schnitt B-B durch den Kühler mit Wärmetauscher nach 3 und
5 einen Detailausschnitt C aus der 4.
1 zeigt den Blick in das Innere eines Kraftfahrzeug-Kühlergehäuses 100, 115 in dem ein Wärmetauscher 7 angeordnet ist. Der in 1 gezeigte Kühler 115 ist als Mikrokanalkühler 115 ausgebildet und verfügt über eine Vielzahl von in einem Bündel 109 zusammengefassten Leitungen 111. Ein Gehäuse 101 umfasst eine umlaufende Seitenwand 102 und einen Rücken 103 sowie einen (nicht dargestellten) Gehäusedeckel 104. An der Oberseite des Gehäuses 101 ist ein Flansch 105 für die Anbindung einer Zuführungsleitung für die Zuführung eines Mediums angeordnet. Auf der Seite des Zuführungsflansches 105 ist an der Unterseite des Gehäuses 101 ein Flansch 106 für die Anbindung einer Abführungsleitung für die Abführung eines Mediums vorgesehen. An der Seitenwand 102 des Gehäuses 101, die den Flanschen 105; 106 gegenüberliegt sind Anbindungseinrichtungen 117 zur Befestigung des Gehäuses 101 am Kraftfahrzeug vorgesehen. An der Oberseite sowie der Unterseite des Gehäuses 101 sind zur Aufnahme des Mediums je ein Sammelbehälter 108 angeordnet, die über die Leitungsbündel 109; 111 miteinander kommunizieren.
Im Inneren des Gehäuses 101 erstrecken sich in 1 drei, in etwa parallel zu den Sammelbehältern 108 verlaufende Stützplatten 110. Die Stützplatten 110 sind übereinander angeordnet und an den Seitenwänden 102 der Gehäuseinnenseite 101 befestigt. Die beiden Sammelbehälter 108 werden zur Strömungsführung durch ein Bündel 109 fluiddurchströmbarer Leitungen 111 miteinander verbunden.
In 2 ist ein vergrößerter Detailausschnitt A des Wärmetauschers 7 des Gehäuseinneren 101 des Kühlers 115, insbesondere eines Mikrokanalkühlers 115 gezeigt. Die Leitungen 111 des Bündels 109 erstrecken sich in etwa rechtwinklig zu den Stützplatten 110 und den Seitenwänden 102 des Gehäuses 101. Die Leitungen 111 sind voneinander beabstandet, in parallelen Reihen im Inneren des Kühlergehäuses 101, 115 angeordnet. Im Bereich des Deckels 104 und eines Bodens 116 des Gehäuses 101 weisen die Sammelbehälter 108 eingezogene Wände 114 auf, die je zwei Leitungsreihen 111; 113 einfassen. Die fluiddurchströmbaren Leitungen 111 des Bündels 109 verbinden die Sammelbehälter 108 und werden zu ihrer Stabilisierung von den Stützplatten 110 eingefasst.
3 zeigt in Seitenansicht den Mikrokanalkühler 115 mit dem Gehäuse 101 und den Seitenwänden 102 des Wärmetauschers 107. Im Bereich des Deckels 104 und des Bodens 116 sind Sammelbehälter 108 dargestellt. Die Stützplatten 110 erstrecken sich zwischen den Seitenwänden 102 des Gehäuses 101 und werden von den Leitungen 111 des Kühlers 115 durchbrochen. In 3 sind die Leitungen 111 des Bündels 109 zur Verbindung der beiden Sammelbehälter 108 in parallelen Reihen angeordnet. Jeweils im Bereich einer Gehäuseseitenwand 101; 102 sind je ein Zuführungs- und ein Abführungsflansch 105; 106 dargestellt.
4 zeigt den in 3 dargestellten Kühler 115 seitlich geschnitten (B-B). An der Oberseite ist im Bereich des Sammelbehälters 108 der Zuführungsflansch 105 geschnitten dargestellt. Ihm gegenüber an der Unterseite der Seitenwand 102 ist im Bereich des unteren Sammelbehälters 108 der Abführungsflansch 106 zu erkennen. Die Leitungen 111 verlaufen in etwa rechtwinklig zu den Stützplatten 110 und verbinden zur Strömungsführung die beiden Sammelbehälter 108.
5 zeigt in einem Detailausschnitt aus 4 die parallel zueinander verlaufenden Leitungen 111 des Bündels 109, mit jeweils zwei durch die Wände 114 eingefassten Leitungsreihen 111, 113.
Bezugszeichenliste

101: Gehäuse
102: Seitenwand
103: Rücken
104: Deckel
105: Zuführungsflansch
106: Abführungsflansch
107: Wärmetauscher
108: Sammelbehälter
109: Bündel
110: Stützplatte
111: Leitung
113: Reihe
114: Wand
115: Kühler
116: Boden
117: Anbindungseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/141123 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (107) für ein Kraftfahrzeug, der Wärmetauscher (107) aufweisend Sammelbehälter (108) und ein Bündel (109) fluiddurchströmbarer Leitungen (111) zur Strömungsführung zwischen den Sammelbehältern (108), dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (111) als Bündel (109) gemeinsam hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (111) in einem Extrusionsverfahren oder in einem Spritzgießverfahren hergestellt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (107) Stützplatten (110) für die Leitungen (111) aufweist und die Stützplatten (110) in einem Spritzgießverfahren zusammen mit den Leitungen (111) hergestellt und mit den Leitungen (111) verbunden werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (111), gegebenenfalls mit den Stützplatten (110), zunächst in unbestimmter Länge hergestellt und nachfolgend abgelängt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelbehälter (108) während oder nach der Herstellung der Leitungen (111) mit den Leitungen (111) zur Strömungsführung stoffschlüssig verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (111) durch Innenhochdruckumformen eines vorgeformten Halbzeugs hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (111) zusammen mit den Sammelbehältern (108) in einem gemeinsamen Innenhochdruckumformvorgang hergestellt werden.
Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Mikrokanalkühler (115), hergestellt nach einem Verfahren gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.