DE102014011638A1

DE102014011638A1 - Gelöteter Gaskühler

Info

Publication number: DE102014011638A1
Application number: DE102014011638.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Borst; Frank Lippke
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gelöteten Gaskühler, dessen Komponenten aus einer geeigneten Aluminiumlegierung bestehen, mit einem in einem Lötofen gelöteten Block aus Flachrohren (1) und Wellrippen (2) und mit je einem Sammelrohr (3), angeordnet an den gegenüberliegenden Enden der Flachrohre (2), wobei die Sammelrohre (3) aus einem einteiligen, in Rohrform gebrachten, Aluminiumblech hergestellt sind, dessen Längsränder eine Stumpfnaht (4) bilden und wobei die Sammelrohre (3) wenigstens eine Reihe von mit Abständen (5) angeordneten Schlitzen (6) besitzen, zur Aufnahme von Flachrohrenden, die in den Schlitzen (6) eingelötet sind. Ein verbesserter Gaskühler wird erfindungsgemäß dadurch bereitgestellt, dass die Stumpfnaht (4) eine HF-Schweißnaht (7) ist, wobei die Aluminiumlegierung der Sammelrohre (3) eine Streckgrenze von mindestens 55 MPa nach dem Löten und eine Zugfestigkeit von mindestens 150 MPa nach dem Löten aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen gelöteten Gaskühler, mit einem Block aus Flachrohren und Wellrippen und mit je einem Sammelrohr, angeordnet an den gegenüberliegenden Enden der Flachrohre, wobei die Sammelrohre aus einem einteiligen, in Rohrform gebrachten Aluminiumblech hergestellt sind, dessen Längsränder eine I-Stoß-förmige Verbindungsnaht (Stumpfnaht) bilden, wobei die Sammelrohre wenigstens eine Reihe von mit Abstand angeordneten Schlitzen zur Aufnahme der Flachrohrenden besitzen.
Der beschriebene Gaskühler ist aus JP 2001-106 60 89 A bekannt.
Bei dem bekannten Gaskühler wird der I-Stoß bzw. die I-förmige Verbindungsnaht – oft auch als Stumpfnaht bezeichnet – im Sammelrohr durch Hartlöten hergestellt. Diese Maßnahme ist an sich vernünftig, weil der gesamte Gaskühler ohnehin in einem Lötofen gelötet wird, weshalb das Löten des Sammelrohrs keinen zusätzlichen Lötvorgang verlangt. Da in solchen Gaskühlern, durch die ein überkritisches Kältemittel, wie z. B. CO2, hindurchströmt, bekanntlich sehr hohe Drücke herrschen, wird bei dem bekannten gelöteten Gaskühler ein Verstärkungsblech und auch zusätzlicher Lotwerkstoff außen an dem Sammelrohr angeordnet, welches sich entlang der Stumpfnaht über die gesamte Rohrlänge erstreckt und mitgelötet wird.
Die Schlitze im Sammelrohr werden in der Regel von außen mittels einer Reihe von Werkzeugen durch die Rohrwand gestochen, wie es z. B. in der DE 10 2012 014 096 B3 oder im EP 2 560 772 B1 gezeigt wird. Bekanntlich können Rohre anstelle der gelöteten Verbindungsnaht auch mit einer geschweißten Verbindungsnaht hergestellt werden, was in diesen Schriften erwähnt wird.
In vielen anderen bekannten Fällen werden Sammelrohe für Gaskühler aus zwei oder mehreren verformten und zusammengesetzten Blechen gebildet oder auch aus stranggepressten Rohren hergestellt. Solche Sammelrohre werden mit dieser Patentanmeldung nicht angesprochen, wie der oben aufgeführte Oberbegriff des Patentanspruchs 1 deutlich machen soll.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Gaskühler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, dass er denselben hohen Drücken mit einem geringeren Aufwand widerstehen kann.
Diese Aufgabe wird mit einem gelöteten Gaskühler gelöst, der die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
Die Aluminiumlegierung der Sammelrohre soll erfindungsgemäß eine Streckgrenze von mindestens 55 MPa nach dem Löten und eine Zugfestigkeit von mindestens 150 MPa nach dem Löten aufweisen. Die Stumpfnaht in der Wand der Sammelrohre ist als HF-Schweißnaht ausgeführt. Diese Merkmale und Eigenschaften der Sammelrohre erfüllen die an den Gaskühler zu stellenden Anforderungen und sind geeignet, die Aufgabenstellung zu lösen.
Der Werkstoff der Sammelrohre soll gemäß der Erfindung eine modifizierte Aluminiumlegierung AA 3003, Long-Life, sein. Die Aluminiumlegierung mit der Herstellerbezeichnung AMAG-LL 93003 oder alternativ SAPA-FA 7911 ist besonders geeignet. Sie ist mittels entsprechender Anteile von Legierungsbestandteilen wie Ti, Mn, Mg, Cu u. a., sowie mittels bekannter metallurgischer Maßnahmen mit den oben bezeichneten Eigenschaften versehen worden. (AMAG – Austria Metall AG, SAPA – Sapa Heat Transfer AB)
Long-Life-Aluminiumlegierungen sind Legierungsmodifikationen/Weiterentwicklungen, vorzugsweise aus der Klasse AA 3003, bei denen sich aus einem definierten Materialzustand vor dem Löten im Zuge des Lötens durch Silicium-Diffusion eine Oberflächenschicht ausbildet, die aus dicht verteilten Ausscheidungen besteht und die Oberflächenschicht unedler gegenüber einer nicht von Si-Diffusion betroffenen Kernschicht macht, sich deshalb opfert und damit die Kernschicht besser vor Korrosion schützt.
Obwohl die Sammelrohre des erfindungsgemäßen Gaskühlers Wanddicken, möglicherweise in einem ähnlichen Bereich, etwa 2–3 mm, aufweisen wie im angeführten Stand der Technik, hat es sich gezeigt, dass dieser Gaskühler den üblichen hohen Drücken widerstehen kann, ohne die im Stand der Technik notwendigen Verstärkungsbleche einsetzen zu müssen.
Bei dieser Wanddicke, bevorzugt etwa 2,3 mm, ist die als HF-Schweißnaht (HF-Hochfrequenzschweißung) ausgebildete Stumpfnaht als V-Naht, jedoch mit sehr kleinem Öffnungswinkel, ausgeführt.
Vermutlich führt auch der Umstand, dass sich, gemäß einer sehr bevorzugten Ausführung der Erfindung, die HF-Schweißnaht durch die Reihe von Schlitzen erstreckt, zu der verbesserten Druckstabilität. Genau genommen befindet sich die HF-Schweißnaht natürlich nicht in den Schlitzen, sondern in den schmalen Stegen zwischen den einzelnen Schlitzen, die die Abstände zwischen den Schlitzen darstellen, bzw. die nach der Herstellung der Schlitze übrigbleiben.
Es ist möglicherweise so, dass die Lötverbindungen der recht dünnwandigen Flachrohrenden in den Schlitzen zu einer festigkeitssteigernden Wirkung führen, was so nicht zu erwarten war.
Das mag daran liegen, dass die Flachrohre innere Wände besitzen, die diese Wirkung unterstützen. Die gelötete Stumpfnaht aus der JP-Schrift befindet sich jedenfalls im der Reihe von Schlitzen gegenüberliegenden Wandabschnitt des Sammelrohrs.
Die verstärkende Wirkung der Schlitze, die sich quer durch die HF-Schweißnaht erstrecken, konnte – jedenfalls bei Schlitzabständen von etwa 5–9 mm – in durchgeführten Druckschwellversuchen nachgewiesen werden.
Die HF-geschweißten Aluminiumrohre werden von einem Rohrhersteller mit den erwähnten Festigkeitseigenschaften ausgebildet und als Endlosware dem Hersteller der Gaskühler angeliefert. Eine AlSi-Lotbeschichtung befindet sich auf der Außenseite der geschweißten Rohre. Vorzugsweise der Gaskühler-Hersteller selbst versieht die Rohre mit wenigstens der einen Reihe von länglichen Schlitzen, die dem Querschnitt der Flachrohrenden entsprechen müssen, damit dieselben (später) darin aufgenommen werden können. Die Schlitzherstellung kann beispielsweise so erfolgen, wie es in dem einleitend angeführten Stand der Technik gezeigt und beschrieben wird. Dabei ist lediglich wichtig oder bevorzugt, dass sich jeder längliche Schlitz der Reihe von Schlitzen quer durch die HF-Schweißnaht erstreckt, sodass die HF-Schweißnaht in den erwähnten Stegen zwischen den Schlitzen erhalten bleibt bzw. dort angeordnet ist. Ganz besonders bevorzugt soll die HF-Schweißnaht etwa auf der Mitte der länglichen Schlitze liegen.
Das Vorsehen der Schlitze quer über die Schweißnaht hat ferner fertigungstechnische bzw. prozesstechnische Vorteile, weil eventuell auftretende Schweißfehlerstellen mit den Schlitzstellen übereinstimmen und somit durch das nachträgliche Schlitzen entfernt werden können. Jedenfalls sollte der Anteil fehlerhafter Sammelrohre gesenkt werden können.
Als weiterer Vorteil wurde festgestellt, dass das Abhobeln bzw. das Entfernen der sich im Rohrinneren ausbildenden Schweißnahtwurzel entfallen kann, wodurch ein niedrigerer Preis für die Rohre erzielt werden kann. Das Abhobeln der Schweißnahtwurzel, enthaltend wohl Anteile von Schweißschlacken, bestimmt wesentlich die Geschwindigkeit der Schweißnahtausbildung und damit jedenfalls die Geschwindigkeit der Rohrherstellung.
Bei einer zu schweißenden Rohrwanddicke von 2–3 mm stellt sich eine Nahtwurzelhöhe von durchschnittlich 1–2 mm ein, die in das Rohrinnere ragt. Es ist leicht einzusehen, dass das Entfernen der Wurzel mit kleiner werdendem Rohrdurchmesser schwieriger und deshalb teurer wird. Ein bevorzugter Rohraußendurchmesser liegt bei etwa 17,5 mm.
Schließlich werden die einleitend erwähnten Komponenten zum Gaskühler vormontiert. Die Gaskühler werden in einem Lötofen gelötet.
Die Erfindung wird in zwei Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
FIGURENKURZBESCHREIBUNG
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Gaskühlers;
2, 3 und 5 zeigen Ansichten eines Sammelrohrs aus 1;
4, 6 und 7 zeigen Ansichten eines anderen bevorzugten Sammelrohrs;
Der in 1 lediglich teilweise gezeigte Gaskühler besitzt einen in einem (nicht gezeigten) Lötofen noch zu lötenden Block aus Flachrohren 1 und Wellrippen 2 und mit einem Sammelrohr 3. Ein weiteres solches Sammelrohr 3 befindet sich am nicht gezeigten anderen Ende der Flachrohre 1 – also unten im Bild, 1.
Wie man sehen kann oder wie es sich aus den Darstellungen – zumindest für den Fachmann – erschließt, sind die Sammelrohre 3 aus einem einteiligen in eine Rohrform gebrachtem Blech hergestellt worden. Es handelt sich um ein Blech aus einer Aluminiumlegierung. Die Längsränder des Blechs liegen stumpf aneinander an. Demnach stellen sie eine Stumpfnaht 4 dar. Die Stumpfnaht 4 kann einen geringen V-artigen, nach außen gerichteten, Öffnungswinkel aufweisen (nicht gezeigt).
Die Sammelrohre 3 weisen wenigstens eine Reihe von mit Abständen 5 angeordneten Schlitzen 6 auf. Die Schlitze 6 dienen zur Aufnahme von Flachrohrenden, die in den Schlitzen 6 eingelötet sind. Die erwähnte Stumpfnaht 4 ist eine HF-Schweißnaht 7.
Es hat sich als besonderer Vorteil erwiesen, dass die Aluminiumlegierung der Sammelrohre 3 eine Streckgrenze von mindestens 55 MPa nach dem Löten und eine Zugfestigkeit von mindestens 150 MPa nach dem Löten aufweist. Diese Eigenschaften gewährleisten, dass ein stumpfnahtgeschweißtes Aluminiumrohr den Anforderungen in einem Gaskühler gewachsen ist.
Gemäß den 4 und 6 erstreckt sich die HF-Schweißnaht 7 durch die Abstände 5 zwischen den Schlitzen 6. In den gezeigten Fällen befindet sich die Schweißnaht 7 auf der Mitte der Reihe von Schlitzen 6.
Im Zuge der Rohrherstellung wird eine nach innen gerichtete Schweißnahtwurzel 8 erzeugt. Gemäß den erwähnten 4 und 6 kann diese Wurzel 8 in den Stegen (Abstände 5) zwischen den Schlitzen 6 erhalten bleiben, d. h., sie muss nicht entfernt werden, weshalb ein Rohrhersteller weniger Aufwand hat.
Die Sammelrohre 3 weisen an ihrer gesamten Außenseite eine Lotbeschichtung 9 auf. Diese wurde in den 3 und 4 lediglich mittels eines oben angeordneten, gestrichelten Rings angedeutet. Die Lotbeschichtung 9 stellt die notwendige Lotmenge zum Einlöten der Flachrohrenden bereit. Die Flachrohre 1 selbst können in solchen Fällen ohne Lotbeschichtung bleiben.
Die Aluminiumlegierung der Sammelrohre 3 mit den erwähnten Eigenschaften ist vorzugsweise modifizierte AA 3003, Long-Life. Die Herstellerbezeichnung ist AMAG LL 93003. Alternativ ist auch SAPA-FA 7911 geeignet.
Alle Darstellungen zeigen, dass die Sammelrohre 3 ganz besonders bevorzugt einen runden Querschnitt aufweisen. Ein Verhältnis eines Außendurchmessers der runden Sammelrohre 3 zu einer Wanddicke der Sammelrohre soll etwa zwischen 7,5 und 8 liegen.
Eine bevorzugte Wanddicke der Sammelrohre 3 liegt etwa bei 2,3 mm. Die sich ausbildende Schweißnahtwurzelhöhe ist bei dieser Wanddicke etwa 1,0–2,0 mm.
Ein Rohraußendurchmesser soll etwa 17,5 mm betragen, der sich auf eine Schlitzlänge von ca. 12 mm bezieht. Eine bevorzugte Schlitzlänge sollte etwa 10–14 mm betragen. Ein Verhältnis des Rohraußendurchmessers zur Schlitzlänge liegt etwa bei 1,43–1,48.
Ein bevorzugter Abstand 5 der Schlitze 6 voneinander beträgt etwa 5–9 mm. Die dazugehörige Schlitzbreite sollte etwa 1,0–2,0 mm sein.
Die Schlitze 6 sind mit einem nach innen gerichteten Kragen 10 ausgebildet. Eine aus den Darstellungen nicht ersichtliche Kragenhöhe beträgt etwa 1,0–2,0 mm. Die Kragenhöhe ist in einem mittleren Schlitzbereich höher als in den zwei Schmalseiten der Schlitze 6.
Die als Stumpfnaht ausgebildete HF-Schweißnaht 7 kann auch gegenüber der Reihe von Schlitzen 6 in der Rohrwand angeordnet sein. Das zeigen die 1, 2, 3 und 5. Bei dieser Ausführung hat es sich erwiesen, dass die Schweißnahtwurzel 8 entfernt werden muss, da sie als störend empfunden wird.
Die Darstellung gemäß 1 zeigt noch eines von zwei Seitenteilen 11, die den erwähnten Block an beiden Seiten abschließen. Die Seitenteile 11 sind an ihren Enden in entsprechende Ausnehmungen 51 in den Enden der Sammelrohre 3 eingesetzt worden. Ferner befindet sich ein weiterer etwas größerer Schlitz 60 in dem abgebildeten und auch in dem nicht abgebildeten anderen Ende des Sammelrohres 3. In diese Schlitze 60 wird eine nicht gezeigte Trennwand bzw. Verschlusswand eingesetzt und später eingelötet.
Die 7 zeigt schließlich den erwähnten größeren Schlitz 60 zum Befestigen der Verschlusswand, angelehnt an die bevorzugte Ausführung gemäß den 4 und 6. Die HF-Schweißnaht 7 erstreckt sich demnach quer durch einen Steg 5, der sich an einen letzten Schlitz 6 in der Reihe anschließt. Die HF-Schweißnacht 7 durchquert nach dem größeren Schlitz 60 schließlich einen letzten Steg 50. Im letzten Steg 50 befindet sich auch die erwähnte Ausnehmung 51 zur Befestigung des Seitenteils 11. Die Schweißnahtwurzel 8 muss bei dieser Ausführung nicht entfernt werden. Die mit dieser Ausführung einhergehenden Vorteile entsprechen denen, die im Zusammenhang mit den 4 und 6 oben bereits beschrieben wurden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001-1066089 A [0002]
DE 102012014096 B3 [0004]
EP 2560772 B1 [0004]

Claims

Gelöteter Gaskühler, dessen Komponenten aus einer geeigneten Aluminiumlegierung bestehen, mit einem in einem Lötofen gelöteten Block aus Flachrohren (1) und Wellrippen (2) und mit je einem Sammelrohr (3), angeordnet an den gegenüberliegenden Enden der Flachrohre (2), wobei die Sammelrohre (3) aus einem einteiligen, in Rohrform gebrachten, Aluminiumblech hergestellt sind, dessen Längsränder eine Stumpfnaht (4) bilden und wobei die Sammelrohre (3) wenigstens eine Reihe von mit Abständen (5) angeordneten Schlitzen (6) besitzen, zur Aufnahme von Flachrohrenden, die in den Schlitzen (6) eingelötet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stumpfnaht (4) eine HF-Schweißnaht (7) ist, wobei die Aluminiumlegierung der Sammelrohre (3) eine Streckgrenze von mindestens 55 MPa nach dem Löten und eine Zugfestigkeit von mindestens 150 MPa nach dem Löten aufweist.
Gelöteter Gaskühler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die HF-Schweißnaht (7) durch die Abstände (5) zwischen den Schlitzen (6) erstreckt, vorzugsweise etwa in der Mitte der Reihe von Schlitzen (6) angeordnet ist.
Gaskühler gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Schweißnaht (7) durch einen letzten Steg (50) hindurchgeht und dass vor dem letzten Steg (50) ein größerer Schlitz (60) angeordnet ist, in dem eine Verschluss- oder Trennwand eingelötet ist.
Gaskühler gemäß den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Rohrinneren ausgebildete Schweißnahtwurzel (8) in den Abständen (5) zwischen den Schlitzen (6) angeordnet ist.
Gaskühler gemäß den Ansprüchen 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelrohre (3) an ihrer Außenseite eine Lotbeschichtung (9) aufweisen, zur Bereitstellung der notwendigen Lotmenge zum Einlöten der Flachrohrenden, die vorzugsweise ohne Lotbeschichtung ausgebildet sind.
Gaskühler gemäß den Ansprüchen 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung der Sammelrohre (3) vorzugsweise modifizierte AA 3003, Long-Life, ist; Herstellerbezeichnung AMAG LL 93003, alternativ SAPA-FA 7911.
Gaskühler gemäß den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelrohre (3) ganz besonders bevorzugt einen runden Querschnitt aufweisen.
Gaskühler gemäß den Ansprüchen 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis eines Außendurchmessers der runden Sammelrohre (3) zu einer Wanddicke der Sammelrohre etwa zwischen 7,5 und 8 beträgt.
Gaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine bevorzugte Wanddicke der Sammelrohre (3) etwa bei 2,3 mm liegt, wobei die Schweißnahtwurzelhöhe etwa 1,0–2,0 mm beträgt.
Gaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände (5) der Schlitze (6) voneinander etwa 5–9 mm beträgt.
Gaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlitzlänge etwa 10–14 mm beträgt, wobei ein Verhältnis des Außendurchmessers zur Schlitzlänge im Beriech von etwa 1,43–1,48 liegt.
Gaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzbreite etwa 1,0–2,0 mm beträgt.
Gaskühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (6) mit einem nach innen gerichteten Kragen (10) ausgebildet sind.
Gaskühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kragenhöhe etwa 1,0–2,0 mm beträgt.
Gaskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Stumpfnaht (V-Naht) in der Rohrwand ausgebildete HF-Schweißnaht (7) gegenüber der Reihe von Schlitzen (6) angeordnet ist.
Gaskühler nach den Ansprüchen 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine in das Rohrinnere ragende Schweißnahtwurzel (8) im Zuge der Rohrherstellung zu entfernen ist.