DE102013206056A1

DE102013206056A1 - Verfahren zur Herstellung von verbundenen Wärmeübertragerelementen

Info

Publication number: DE102013206056A1
Application number: DE201310206056
Authority: DE
Inventors: Thomas SCHIEHLEN
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-09-18
Also published as: EP2976220B1; WO2014147035A1; DE112014001511A5; EP2976220A1; PL2976220T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verbundenen Wärmeübertragerelementen (1, 2, 4, 5), mit einem ersten Wärmeübertragerelement (1, 4) und mit einem zweiten Wärmeübertragerelement (2, 5), wobei die beiden Wärmeübertragerelemente an jeweiligen Kontaktflächen miteinander verbindbar sind, an zumindest einem der Wärmeübertragerelemente (1, 2, 4, 5) an der Kontaktfläche eine flächige etwa 10 μm bis 500 μm starke Klebstoffschicht (3, 6) aufgetragen ist und die beiden zu verbindenden Wärmeübertragerelemente (1, 2, 4, 5) an den Kontaktflächen unter Zwischenlage der Klebstoffschicht (3) aneinander gefügt werden. Auch betrifft die Erfindung ein verbundenes Wärmeübertragerelement und einen diesbezüglichen Wärmeübertrager.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verbundenen Wärmeübertragerelementen, solche verbundenen Wärmeübertragerelementen und einen Wärmeübertrager mit solchen verbundenen Wärmeübertragerelementen.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind seit Jahrzehnten Wärmeübertrager für Kältemittelanwendungen oder für Kühlmittelanwendung bekannt. Dabei erfolgt die Fertigung dieser Wärmeübertrager mit Werkstoffen, die sich für eine Verlötung eignen, da die Lötung zur Abdichtung der Bauelemente eingesetzt wird. Als Werkstoffe sind Edelstahl, Kupfer oder Aluminium bekannt. Diese Werkstoffe werden als Halbzeuge mit Lot beschichtet, wobei das Lot aus einer Materialschicht, die einen niedrigeren Schmelzpunkt, als das Grundmaterial aufweist besteht.
Die Bauelemente werden montiert, kassettiert und verspannt und anschließend in einem Lötofen bei einer Temperatur gelötet, die nahe an den Schmelzpunkt des Grundmaterials heranreicht. Auch werden für den Lötprozess Flussmittel eingesetzt, um die oberflächliche Oxidschicht aufbrechen.
Bei der Verlötung von Bauelementen ist eine Randbedingung, dass nur artgleiche Materialien miteinander geeignet verbinden, weil die thermische Längendehnung verschiedener Materialien das gelötete Bauteil ungünstig beeinflussen könnte.
Ebenso sollten aus korrosionstechnischer Sicht keine Potentialunterschiede von variierenden Materialien vorhanden sein.
Die Verlötung kann erfolgreich durchgeführt werden, wenn verschiedene Randbedingungen eingehalten werden:

– Entfetten der Teile
– Stapeln und Verspannen der lotplattierten Bauteile
– Lötung im Ofen bei etwa 650°C für mehrere Stunden, vorzugsweise 4 Stunden
– Dichtprüfen der Teile
– Bedarfsweises Nachlöten, wenn die Teile undicht sein sollten

Dieser Herstellungsprozess ist sehr zeit- und kostenintensiv.
Das Verbinden unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung sorgt bei Wärmetauschern mit häufigen thermischen Wechseln zu einer reduzierten Lebensdauer.
Alternativ werden Bauteile nach dem Stand der Technik auch geklebt. Dazu werden Epoxidharzklebstoffe, Silikone oder Polyurethane eingesetzt, die über einen breiten Temperaturbereich eine geeignete Flexibilität zeigen, die vorteilhaft ist für einen Ausgleich verschiedener thermischer Längendehnungen. Für eine Klebung werden die Klebstoffe in Schichtdicken von mehr als 1 mm aufgetragen. Dadurch werden lange Aushärtezeiten der Klebstoffe benötigt, was die Kosten für die Aushärtung wegen langer Ofenzeit oder wegen noch längerer Aushärtezeit bei Raumtemperatur erhöht. Auch wird beim Einsatz von hohen Schichtdicken von mehr als 1 mm sehr viel Klebstoffmenge verwendet, was die Kosten ebenso ansteigen lässt.
Geklebte Bauteile besitzen derzeit allerdings nur eine begrenzte Medienbeständigkeit gegen die in einem Wärmeübertrager eingesetzten Medien.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von verbundenen Wärmeübertragerelementen, solche verbundenen Wärmeübertragerelementen und einen Wärmeübertrager mit solchen verbundenen Wärmeübertragerelementen zu schaffen, die einfach herzustellen sind und welche die Nachteile des Standes der Technik reduzieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird hinsichtlich der verbundenen Wärmeübertragerelemente mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verbundenen Wärmeübertragerelementen, mit einem ersten Wärmeübertragerelement und mit einem zweiten Wärmeübertragerelement, wobei die beiden Wärmeübertragerelemente an jeweiligen Kontaktflächen miteinander verbindbar sind, an zumindest einem der Wärmeübertragerelemente an der Kontaktfläche eine flächige etwa 10 μm bis 500 μm starke Klebstoffschicht aufgetragen ist und die beiden zu verbindenden Wärmeübertragerelemente an den Kontaktflächen unter Zwischenlage der Klebstoffschicht aufeinander gelegt werden. Durch die dünne Klebstoffschicht wird eine sichere und stabile Verklebung erreicht, welche auch die Anforderungen an die Dauerhaltbarkeit erfüllt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Klebstoffschicht etwa 10 μm bis 100 μm stark ist. Dies reduziert das benötigte Material und erhöht die Stabilität.
Erfindungsgemäß erfolgt das Zusammenfügen der Wärmeübertragerelemente bei einer Temperatur von ca. 100°C bis 200°C oder die zu verbindenden Wärmeübertragerelemente werden nach dem Zusammenfügen auf eine Temperatur von 100°C bis 200°C, für eine vorgebbare Zeitdauer erwärmt werden. Durch die Erwärmung auf die zuvor definierte Temperatur kann eine schnellere Härtung und eine höhere Stabilität des Klebstoffs erreicht werden.
Besonders vorteilhaft erfolgt das Zusammenfügen bei einer Temperatur von ca. 120°C bis 180°C oder die zu verbindenden Wärmeübertragerelemente werden nach dem Zusammenfügen auf eine Temperatur von 120°C bis 180°C, für eine vorgebbare Zeitdauer erwärmt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die vorgebbare Zeitdauer kürzer als 10 Minuten, insbesondere kürzer als 5 Minuten beträgt. Dadurch kann aufgrund der geringen Schichtdicke die Aushärtedauer reduziert werden, was die Produktionsdauer reduziert und Kosten spart.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn beim Zusammenfügen ein Druck im Bereich von etwa 0,1 N/mm² bis 0,7 N/mm² auf die zu verbindenden Wärmeübertragerelemente aufgebracht wird. Dadurch wird die Haftkraft und die Dauerstabilität der Klebung verbessert.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Klebstoff als Folienmaterial zwischen den zu verbindenden Wärmeübertragerelementen aufgebracht wird. Dadurch kann eine qualitativ hochwertige Verarbeitung realisiert werden und auch kann die Klebstoffmenge sehr gleichmäßig aufgetragen werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Klebstoff auf das Halbzeug zumindest eines Wärmetauscherelements aufgebracht wird, wie auf ein auf einem Coil gewickelten Band oder Rohr oder auf ein Strangmaterial. Dadurch kann der Klebstoffauftrag vor der Formgebung kostengünstig aufgetragen werden, wobei die Wärmeübertragerelemente danach beispielsweise ausgestanzt oder ausgeformt werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Klebstoff als Klebstofffilm oder Klebstofffolie auf eine Oberfläche des Wärmeübertragerelements oder des Halbzeugs aufgetragen oder aufkaschiert wird. Auch dadurch kann eine gleichmäßige Klebstoffdicke erreicht werden, was die Qualität der Klebung sicherstellt.
Die Aufgaben hinsichtlich der verbundenen Wärmeübertragerelemente werden mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft verbundene Wärmeübertragerelemente mit zumindest einem ersten Wärmeübertragerelement und zumindest einem zweiten Wärmeübertragerelement, welche mittels einer Klebstoffschicht miteinander verbunden sind, wobei ein oben beschriebenes Verfahren zur Herstellung eingesetzt wird.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das erste Wärmeübertragerelement und/oder das zweite Wärmeübertragerelement ein Rohr ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das erste Wärmeübertragerelement und/oder das zweite Wärmeübertragerelement eine Rippe, wie bevorzugt eine Wellrippe, ist.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das erste Wärmeübertragerelement und/oder das zweite Wärmeübertragerelement eine Platte, wie bevorzugt eine geformte oder gepresste oder geprägte Platte oder Substrat-Platte, ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeübertragerelemente einen Fluidkanal bilden oder eine abgedichtete Verbindung eingehen, wobei der Klebstoff entsprechend als Dichtmittel dient. So kann ein Fluidkanal aus zwei Elementen gebildet werden, die mittels des Klebstoffs randseitig abgedichtet werden.
Die Aufgabe zum Wärmeübertrager wird gelöst mit den Merkmalen von Anspruch 15.
Ein Ausführungsbeispiel betrifft einen Wärmeübertrager mit zumindest einem der verbundenen Wärmeübertragerelemente insbesondere hergestellt nach einem oben beschriebenen Verfahren.
Bei dem Wärmeübertrager ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeübertrager ein Schichtblechwärmeübertrager ist, bei welchem Schichten von Platten aufeinander gestapelt sind, zwischen welchen Fluidkanäle ausgebildet sind.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeübertrager ein Rohr-Rippen-Wärmeübertrager ist, bei welchem Rohre mit benachbart angeordneten Rippen versehen angeordnet sind, wobei ein Fluid in den Rohren und ein Fluid um die Rohre und Rippen strömt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Verklebung eines ersten Wärmeübertragerelements mit einem zweiten Wärmeübertragerelement,
2 eine schematische Darstellung einer Verklebung eines ersten Wärmeübertragerelements mit einen zweiten Wärmeübertragerelement, und
3 ein Diagramm zur Erläuterung des erfinderischen Verfahrens.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt eine Anordnung eines ersten Wärmeübertragerelements 1 mit einem zweiten Wärmeübertragerelement 2, welche mittels einer dünnen Klebstoffschicht 3 miteinander verbunden sind.
Die Klebstoffschicht 3 wird dazu vorteilhaft als dünne Folie oder als dünner Film auf mindestens eines der beiden Wärmeübertragerelemente 1, 2 aufgebracht und anschließend werden die beiden Wärmeübertragerelemente 1, 2 miteinander verbunden.
Das erste Wärmeübertragerelement 1 ist als Rohr ausgebildet und das zweite Wärmeübertragerelement 2 ist als Wellrippe ausgebildet. Die Klebstoffschicht 3 wird in dieser Anwendung vorteilhaft auf das eher ebene Rohr als erstes Wärmeübertragerelement aufgebracht. Dies erlaubt eine sparsame Auftragung bzw. Applikation des Klebstoffs.
Im Ausführungsbeispiel der 2 wird auf ein Rohr 4 mittels einer dünnen Klebstoffschicht 6 ein Substrat aufgeklebt.
Die Klebstoffschicht ist bei den Ausführungsbeispielen bevorzugt zwischen etwa 10 μm und 500 μm, besonders bevorzugt zwischen 10 μm und 100 μm stark.
Zum Einsatz kommen Klebstofffolien als Klebstoffschicht 3, 6, welche auf eine Kontaktfläche eines Wärmeübertragerelements 1, 4 aufgebracht wird, wobei das zweite Wärmeübertragerelement 2, 5 mit seiner Kontaktfläche dann mit der Klebstoffschicht 3, 6 auf der Kontaktfläche des ersten Wärmeübertragerelements 1, 4 aufgebracht wird.
Dabei kann die Klebstoffschicht erst auf das erste Wärmeübertragerelement aufgebracht werden, bevor die beiden zu verbindenden Wärmeübertragerelemente zusammen geführt werden.
Dabei ist es auch vorteilhaft, wenn die Klebstoffschicht bereits auf das Ausgangsmaterial aufgebracht wird, wie auf das Halbzeug. So kann beispielsweise die Klebstoffschicht auf ein Blech oder ein Rohr aufgebracht werden, welches beispielsweise als auf ein Coil gewickelte Menge für den Herstellungsprozess vorliegt. Dabei kann der Auftrag in Großserie kostengünstig aufgebracht werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeübertragerelemente beispielsweise aus dem Halbzeug mittels Stanzen und Prägen bzw. Verformen und/oder Strahlschneiden herstellbar ist. So können beispielsweise Wärmeübertragerplatten, auch als Scheiben bezeichnet, mit der Klebstoffschicht aus einem Blech hergestellt werden, auf welches zuvor die Klebstoffschicht bereits appliziert war.
Alternativ kann die Klebstoffschicht auch zwischen die beiden zu verbindenden Wärmeübertragerelemente als insbesondere formstabile Folie gelegt werden, so dass sie beim Zusammenfügen sich auf die zu verbindenden Kontaktflächen legt.
Die 3 zeigt in einem Diagramm 10 einen beispielhaften Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von verbundenen Wärmeübertragerelementen.
Dazu wird in Block 11 auf zumindest einem ersten Wärmeübertragerelement und/oder auf einem zweiten Wärmeübertragerelement eine dünne Klebstoffschicht aufgebracht.
Anschließend werden die beiden Wärmeübertragerelemente in Block 12 aufeinander gelegt bzw. zusammengeführt, um die Wärmeübertragerelemente zu verkleben.
Die Klebstoffschicht ist etwa 10 μm bis 500 μm, vorzugsweise 10 μm bis 100 μm stark ist.
Optional kann gemäß Block 13 das Zusammenfügen der Wärmeübertragerelemente bei einer Temperatur von ca. 100°C bis 200°C, insbesondere 120°C bis 180°C, erfolgt. Die Erwärmung erfolgt vorzugsweise über eine vordefinierte Zeitdauer.
Auch können die zu verbindenden Wärmeübertragerelemente alternativ nach dem Zusammenfügen auf eine Temperatur von 100°C bis 200°C, insbesondere 120°C bis 180°C, für eine vorgebbare Zeitdauer erwärmt werden.
Die vorgebbare Zeitdauer ist dabei etwa 10 Minuten oder weniger, insbesondere 5 Minuten oder weniger.
Weiterhin optional kann gemäß Block 14 während des Verbindungsprozesses, beim Zusammenfügen, ein Druck im Bereich von etwa 0,1 N/mm² bis 0,7 N/mm² auf die zu verbindenden Wärmeübertragerelemente aufgebracht werden.
Erfindungsgemäß kann ein Wärmeübertrager mit solchen verbundenen Wärmeübertragerelementen hergestellt werden. Dabei kann der Wärmeübertrager ein Verdampfer, Kühlmittelkühler, Motorkühler, Kondensator, Ladeluftkühler, Chiller, Ölkühler, Heizkörper, PTC-Zuheizer etc. sein.
Die Verklebung kann für eine Rippe-Rohr-Verklebung, eine Aktivkohleverklebung oder eine Scheiben- oder Plattenverklebung zur Strömungskanalbildung genutzt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von verbundenen Wärmeübertragerelementen (1, 2, 4, 5), mit einem ersten Wärmeübertragerelement (1, 4) und mit einem zweiten Wärmeübertragerelement (2, 5), wobei die beiden Wärmeübertragerelemente an jeweiligen Kontaktflächen miteinander verbindbar sind, an zumindest einem der Wärmeübertragerelemente (1, 2, 4, 5) an der Kontaktfläche eine flächige etwa 10 μm bis 500 μm starke Klebstoffschicht (3, 6) aufgetragen ist und die beiden zu verbindenden Wärmeübertragerelemente (1, 2, 4, 5) an den Kontaktflächen unter Zwischenlage der Klebstoffschicht (3) aneinander gefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffschicht (3) etwa 10 μm bis 100 μm stark ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammenfügen der Wärmeübertragerelemente (1, 2, 4, 5) bei einer Temperatur von ca. 100°C bis 200°C erfolgt oder dass die zu verbindenden Wärmeübertragerelemente (1, 2, 4, 5) nach dem Zusammenfügen auf eine Temperatur von 100°C bis 200°C für eine vorgebbare Zeitdauer erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammenfügen bei einer Temperatur von ca. 120°C bis 180°C erfolgt oder das die zu verbindenden Wärmeübertragerelemente (1, 2, 4, 5) nach dem Zusammenfügen auf eine Temperatur von 120°C bis 180°C für eine vorgebbare Zeitdauer erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Zeitdauer kürzer als 10 Minuten, insbesondere kürzer als 5 Minuten beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfügen ein Druck im Bereich von etwa 0,1 N/mm² bis 0,7 N/mm² auf die zu verbindenden Wärmeübertragerelemente (1, 2, 4, 5) aufgebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff als Folienmaterial zwischen den zu verbindenden Wärmeübertragerelementen (1, 2, 4, 5) aufgebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff auf das Halbzeug zumindest eines Wärmetauscherelements (1, 2, 4, 5) aufgebracht wird, wie auf ein auf einem Coil gewickelten Band oder Rohr oder auf ein Strangmaterial.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff als Klebstofffilm oder Klebstofffolie auf eine Oberfläche des Wärmeübertragerelements (1, 2, 4, 5) oder des Halbzeugs aufgetragen oder aufkaschiert wird.
Verbundene Wärmeübertragerelemente mit zumindest einem ersten Wärmeübertragerelement (1, 4) und zumindest einem zweiten Wärmeübertragerelement (2, 5), welche mittels einer Klebstoffschicht (3, 6) miteinander verbunden sind, wobei ein Verfahren zur Herstellung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 eingesetzt wird.
Verbundene Wärmeübertragerelemente nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmeübertragerelement (1, 4) und/oder das zweite Wärmeübertragerelement (2, 5) ein Rohr ist.
Verbundene Wärmeübertragerelemente nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmeübertragerelement (1, 4) und/oder das zweite Wärmeübertragerelement (2, 5) eine Rippe, wie bevorzugt eine Wellrippe, ist.
Verbundene Wärmeübertragerelemente nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmeübertragerelement (1, 4) und/oder das zweite Wärmeübertragerelement (2, 5) eine Platte, wie bevorzugt eine geformte oder gepresste oder geprägte Platte oder Substrat-Platte, ist.
Verbundene Wärmeübertragerelemente nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragerelemente (1, 2, 4, 5) einen Fluidkanal bilden oder eine abgedichtete Verbindung eingehen, wobei der Klebstoff als Dichtmittel dient.
Wärmeübertrager mit zumindest einem der verbundenen Wärmeübertragerelemente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, hergestellt nach einem Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9.
Wärmeübertrager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager ein Schichtblechwärmeübertrager ist, bei welchem Schichten von Platten aufeinander gestapelt sind, zwischen welchen Fluidkanäle ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager ein Rohr-Rippen-Wärmeübertrager ist, bei welchem Rohre mit benachbart angeordneten Rippen versehen angeordnet sind, wobei ein Fluid in den Rohren und ein Fluid um die Rohre und Rippen strömt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager ein Verdampfer, ein Motorkühler, ein Ladeluftkühler oder ein Ölkühler ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager ein Kondensator, ein Heizkörper oder ein PTC-Zuheizer ist.