DE102013212939A1

DE102013212939A1 - Herstellungsverfahren für einen Wärmetauscher und Werkzeug zur Herstellung des Wärmetauschers

Info

Publication number: DE102013212939A1
Application number: DE102013212939.4A
Authority: DE
Inventors: Roland Hemminger; Rüdiger Kölblin; Werner Helms
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-01-08
Also published as: WO2015000802A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (10) mit einem Rohrrippenblock (12) aufweisend Rohre (14), und in Wellrippenkanälen (20) verlaufende Wellrippen (16) und mindestens einem Rohrboden (18), mit dem die Rohre (14) und die Wellrippenkanäle (20) verbunden werden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Auftulpung an den Ecken (30, 32) der Wellrippenkanäle (20) vorgesehen ist, sodass aufgetulpte Ecken (27) entstehen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Werkzeug (34) mittels dem Ecken (30, 32) aufgetulpt werden können, das Formdorne (38) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen Wärmetauscher (10) mit aufgetulpten Ecken (27).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Werkzeug zur Herstellung eines Wärmetauschers und einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.
Stand der Technik
In einem Kraftfahrzeug werden Wärmetauscher an unterschiedlicher Einbaustelle eingesetzt. Eine besondere Ausführungsform eines Wärmetauschers ist ein Luftladekühler (LLK), der im Ansaugtrakt eines Motors vorgesehen sein kann, um die Temperatur der dem Motor zugeführten Verbrennungsluft zu verringern. Der Ladeluftkühler wird in der Regel zwischen dem Verdichter, beispielsweise Turbolader oder Kompressor im Ansaugtrakt und dem Einlassventil eingebaut und führt einen Teil der Wärme ab, die durch die Verdichtung der Luft entsteht.
Der Ladeluftkühler ist aus einem Rippenrohrblock mit einer Anzahl von Rohren, insbesondere Flachrohren und mit dazwischen angeordneten Wellrippen aufgebaut. Die Flachrohre sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und an beiden Enden jeweils in einen Rohrboden eingesteckt und mit diesem verbunden. Zumindest an einem Rohrboden ist ein Luftkasten angeordnet. Am Luftkasten sind die Einlass- und/oder Auslassstutzen zur Luftzufuhr angeordnet. Die Rohre werden in der Regel zur besseren Montage aufgeweitet, um im Rohrboden fixiert werden zu können. Diese Montage der Rohre ist kritisch, da hierbei Beschädigungen an den Wellrippen und an den Rohren auftreten können.
Aus der DE 2 320 866 ist eine Anordnung zum Verstärken der Verbindung zwischen Rohren und einem Sammelbehälter für einen Wärmetauscher bekannt. Die Rohre weisen einen rechteckigen Querschnitt auf und die Enden der Rohre stehen mit Flanschen des Sammelbehälters in Eingriff. Bei der Herstellung des Wärmetauschers werden die Rohre so angeordnet, dass die Enden der Rohre über die Flansche überstehen und die beiden Längsseiten jedes Rohres um die Flansche umgebogen und gerollt werden können. Hierbei werden die Enden der Rohre durch ein Spezialwerkzeug konisch aufgeweitet.
Die DE 694 02 786 T2 offenbart einen Wärmetauscher mit Rohren und Kühlrippen, einem Paar von Verteilerkopfplatten und einem Paar von Seitenplatten. Bei dem Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers werden die Rohre, die in einem zentralen Teil der Verteilerkopfplatte angeordnet sind, mit einem kleineren Grad konusförmig aufgeweitet, als diejenigen Rohre, die benachbart zu der Seitenplatten angeordnet sind. Dadurch kann verhindert werden, dass die Rohre während eines nachfolgenden Lötschrittes herunterrutschen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein sicheres Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers bereitzustellen, bei dem weder Rohre noch Wellrippen beschädigt werden.
Dies wird erreicht mit einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers mit den Merkmalen von Anspruch 1, wonach gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts eine Auftulpung an den Ecken vorgesehen ist. Dadurch entstehen aufgetulpte Ecken in Wellrippenkanälen. Der Wärmetauscher weist einen Rippenrohrblock mit Rohren und in Wellrippenkanälen angeordneten Rippen, insbesondere wellenförmig angeordneten Rippen (Wellrippen) und mindestens einem Rohrboden auf, mit dem die Rohre und die Wellrippenkanäle verbunden sind. Die Rohre sind bevorzugt als Flachrohre ausgebildet. Die Rohre werden bei der Montage vor dem Auftulpen in den Rohrboden eingeschoben. Dadurch, dass die Auftulpung an den Ecken erfolgt, können die Wellrippen gezielt derart verformt werden, dass die Enden der Rippen jeweils an der Wandung der Wellrippenkanäle anliegen können. Die Enden der Wellrippen können hierbei insbesondere an die Ecken von Durchzügen des Rohrbodens angelegt werden. Dadurch kann eine Zugspannung an den flachen Seiten der Rohre entstehen. Hierdurch ist eine Anlage an den Rohrboden positiv beeinflusst. Im nächsten Verfahrensschritt kann dann eine stoffschlüssige Verbindung bevorzugt durch Löten hergestellt werden und die Rippen und die Wandungen können stoffschlüssig verbunden werden. An den strömungswichtigen Stellen des Wärmetauschers in den Wellrippenkanälen werden deutliche Verbesserungen erzielt. Es sind keine optischen Verformungen der Rippen und kein Umklappen der Endbögen der Rippen zu verzeichnen nach der Montage des Rippenrohrblocks an den Rohrboden. Eine anschließend durchzuführende Lötung kann optisch einbandfrei erfolgen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Wärmetauschers erfolgt die Auftulpung in den Ecken durch einen Formdorn. Die Anzahl der Formdorne entspricht hierbei der Anzahl der Ecken des Wellrippenkanals und somit der doppelten Anzahl der Wellrippenkanäle, sodass jeweils in einer Ecke eines Wellrippenkanals ein Formdorn die Auftulpung realisieren kann. bevorzugt sind zwei Reihen von Formdornen vorgesehen. Somit greifen jeweils vier Formdorne in einen Wellrippenkanal mit Wellrippen ein. Es kann eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte und damit eine Zugspannung an den flachen Seiten der Rohre der Wellrippenkanäle erfolgen. Die zwei Reihen von Formdornen, die auch als Tulpeinsätze bezeichnet werden, werden bevorzugt gleichzeitig in den Rohrrippenblock gefahren.
Bevorzugt weist der Formdorn eine konische Form auf, wobei der Formdorn Teil eines Tulpstempels ist. Der Tulpstempel weist ferner einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt, eine 90 Grad Absenkung und einen Absatz auf. Es können aber auch andere Stempelformen vorgesehen sein, beispielsweise mit einer sich verjüngenden Form in Stufen. Bevorzugt werden beide Reihen von Formdornen gleichzeitig in den Rippenrohrblock eingefahren. Somit werden an allen Ecken des Rippenrohrblocks gleichzeitig Kräfte zur Tulpung eingebracht.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Werkzeug zur Herstellung eines Wärmetauschers gelöst, welches mindestens eine Stempelhalteplatte aufweist, in die Formdorne einsetzbar sind, wobei die Formdorne in Reihen auf der Stempelplatte angeordnet sind, sodass beim Tulpen mit den Formdornen jeweils eine Auftulpung an den Ecken erfolgen kann. Die Anordnung der Formdorne auf der Stempelhalteplatte hängt hierbei von der Geometrie des jeweiligen Wärmetauschers ab, insbesondere von der Breite der Rohre und/oder Wellrippenkanälen und dem Abstand der Rohre und/oder Wellrippenkanälen untereinander. Die Formdorne können bevorzugt symmetrischem angeordnet sein und einen gleichmäßigen Abstand zueinander aufweisen.
Bevorzugt weist das Werkzeug zur Herstellung eines Wärmetauschers zwei Reihen von Formdornen auf. Hierbei können alle Ecken des Wärmetauschers gleichzeitig getulpt werden.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch einen Wärmetauscher mit einem Rippenrohrblock mit Rohren und Wellrippen sowie mindestens einem Rohrboden gelöst, wobei die Rohre in den Rohrboden eingeschoben sind und die Ecken der Rohre und/oder von Wellrippenkanälen vor dem Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung aufgetulpt sind. Die Wellrippenkanäle weisen aufgetulpte Ecken auf. Die Verformung der Rohre ist hierbei auch nach der stoffschlüssigen Verbindung erkennbar. Die stoffschlüssige Verbindung ist bevorzugt eine Lötverbindung.
Bevorzugt ist der Wärmetauscher ein Ladelufttkühler (LLK oder iLLK). Ein Lageluftkühler wird in einem Kraftfahrzeug zwischen einem Verdichter, beispielsweise Turbolader und einem Einlassventil angeordnet und dient der Kühlung der Luft nach dem Verdichter.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren der Zeichnung
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Fotographie eines Rippenrohrblocks eines Wärmetauschers in Draufsicht;
2 eine Fotographie von Schäden an einem Wärmetauscher, gefertigt mit einem Verfahren gemäß Stand der Technik;
3a, 3b eine Fotographie von unbeschädigten Rippen eines Wärmetauschers, gefertigt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren;
4a, 4b eine Fotographie eines Stempels eines Werkzeuges zum Ecktulpen;
5 ein Werkzeug zum Ecktulpen;
6 eine schematische Darstellung als Draufsicht des Werkzeuges zum Ecktulpen;
7 eine schematische Schnittdarstellung in der Ebene B-B;
8 eine schematische Darstellung des Werkzeuges von 6 schräg von vorne;
9a, 9b, 9c eine schematische Darstellung einer Stempelplatte des Werkzeuges von 6;
10, 10a eine Darstellung des Tulpstempels des Werkzeuges von 6.
1 stellt eine Fotographie eines Wärmetauschers 10 dar, insbesondere eines Ladeluftkühler 10 (LLK) eines Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt) von dem lediglich ein Rippenrohrblock 12 gezeigt ist. Der Ladeluftkühler 10 kann ein Ladeluft/Luftkühler sein, bei dem als direkte Ladeluftkühlung mit Umgebungsluft gearbeitet wird. Der Ladeluftkühler 10 kann ebenfalls Ladeluft/Kühlmittelkühler sein, der mit indirekter Ladeluftkühlung mit einem fluiden Kühlmittel arbeiten kann. Der Ladeluftkühler 10 weist in der Regel Rohre 14 und zwischen den Rohren 14 angeordnete Wellrippen 16 auf. Die Rohre 14 sind bevorzugt als Flachrohre 14 ausgebildet und können von dem Kühlmittel (Luft oder flüssiges Kühlmittel) durchströmt werden. Die Rohre 14 und die Wellrippen 16 sind an einem Rohrboden 18 angeordnet und mit diesem verbunden. Der Wärmetauscher 10 ist bevorzugt in einem Motorraum eines Kraftfahrzeuges zwischen einem Verdichter und einem Einlassventil angeordnet und kühlt die Ladeluft. Der Wärmetauscher 10 weist in der Regel Lufteintrittsstutzen für die heiße Luft und Luftaustrittsstutzen für die gekühlte Luft auf (nicht dargestellt).
2 zeigt einen Ausschnitt eines Wellrippenkanals 20 des Wärmetauschers 10 bei dem das im Stand der Technik angewendete Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers 10 zu Schäden 22 an den Wellrippen 16 geführt hat. Die Rippen 16 sind an den Enden 26 verbogen, wodurch keine sachgemäße Lötung erfolgen kann und wodurch im Betrieb die Durchströmung des Wellrippenkanals 20 gestört ist. Die Beschädigung 22 kann entstanden sein, indem ein U-Stempel – wie im Stand der Technik üblich – zur Auftulpung verwendet wurde.
3 zeigt den Ausschnitt des Wärmetauschers 10, bei dem die Auftulpung eines Rohres 24 des Wellrippenkanals 20 mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug durchgeführt wurde. Es sind keine verbogenen Rippenenden 26 zu erkennen. Ein Kragen 25 des Rohres 24 zeigt aufgetulpte Ecken 27. Die Rippenenden 26 liegen an einer Wandung 28 an und sind sachgemäß verlötet worden. Die Auftulpung ist jeweils an Ecken 30 und 32 erfolgt.
4a zeigt das Werkzeug 34 zur Ecktulpung. Das Werkzeug 34 weist eine Stempelhalteplatte 36 auf, in die Tulpstempel 39 aufweisend einen Formdorn 38 eingesetzt sind. Die in die Stempelhalteplatte 36 eingesetzten Formdorne 38 sind in 4b vergrößert dargestellt. Die Formdorne 38 weisen eine konische Gestalt (konischer Abschnitt 42) auf und haben eine abgerundete Spitze 40. In den 10 und 10a ist der Tulpstempel 39 mit dem Formdorn 38 in einer technischen Zeichnung mit mehr Details gezeigt. Das Werkzeug 34 weist eine erste Reihe 44 Formdorne 38 und eine zweite Reihe 46 mit Formdornen 38 auf, wobei jeweils sechsundzwanzig (26) Formdorne 38 pro Reihe 44, 46 angeordnet sind. Die Formdorne 38 werden auch als Tulpeinsätze 38 bezeichnet. Dies entspricht der doppelten Anzahl der Wellrippenkanäle 20 pro Reihe 44, 46, wobei jeder Wellrippenkanal 20 vier Ecken 30, 32 aufweist. In den 1 sind diese vier Ecken 30, 32 erkennbar, in den 2 und 3 sind jeweils nur die Ecken 30 und 32 an einem Ende dargestellt.
5 zeigt einen Versuchsfertiger 48 mit den eingebauten Werkzeugen 34 mit Formdornen 38. Es handelt sich um einen indirekten Ladeluftkühler mit 80 mm Breite und der Stempelhalteplatte 36 mit eingesetzten Formdornen 38. Im Herstellungsverfahren fahren die beiden Reihen 44, 46 mit Formdornen 38 gleichzeitig in den Rippenrohrblock 12.
6 zeigt eine technische Zeichnung eines Versuchsfertigers 48 mit einem Werkzeug 34. Zwei Reihen 44 und 46 sind mit eingebauten Formdornen 38 dargestellt. Der Versuchsfertiger 48 ist bevorzugt aus einem Edelstahl gefertigt, bevorzugt ein 55 CrVMo-Stahl.
7 zeigt den Versuchsfertiger 48 in der Schnittebene B-B. Die Stempelplatte 36 ist montiert.
8 zeigt den Versuchsfertiger 48 der 6 und 7 in eine Ansicht schräg von vorne.
9 zeigt die Stempelhalteplatte 36 mit Ausnehmungen 50, in die Formdorne 38 aufgenommen werden können. 9a zeigt eine Draufsicht auf die Stempelplatte von schräg oben. 9b zeigt eine senkrechte Draufsicht. 9c zeigt eine Schnittdarstellung in der Ebene A-A. Die Stempelhalteplatte 36 ist bevorzugt aus X1 55CrVMo 121-Stahl gefertigt.
10 zeigt in einer technischen Zeichnung den Tulpstempel 39 mit dem Formdorn 38. Der Tulpstempel 39 weist einen Abschnitt 52 von im Wesentlichen zylindrischer Gestalt auf (zylindrischer Abschnitt 52), an dessen einem Ende eine 90° Senkung 54 und ein an die Senkung anschliessender Absatz 56 angeordnet ist. Das andere Ende des Tulpstempels 39 läuft mit Phasen 58 und 60 in eine konische Gestalt, den konischen Abschnitt 42, über, der den Formdorn 38 bildet. Der Absatz 56 kann der Halterung des Tulpstempels 39 in dem Werkzeug 34 dienen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers 10 umfasst die Schritte:

– Bereitstellens der Bestandteile des Wärmetauschers 10, insbesondere eines Rippenrohrblocks 12 mit Wellrippen 16 und Rohren 14 und eines Rohrbodens 18;
– Anordnen der Teile zueinander;
– Einschieben der Kanäle 20 in denen Wellrippen 16 (Wellrippenkanälen 20) angeordnet sind, in den Rohrboden 18 und/oder Einschieben von zwischen den Wellrippenkanälen 20 angeordneten Rohren 14 in den Rohrboden 18;
– Auftulpen an den Ecken 30, 32 der jeweiligen Wellrippenkanäle 20 mittels des Werkzeuges 34, indem Formdorne 38 jeweils an die Ecken 30, 32 der Wellrippenkanäle 20 eingeführt werden – hierbei entstehen aufgetulpte Ecken 27;
– Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Rohren 14, den Wellrippenkanälen 20 und den Wellrippen 16 jeweils an den Verbindungsstellen zum Rohrboden 18; bevorzugt ist das Anwenden eines Lötprozesses zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung vorgesehen;
– Endmontage der anderen nach fehlenden Bestandteile des Wärmetauschers 10, insbesondere Montage von Einlass- und Auslassstutzen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2320866 [0004]
DE 69402786 T2 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (10) mit einem Rohrrippenblock (12) aufweisend Rohre (14), und in Wellrippenkanälen (20) verlaufende Wellrippen (16) und mindestens einem Rohrboden (18), mit dem die Rohre (14) und die Wellrippenkanäle (20) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auftulpung an den Ecken (30, 32) der Wellrippenkanäle (20) vorgesehen ist, sodass aufgetulpte Ecken (27) entstehen.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftulpung in den Ecken (30, 32) mittels eines Formdornes (38) erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftulpung mittels einer ersten Reihe (44) Formdorne (38) und mindestens einer zweiten Reihe (46) von Formdornen (38) erfolgt mittels der die aufgetulpten Ecken (27) realisiert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reihe (44) und die zweite Reihe (46) der Formdorne (38) gleichzeitig in die Wellrippenkanäle (20) eingefahren werden.
Werkzeug (34) zur Herstellung eines Wärmetauschers (10) nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 5, insbesondere zur Auftulpung von Wellrippenkanälen (20) aufweisend eine Stempelhalteplatte (36), in die Formdorne (38) einsetzbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Formdorne (36) derart angeordnet sind, dass beim Verwenden des Werkzeuges (34) zum Tulpen mit den Formdornen (38) eine Auftulpung an den Ecken (30, 32) der jeweiligen Wellrippenkanäle (20) realisierbar ist.
Werkzeug (34) zur Herstellung eines Wärmetauschers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Formdorn (38) einen konischen Abschnitt (42) aufweist.
Werkzeug (34) zur Herstellung eines Wärmetauschers (10) nach Anspruch 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Reihen (44, 46) von Formdornen (38) vorgesehen sind.
Wärmetauscher (10) mit einem Rippenrohrblock (12) mit Rohren (14) und Wellrippen (16) sowie mindestens einem Rohrboden (18), wobei die Ecken (30, 32) aufgetulpte Ecken (27) sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) ein Ladelufttkühler ist.