DE102014002407A1

DE102014002407A1 - Gelöteter Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102014002407A1
Application number: DE102014002407.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Kühbauch; Jürgen Zeitlinger
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: DE102014002407B4; BR102015003568A2; JP6475508B2; US10209014B2; CN104864636A; JP2015163835A; CN104864636B; US20150233653A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gelöteten Wärmetauscher, mit einem Block (1) aus Flachrohren (2) und Rippen (3), mit Sammelrohren (4), angeordnet an gegenüberliegenden Enden der Flachrohre (2) und mit einem Zusatzrohr (5), das mit einem der Sammelrohre (4) verbunden ist. Um Lötfehler zu reduzieren, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens ein wesentlicher Teil einer äußeren Oberfläche (50, 40) des Zusatzrohrs (5) und/oder der Sammelrohre (4) vergrößert ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen gelöteten Wärmetauscher, mit einem Block aus Flachrohren und Rippen, mit Sammelrohren, an gegenüberliegenden Enden der Flachrohre und mit einem Zusatzrohr, das mit einem der Sammelrohre verbunden ist.
Solch ein gelöteter Wärmetauscher, bei dem es sich um einen Kondensator handelt, der eine Komponente einer Klimaanlage darstellt und der ein zirkulierendes Kältemittel zyklisch, beispielsweise mittels eines Kühlluftstroms, kondensiert, ist aus dem EP 1 147 930 B1 und aus zahlreichen anderen Veröffentlichungen bekannt.
Das Löten wird gewöhnlich in einem Lötofen ausgeführt, in den der eingangs beschriebene Wärmetauscher, nach entsprechender Vormontage und Vorbehandlung, eingebracht und meistens in einem einzigen Lötvorgang hergestellt wird. Das heißt, sämtliche Verbindungen werden in dem einen Lötvorgang gelötet.
Es gibt des Öfteren löttechnische Probleme. Deren Ursachen sind vielfältig und oft schwer zu ermitteln. Sie lassen sich grob unterteilen in Ursachen verfahrensspezifischer Art und produktspezifischer Art und gegebenenfalls solche, die eine Mischung aus beiden Arten darstellen.
Mit Blick auf das eingangs beschriebene Produkt (Wärmetauscher) soll hier nur kurz auf Ursachen produktspezifischer Art eingegangen werden. Da gibt es werkstoffbedingte und konstruktionsbedingte Ursachen, beispielweise unzulässige Luftspalte oder dergleichen.
Eine spezielle Ursache produktspezifischer Art liegt manchmal darin, dass die oben bezeichneten Komponenten des gelöteten Wärmetauschers unterschiedliche Massen aufweisen, weshalb nicht alle Komponenten gleichzeitig auf Löttemperatur gebracht werden können. Beispielsweise erreichen die sehr dünnwandigen Flachrohre und Rippen die Löttemperatur schneller als die dickwandigeren Sammelrohre und das Zusatzrohr. Daraus können Lötfehler resultieren, die zu Leckagen am Wärmetauscher führen oder die zumindest Korrosionsangriffe beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Wärmetauschers erleichtern.
Im Stand der Technik hat man zur Lösung der Probleme Strömungslenker im Lötofen installiert, die heißes Gas auf die Komponenten mit größerer Masse leiten, um deren Erwärmung zu beschleunigen und somit alle Komponenten möglichst gleichzeitig auf Löttemperatur zu bringen ( US 2003/0 111 459 A , u. a.). Bezüglich solcher und ähnlicher Maßnahmen kann als Nachteil angeführt werden, dass man in dem Lötofen gerne unterschiedlich gestaltete Produkte löten möchte, die an die unterschiedlichen Produkte angepasste Strömungslenker erfordern, wodurch erheblicher Aufwand verursacht wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer Qualitätsverbesserung bzw. in einer Reduzierung von Lötfehlern.
Die erfindungsgemäße Lösung stellt sich bei dem gelöteten Wärmetauscher mit den eingangs bezeichneten Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 dadurch ein, dass wenigstens ein wesentlicher Teil einer äußeren Oberfläche des Zusatzrohres vergrößert, beispielsweise gerillt oder anderweitig profiliert, ausgebildet ist.
Die innere Oberfläche des Zusatzrohres bleibt vorzugweise glatt, also nicht gerillt oder profiliert, auch nicht wellrohrartig ausgebildet, da dieses hinsichtlich einer oft gewünschten wandseitigen Abdichtung im Zusatzrohr, hin zum Umfang eines Trocknerkorbes oder dergleichen etwas nachteiliger sein könnte.
Es kann zweckmäßig sein, auch die Sammelrohre mit einer vergrößerten äußeren Oberfläche auszubilden. Auch Fittings o. a. Funktionsteile des Wärmetauschers können mit einer vergrößerten, insbesondere äußeren Oberfläche versehen sein.
Es wurde in der Zwischenzeit durch Versuche bestätigt, dass die vergrößerte Oberfläche des Zusatzrohrs zu einem schnelleren Temperaturanstieg des Zusatzrohrs in einem Lötofen führt. Dieses allein mag nicht sehr überraschend sein. Überraschend ist jedoch die Schnelligkeit des Temperaturanstiegs, die nämlich so groß ist, dass Lötfehler am Wärmetaucher zumindest reduziert werden, wie die Versuche gezeigt haben.
Es wurde auch ein verbessertes Schrumpfverhalten, insbesondere des Zusatzrohres im Verbund mit einem Sammelrohr, im Zuge des nach dem Löten einsetzenden Abkühlvorgangs des Wärmetauschers festgestellt, das heißt, die Schrumpfmaße sind kleiner geworden. Auch hierdurch wird ein Beitrag zur Qualitätsverbesserung geleistet, weil engere Toleranzen eingehalten werden können. Das verbesserte Schrumpfverhalten wird darauf zurückgeführt, dass der erfindungsgemäße Wärmetauscher im relevanten Löttemperaturbereich (ca. 600°C) um etwa 2–3 K geringere Temperaturunterschiede zwischen seinen Bauteilen (Komponenten) aufweist als ein Wärmetauscher gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ferner ist es möglich geworden, das Gewicht des Zusatzrohrs zu reduzieren, ohne dessen Festigkeit übermäßig zu beeinträchtigen. Bei gleicher Wanddicke des Zusatzrohres wie ein Zusatzrohr aus dem Stand der Technik ergibt sich die Gewichtsreduktion beispielsweise durch eine Rillenausbildung an dessen äußerer Oberfläche.
Rohre für Wärmetauscher mit einer vergrößerten Oberfläche sind seit langem bekannt. Die vergrößerte Oberfläche ist meist die innere Oberfläche des Rohres (z. B. DE-OS-1 501 656 ). Solche Rohre dienen im Stand der Technik regelmäßig dazu, den Wärmetauschkoeffizienten anzuheben, also die Effizienz des Wärmetausches zu verbessern, indem Turbulenzen erzeugt bzw. laminare Wandströmungen unterdrückt werden.
Es hat für den sich mit Lötverfahren befassenden Fachmann nicht nahe gelegen, durch den Einsatz eines außen gerillten Zusatzrohres die Lötqualität von Wärmetauschern zu verbessern, weil der zur Zeit verfügbare Stand der Technik für das Naheliegen keine Hinweise enthält. Der für die Konstruktion von gelöteten Wärmetauschern zuständige Fachmann hatte keinen Anlass, einen durch das Vorsehen der vergrößerten Oberfläche aufwendigeren Wärmetauscher vorzuschlagen, weil er nicht erwarten konnte, dass dieser Mehraufwand Vorteile bringt, die denselben rechtfertigen.
Als positiven Nebeneffekt kann man der erfindungsgemäßen Lösung eine – wenn auch geringfügige – Verbesserung der Wärmetauscheffizienz des Wärmetauschers nachsagen, denn beispielsweise ein Kühlluftstrom, der durch die Rippen strömt, strömt oftmals auch am Zusatzrohr entlang und kann wegen dessen vergrößerter äußerer Oberfläche seine Kühlwirkung auf das darin befindliche z. B. Kältemittel besser entfalten. Mit anderen Worten kann man sagen, durch diesen Vorschlag ist zumindest bei manchen Anwendungen aus dem Zusatzrohr ein Rohr mit besseren Wärme tauschenden Eigenschaften gemacht worden.
Die abhängigen und weiterbildenden Merkmale der Patentansprüche 2 bis 10 sollen als an dieser Stelle einzeln aufgeführt angesehen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt einen gelöteten Wärmetauscher (Kondensator) in einer Frontansicht;
2 zeigt ein einzelnes Zusatzrohr, auch häufig als Sammlerrohr, Trocknerflasche, Trocknerrohr oder Trockner/Sammler bezeichnet;
3 und 4 zeigen Anschlusselemente, wie Fittings oder dergleichen, die am Kondensator angeordnet sind;
5 zeigt ein anderes Zusatzrohr;
6 bis 9 zeigen verschiedene vergrößerte äußere Oberflächen;
10 zeigt eine alternative Rohrherstellung;
Der gelötete Wärmetauscher, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um einen Kondensator handelt, besitzt gemäß 1 einen Block 1 aus Flachrohren 2 und nicht gezeichneten Rippen 3 zwischen den Flachrohren 2. An gegenüberliegenden Enden der Flachrohre 2 ist je ein Sammelrohr 4 befestigt. Das im Bild linke Sammelrohr 4 ist mit einem Zusatzrohr 5 verbunden, das mit einem geringen Abstand parallel dazu angeordnet ist. Da es sich, wie erwähnt, um einen Kondensator handelt, wird das Zusatzrohr 5 nachfolgendend stets als Trocknerflasche 5 bezeichnet.
Die Trocknerflasche 5 besitzt auf einer geraden Linie angeordnete, vorsprungartige Anschlüsse 51, um die angesprochene Verbindung zu realisieren. In den Anschlüssen 51 sind nicht sichtbare Öffnungen (57, 5) vorhanden, damit ein Kältemittel vom Sammelrohr 4 in die Trocknerflasche 5 eintreten und über einen anderen Anschluss 51 aus der Trocknerflasche 5 austreten kann.
Gemäß 1 ist die sichtbare äußere Oberfläche 50 der Trocknerflasche 5 vergrößert ausgebildet worden.
Dieser Wärmetauscher besitzt auch an einem der Sammelrohre 4 – in 1 nur am rechten Sammelrohr – angeordnete, ebenfalls angelötete, Fittings 6 oder dergleichen, für die Zu- und Ableitung des Kältemittels, deren äußere Oberfläche 60 vergrößert ausgebildet ist. Die 3 und 4 zeigen die fertig bearbeiteten Fittings 6 als Einzelteile. Die vorgesehene Oberflächenstruktur 60 ist deutlich sichtbar. Genau so oder so ähnlich ist in diesem Ausführungsbeispiel auch die Oberfläche 50 der Trocknerflasche 5 ausgebildet, was möglicherweise aus den 1 und 2 nicht deutlich zu erkennen ist.
Die Oberflächen 50, 60 weisen Längsrillen 49 auf, (7). Die Längsrillen 49 werden im Zuge eines Herstellungsprozesses der Trocknerflasche 5 und der Fittings 6 beispielsweise mittels Strangpressens ausgebildet, was an sich bekannt ist und deshalb nicht zeichnerisch dargestellt wird.
Am unteren Fitting 6, der auch in 3 abgebildet ist, ist ein größerer Querschnitt 61 erkennbar, sodass man sagen könnte, dort tritt gasförmiges Kältemittel in den Kondensator ein, welches dann stufenweise oder zick-zack-förmig, durch Gruppen von Flachrohren 2, nach oben strömt und dabei mittels Kühlluft kondensiert wird. Die Gruppen werden durch nicht sichtbare Trennplatten in den Sammelrohren 4 ausgebildet. Beispielsweise an dem unteren Anschluss 51 kann das Kältemittel in die Trocknerflasche 5 eintreten. An dem oberen Anschluss 51 tritt das Kältemittel in eine Unterkühlstrecke ein und verlässt als unterkühlte Flüssigkeit den Kondensator am oberen Fitting 6. Der mittlere Anschluss 51 (1) besitzt in diesem Ausführungsbeispiel keine Öffnung 57.
In der Trocknerflasche 5 befindet sich eine in den Zeichnungen nicht sichtbare Vorrichtung, ein Trocknerkorb oder dergleichen, mit einem Trocknermaterial für Kältemittel. Um das Trocknermaterial im Bedarfsfall leichter austauschen zu können, aber auch, um Bypässe an der inneren Oberfläche der Trocknerflasche 5 leichter unterdrücken zu können, ist es von Vorteil, wenn die innere Oberfläche 58 der Trocknerflasche glatt bleibt, also keine vergrößerte Oberfläche aufweist.
Die Trocknerflasche 5 ist an ihrem oberen Ende leicht aufgeweitet worden (2), um einen Verschlussstopfen dort einsetzen zu können, auf dem eine Abdeckplatte 53 aus Kunststoff liegt, um das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit zu verhindern (1). Am unteren Ende der Trocknerflasche 5 befindet sich ein eingelöteter Boden 52 (2).
Die 5 zeigt eine Trocknerflasche 5, die aus mehreren Teilen 54, 55, 56 zusammengefügt wird. Die unteren und oberen Teile 54, 56 können identisch oder ähnlich wie bei der Trocknerflasche 5 aus 2 ausgebildet und hergestellt sein. Da diese Teile relativ klein sind, könnten beide oder wenigstens eines davon auch glatt, also ohne vergrößerter Oberfläche ausgebildet sein. Das mittlere, längere Teil 55 kann an seiner Oberfläche wie ein Wellrohr ausgebildet sein, also die Rillen 49 in der Oberfläche können sich unterscheiden. Die Profilierung bzw. die Rillen 49 sind gemäß 5 im mittleren Teil 55 in Querrichtung des Rohres angeordnet. Die Enden der Teile werden gegebenenfalls bearbeitet, ineinander gesteckt und miteinander verlötet.
Anhand der 5 und 2 lässt sich auch eine vorteilhafte Art und Weise der Herstellung der Anschlüsse 51 erklären. Wie man in 5 sieht, ist ein gerader Streifen 58, auf dem sich die Anschlüsse 51 befinden, nicht mit einer vergrößerten Oberfläche, also beispielsweise gerillt, ausgebildet. Daraus kann man ferner erkennen, dass die Trocknerflasche 5 aus 2 und die Teile 54, 56 als ein Strangpressprofil, mit einem durchgehenden, dem Querschnitt der Anschlüsse 51 etwa entsprechenden Profilteil, hergestellt werden. Danach wird einiges an Profilteilmaterial abgetragen, um die aus den stehengebliebenen Resten des Profilteilmaterials gebildeten Anschlüsse 51 zu erhalten. Nach dem Abtragen bleibt der in 5 sichtbare Streifen 58 übrig. Die 5 zeigt auch die oben bereits angesprochenen Öffnungen 57 in den Anschlüssen 51.
Die 6 bis 9 zeigen vergrößerte (profilierte) äußere Oberflächen 50, 60 mit verschieden geformten Rillen 49, ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Durch Versuch oder Berechnung lassen sich möglicherweise andere oder noch wirksamere vergrößerte Oberflächenstrukturen 50,60 ermitteln.
In 10a wird rein schematisch dargestellt, dass die Trocknerflasche 5, als Alternative zum Strangpressen, auch aus einem Blechstreifen 70 hergestellt werden kann. Dessen Oberfläche 50 wird mittels eines Walzvorgangs 80 profiliert und dadurch vergrößert. Der Walzvorgang 80 wird in diesem Ausführungsbeispiel vor der Herstellung der Trocknerrohrform ausgeführt. Nach der Herstellung der Rohrform wird eine Rohrlängsnaht 71 geschweißt, was die 10b skizzenhaft zeigen soll.
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

EP 1147930 B1 [0002]
US 2003/0111459 A [0007]
DE 1501656 A [0015]

Claims

Gelöteter Wärmetauscher, mit einem Block (1) aus Flachrohren (2) und Rippen (3), mit Sammelrohren (4), angeordnet an gegenüberliegenden Enden der Flachrohre (2) und mit wenigstens einem Zusatzrohr (5), das mit einem der Sammelrohre (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein wesentlicher Teil einer äußeren Oberfläche (50, 40) des Zusatzrohrs (5) und/oder der Sammelrohre (4) profiliert bzw. vergrößert ausgebildet ist.
Gelöteter Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzrohr (5) und/oder die Sammelrohre eine gerillte äußere Oberfläche (40, 50) aufweisen.
Gelöteter Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (49) sich gerade in Längsrichtung oder in Längsrichtung gewunden oder quer zur Längsrichtung der Rohre erstrecken.
Gelöteter Wärmetauscher gemäß den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzrohr (5) mit der gerillten äußeren Oberfläche (50) ein stranggepresstes Rohr ist.
Gelöteter Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzrohr (5) aus einem Blech hergestellt ist, dessen Oberfläche (50) beispielsweise mittels eines Walzvorgangs (70) zumindest an einer Seite des Blechs vergrößert ist, wobei der beispielsweise Walzvorgang vorzugsweise vor der Herstellung der Zusatzrohrform ausgeführt wird.
Gelöteter Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Oberfläche (59) des Zusatzrohres (5) vorzugsweise glatt, also nicht vergrößert, ausgebildet ist.
Gelöteter Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzrohr (5) auf einem geraden Streifen (58) angeordnete, vorsprungartige Anschlüsse (51), zum löttechnischen Anschluss desselben an eines der Sammelrohre (4) aufweist, wobei auch die Anschlüsse (51) eine vergrößerte, insbesondere gerillte, Oberfläche besitzen.
Gelöteter Wärmetauscher gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher, beispielsweise an einem der Sammelrohre (4) angelötete Fittings (6) oder dergleichen, für die Zu- und Ableitung beispielsweise eines Kältemittels, aufweist, deren äußere Oberfläche (60) vergrößert ausgebildet ist.
Gelöteter Wärmetauscher gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher Haltelaschen oder dergleichen Befestigungselemente aufweist, deren Oberfläche vergrößert ausgebildet ist.
Gelöteter Wärmetauscher gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzrohr (5) aus mehreren zusammengefügten Teilen (54, 55, 56) besteht, wobei wenigstens ein Teil davon mit einer vergrößerten äußeren Oberfläche ausgebildet ist.
Gelöteter Wärmetauscher gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die vergrößerten äußeren Oberflächen der Teile (54, 55, 56) bezüglich der Art der Profilierung unterscheiden.