DE102016111201B4 - Process for manufacturing a heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der einen einen Einlass (22) und/oder einen Auslass sowie einen Rohrboden (10) ausbildenden Wärmetauscherkasten (14) und eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren (12), deren Enden in jeweils eine Aufnahmeöffnung des Rohrbodens (10) gesteckt und darin abgedichtet fixiert sind, umfasst, wobei die Wärmetauscherrohre (12) so weit in die Aufnahmeöffnungen gesteckt werden, dass deren Enden einen Überstand zu dem Rohrboden (10) ausbilden, und anschließend der Rohrboden (10) auf der den überstehenden Enden der Wärmetauscherrohre (12) zugewandten Seite mit einem Vergussmaterial (16) beschichtet wird,dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Vergussmaterial (16) ausgebildete freie Oberfläche und/oder die Enden der Wärmetauscherrohre (12) nachbearbeitet wird/werden, um einen Überstand der Wärmetauscherrohre (12) bezüglich des Vergussmaterials (16) zu verringern oder zu entfernen und/oder um von dem Vergussmaterial (16) zuvor bedeckte Rohröffnungen (18) der Wärmetauscherrohre (12) freizulegen.Method for producing a heat exchanger, which has a heat exchanger box (14) forming an inlet (22) and/or an outlet as well as a tube plate (10) and a plurality of heat exchanger tubes (12), the ends of which are each inserted into a receiving opening of the tube plate (10). and fixed therein in a sealed manner, wherein the heat exchanger tubes (12) are pushed into the receiving openings to such an extent that their ends form a protrusion from the tube sheet (10), and then the tube sheet (10) rests on the protruding ends of the heat exchanger tubes ( 12) the side facing is coated with a casting material (16), characterized in that the free surface formed by the casting material (16) and/or the ends of the heat exchanger tubes (12) is/are post-processed in order to prevent the heat exchanger tubes (12) from protruding to reduce or remove the casting material (16) and/or to pipe openings (18) previously covered by the casting material (16) to expose the heat exchanger tubes (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher, der einen einen Einlass und/oder einen Auslass sowie einen Rohrboden ausbildenden Wärmetauscherkasten und eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren, deren Enden in jeweils eine Aufnahmeöffnung des Rohrbodens gesteckt und darin abgedichtet fixiert sind, umfasst. Der Wärmetauscher ist insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise als sogenannter Hauptkühler, vorgesehen, wobei jedoch auch alle weiteren Gas-Flüssigkeits- oder Gas-GasKühler entsprechend ausgebildet sein können.The invention relates to a method for producing a heat exchanger which comprises a heat exchanger box forming an inlet and/or an outlet as well as a tube plate and a plurality of heat exchanger tubes, the ends of which are each inserted into a receiving opening of the tube plate and fixed therein in a sealed manner. The heat exchanger is intended in particular for use in a motor vehicle, for example as a so-called main cooler, although all other gas-liquid or gas-gas coolers can also be designed accordingly.
In einem Hauptkühler eines Kraftfahrzeugs wird Abwärme, die von einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs erzeugt wird, an diesen durch- und umströmende Umgebungsluft übertragen.In a main radiator of a motor vehicle, waste heat generated by a drive system of the motor vehicle is transferred to ambient air flowing through and around it.
Wärmetauscher, die als Hauptkühler eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sind, sind in der Regel als Rohrkühler und insbesondere als Flachrohrkühler ausgebildet. Bei einem solchen (Flach-)Rohrkühler sind zumeist zwei längliche Wärmetauscherkästen vorgesehen, die in Richtung ihrer Längserstreckungen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei sich eine Mehrzahl von (ggf. als Flachrohre ausgebildete) Wärmetauscherrohre zwischen den Wärmetauscherkästen erstrecken und mit ihren offenen Enden in die Wärmetauscherkästen münden, wodurch eine Kühlflüssigkeit, die über einen in einen der Wärmetauscherkästen integrierten Einlass dem Wärmetauscher zugeführt wurde und die über einen in einen der Wärmetauscherkästen integrierten Auslass wieder abgeführt werden soll, die Wärmetauscherrohre durchströmen kann, um durch einen Wärmeübergang auf die Wärmetauscherrohre umströmende Umgebungsluft gekühlt zu werden. Um diesen Wärmeübergang von der Kühlflüssigkeit auf die Kühlluft zu verbessern ist in der Regel weiterhin vorgesehen, die Wärmetauscherrohre mit sogenannten Lamellen zu versehen, bei denen es sich um flächige Elemente aus einem gut Wärme leitenden Werkstoff, insbesondere Aluminium, handelt, deren Funktion ein Abführen von Wärmeenergie von den Wärmetauscherrohre und ein verbessertes Übertragen der Wärmeenergie an die Umgebungsluft infolge einer Vergrößerung der Wärme übertragenden Fläche des Wärmetauschers ist. Die Lamellen können beispielsweise in Form von Wellblechen ausgebildet sein, die jeweils zwischen zwei benachbarten Wärmetauscherrohren angeordnet sind und diese miteinander verbinden, wodurch zusätzlich die strukturelle Stabilität des Wärmetauschers erhöht wird.Heat exchangers, which are provided as the main cooler of a motor vehicle, are generally designed as tube coolers and in particular as flat tube coolers. In such a (flat) tube cooler, two elongated heat exchanger boxes are usually provided, which are aligned parallel to one another in the direction of their longitudinal extensions, with a plurality of heat exchanger tubes (possibly designed as flat tubes) extending between the heat exchanger boxes and with their open ends in the heat exchanger boxes open out, whereby a cooling liquid, which was fed to the heat exchanger via an inlet integrated into one of the heat exchanger boxes and which is to be discharged again via an outlet integrated into one of the heat exchanger boxes, can flow through the heat exchanger tubes in order to cool the ambient air flowing around the heat exchanger tubes by heat transfer will. In order to improve this heat transfer from the cooling liquid to the cooling air, it is generally also provided to provide the heat exchanger tubes with so-called fins, which are flat elements made of a material that conducts heat well, in particular aluminum, whose function is to dissipate Heat energy from the heat exchanger tubes and an improved transfer of the heat energy to the ambient air as a result of an increase in the heat transfer area of the heat exchanger. The fins can be designed, for example, in the form of corrugated metal sheets, which are each arranged between two adjacent heat exchanger tubes and connect them to one another, as a result of which the structural stability of the heat exchanger is additionally increased.
Derartige Wärmetauscher sind auch infolge der relativ geringen Anzahl (beispielsweise kleiner zwanzig) an Wärmetauscherrohren relativ einfach herstellbar dementsprechend kostengünstig. Insbesondere kann für die Herstellung eines solchen Wärmetauschers vorgesehen sein, sämtliche Komponenten mittels eines Gestells in der vorgesehenen Endposition zueinander zu positionieren, wobei in den vorgesehenen Verbindungsstellen zwischen den Komponenten bereits ein Lot vorhanden ist, und die zueinander positionierten Komponenten in einen Lötofen zu überführen, um das Lot temporär aufzuschmelzen, wodurch Lötverbindungen ausgebildet werden. Problematisch bei einem derart hergestellten Wärmetauscher kann jedoch das Erreichen einer ausreichenden Haltbarkeit der teilweise auch abdichtenden Lötverbindungen hinsichtlich einer Thermowechselbeanspruchung, der ein solcher Wärmetauscher im Betrieb ausgesetzt ist, sein.Such heat exchangers are also relatively easy to manufacture due to the relatively small number (less than twenty, for example) of heat exchanger tubes and are correspondingly inexpensive. In particular, for the production of such a heat exchanger it can be provided that all components are positioned relative to one another by means of a frame in the intended end position, with solder already being present in the intended connection points between the components, and the components positioned relative to one another are transferred to a soldering furnace in order to temporarily reflow the solder, thereby forming solder joints. A problem with a heat exchanger produced in this way, however, can be the attainment of sufficient durability of the partially also sealing soldered connections with regard to alternating thermal stress to which such a heat exchanger is exposed during operation.
Aus der
Die
Wärmetauscher in der beschriebenen (Flach-)Rohrbauweise sind zwar vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar, weisen jedoch im Hinblick auf die erforderliche Baugröße und/oder im Hinblick auf den Strömungswiderstand für insbesondere die diese durchströmende Umgebungsluft eine relativ schlechte spezifische Kühlleistung auf. Eine diesbezüglich bessere spezifische Kühlleistung haben dagegen sogenannte Mikrokanalwärmetauscher, bei denen die Wärmetauscherrohre vergleichsweise kleine Querschnittsabmessungen von beispielsweise weniger als zwei Millimeter im Außendurchmesser aufweisen und in einer großen Anzahl von beispielsweise mehr als 10.000 (bei einer Verwendung als Hauptkühler eines Kraftfahrzeugs) vorgesehen sind. Es ist offensichtlich, dass die Herstellung eines solchen Mikrokanalwärmetauschers aufgrund der großen Anzahl an Wärmetauscherrohren aufwändig und folglich teuer ist. Problematisch ist dabei häufig insbesondere die Abdichtung der einzelnen Wärmetauscherrohre in den von den Rohrböden der Wärmetauscherkästen ausgebildeten Aufnahmeöffnungen.Heat exchangers in the described (flat) tubular design are comparative can be produced easily and inexpensively, but have a relatively poor specific cooling capacity with regard to the required structural size and/or with regard to the flow resistance for, in particular, the ambient air flowing through them. On the other hand, so-called micro-channel heat exchangers have a better specific cooling capacity in this respect, in which the heat exchanger tubes have comparatively small cross-sectional dimensions of, for example, less than two millimeters in outside diameter and are provided in a large number of, for example, more than 10,000 (when used as the main cooler of a motor vehicle). It is obvious that the production of such a microchannel heat exchanger is complex and consequently expensive due to the large number of heat exchanger tubes. The sealing of the individual heat exchanger tubes in the receiving openings formed by the tube sheets of the heat exchanger boxes is often particularly problematic.
Ein Mikrokanalwärmetauscher ist beispielsweise aus der
Bei dem Mikrokanalwärmetauscher gemäß der
Die
Die
Die
Die
Die
Schließlich ist aus der
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur kostengünstigen Herstellung eines insbesondere als Mikrokanalwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauschers anzugeben, wobei sich der Wärmetauscher zudem durch einen relativ geringen Strömungswiderstand für ein Überströmen eines Wärmetauschfluids zwischen dem oder den Wärmetauscherkästen und den Wärmetauscherrohren auszeichnen soll.The invention was based on the object of specifying a possibility for the cost-effective production of a heat exchanger designed in particular as a microchannel heat exchanger, the heat exchanger also being characterized by a relatively low flow resistance for an overflow of a heat exchange fluid between the heat exchanger box or boxes and the heat exchanger tubes.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.This object is achieved by means of a method according to patent claim 1. Advantageous embodiments of the method according to the invention are the subject matter of the further patent claims and result from the following description of the invention.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher, der mindestens einen einen Einlass und/oder einen Auslass sowie einen Rohrboden aufweisenden Wärmetauscherkasten (vorzugsweise zwei Wärmetauscherkästen) und eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren, deren Enden in jeweils eine Aufnahmeöffnung des Rohrbodens des oder der Wärmetauscherkästen gesteckt und darin abgedichtet fixiert sind, umfasst, sieht vor, dass die Wärmetauscherrohre so weit in die Aufnahmeöffnungen gesteckt werden, dass deren Enden einen Überstand zu dem (jeweiligen) Rohrboden ausbilden, und anschließend der Rohrboden auf der den überstehenden Enden der Wärmetauscherrohre zugewandten Seite mit einem Vergussmaterial beschichtet wird. In einem anschließenden Verfahrensschritt kann ein Aushärten des Vergussmaterials vorgesehen sein, um eine abdichtende Verbindung zwischen dem Rohrboden und den Wärmetauscherrohren auszubilden. Ein solches gattungsgemäßes Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Vergussmaterial ausgebildete freie (beziehungsweise von der beschichteten Seite des Rohrbodens abgewandte) Oberfläche und/oder die Enden der Wärmetauscherrohre nachbearbeitet wird/werden, um einen Überstand der Wärmetauscherrohre bezüglich des Vergussmaterials zu verringern oder zu entfernen und/oder um von dem Vergussmaterial bedeckte Rohröffnungen der Wärmetauscherrohre freizulegen.A generic method for producing a heat exchanger, which has at least one heat exchanger box (preferably two heat exchanger boxes) having an inlet and/or an outlet and a tube sheet a plurality of heat exchanger tubes, the ends of which are each inserted into a receiving opening in the tube sheet of the heat exchanger box or boxes and fixed therein in a sealed manner, provides that the heat exchanger tubes are inserted into the receiving openings to such an extent that their ends protrude from the (respective) Train tube sheet, and then the tube sheet is coated on the protruding ends of the heat exchanger tubes facing side with a potting material. In a subsequent method step, the potting material can be cured in order to form a sealed connection between the tube sheet and the heat exchanger tubes. According to the invention, such a generic method is characterized in that the free surface formed by the casting material (or the surface facing away from the coated side of the tube sheet) and/or the ends of the heat exchanger tubes is/are reworked in order to reduce or reduce the overhang of the heat exchanger tubes with respect to the casting material to remove and / or to expose covered by the potting pipe openings of the heat exchanger tubes.
Mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Wärmetauscher hergestellt werden, bei dem die Wärmetauscherrohre in vorteilhafter Weise mittels einer Vergussmasse abdichtend mit dem Rohrboden des oder jedes Wärmetauscherkastens verbunden werden, was schnell und einfach durchführbar ist. Vereinfacht wird dieses Vorgehen noch dadurch, dass das Vergussmaterial auf diejenige Seite des Rohrbodens aufgebracht wird, die in dem abschließend hergestellten Wärmetauscher den Innenraum des entsprechenden Wärmetauscherkastens begrenzt. Diese Seite des Rohrbodens kann gut zugänglich sein, wodurch beispielsweise auch das Aufbringen des Vergussmaterials vereinfacht wird. Durch die Nachbearbeitung der von dem Vergussmaterial ausgebildeten Oberfläche und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre wird ein Überstand der Enden der Wärmetauscherrohre bezüglich des Vergussmaterials vermieden oder zumindest verringert, wodurch sich ein relativ geringer Strömungswiderstand für ein Überströmen eines Wärmetauschfluids, insbesondere einer Wärmetauschflüssigkeit, zwischen dem (jeweiligen) Wärmetauscherkasten und den Wärmetauscherrohren ergibt.A method according to the invention can be used to produce a heat exchanger in which the heat exchanger tubes are advantageously connected to the tube sheet of the or each heat exchanger box in a sealing manner by means of a casting compound, which can be carried out quickly and easily. This procedure is further simplified by the fact that the casting material is applied to that side of the tube sheet which delimits the interior space of the corresponding heat exchanger box in the finally manufactured heat exchanger. This side of the tube sheet can be easily accessible, which also simplifies the application of the potting material, for example. Post-processing of the surface formed by the casting material and/or the ends of the heat exchanger tubes means that the ends of the heat exchanger tubes do not protrude from the casting material, or at least it is reduced, resulting in a relatively low flow resistance for a heat exchange fluid, in particular a heat exchange liquid, to flow over between the ( respective) heat exchanger box and the heat exchanger tubes.
Ein besonders vorteilhaftes Überströmen zwischen dem oder den Wärmetauscherkästen und den Wärmetauscherrohren kann erreicht werden, wenn die Stirnseiten (der entsprechenden Enden) der Wärmetauscherrohre mit der Oberfläche des Vergussmaterials bündig abschließen, so dass in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein entsprechendes Nachbearbeiten vorgesehen ist.A particularly advantageous overflow between the heat exchanger box or boxes and the heat exchanger tubes can be achieved if the end faces (of the corresponding ends) of the heat exchanger tubes are flush with the surface of the casting material, so that in a preferred embodiment of the method according to the invention a corresponding post-processing is provided.
Als „Vergussmaterial“ wird erfindungsgemäß ein Material verstanden, durch das eine lückenlose Schicht erzeugt werden kann, in die die Endabschnitte der Wärmetauscherrohre, die den Überstand bezüglich des Rohrbodens darstellen, lückenlos eingebettet werden können. Ein solches Vergussmaterial kann in zumindest einem Bearbeitungszustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere flüssig oder pastös sein, um durch ein entsprechendes Fließverhalten, vorzugsweise ausschließlich schwerkraftbedingt, gegebenenfalls jedoch auch unter der Ausübung eines Drucks auf das Vergussmaterial und/oder durch die Erzeugung von Schwingungen, die angestrebte Lückenlosigkeit (d.h. keine eine Undichtheit bewirkende Zwischenräume ausbildend) der aus dem Vergussmaterial ausgebildeten Schicht zu erreichen. Dabei ist nicht erforderlich, dass das Vergussmaterial bereits beim Aufbringen auf den Rohrboden einen flüssigen oder pastösen Zustand aufweist. Vielmehr kann beispielsweise auch vorgesehen sein, das Vergussmaterial in Form von Feststoffpartikeln aufzubringen und beispielsweise durch eine Temperaturbeeinflussung temporär in den flüssigen oder pastösen Zustand zu überführen.According to the invention, “potting material” is a material that can be used to produce a gapless layer in which the end sections of the heat exchanger tubes, which represent the overhang relative to the tube sheet, can be embedded without gaps. Such a casting material can in particular be liquid or pasty in at least one processing state during the implementation of the method according to the invention in order to, through a corresponding flow behavior, preferably exclusively due to the force of gravity, but possibly also under the exertion of pressure on the casting material and/or through the generation of vibrations, to achieve the desired gaplessness (i.e. not forming gaps causing leakage) of the layer formed from the potting material. It is not necessary for the potting material to be in a liquid or pasty state when it is applied to the tube sheet. Rather, provision can also be made, for example, for the casting material to be applied in the form of solid particles and for example to be temporarily converted into the liquid or pasty state by influencing the temperature.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Vergussmaterial lediglich in einer Schichtstärke auf die entsprechende Seite des Rohrbodens des oder der Wärmetauscherkästen aufgebracht wird, die geringer als der Überstand zumindest einiger, gegebenenfalls sämtlicher der Wärmetauscherrohre bezüglich des Rohrbodens ist, so dass das Nachbearbeiten primär dazu dienen kann, einen Überstand dieser Wärmetauscherrohre bezüglich des Vergussmaterials zu verringern oder zu entfernen. Gegebenenfalls kann dabei zusätzlich vorgesehen sein, die von dem Vergussmaterial ausgebildete Oberfläche zu glätten, was sich ebenfalls vorteilhaft auf eine Strömung eines Wärmetauschfluids innerhalb des entsprechenden Wärmetauscherkastens auswirken kann.As part of the method according to the invention, it can be provided that the casting material is applied to the corresponding side of the tube sheet of the heat exchanger box or boxes in a layer thickness that is less than the overhang of at least some, possibly all of the heat exchanger tubes with respect to the tube sheet, so that the post-processing can primarily be used to reduce or remove a projection of these heat exchanger tubes with respect to the casting material. If necessary, provision can also be made to smooth the surface formed by the casting material, which can also have an advantageous effect on the flow of a heat exchange fluid within the corresponding heat exchanger box.
Ebenfalls besteht die Möglichkeit, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das Vergussmaterial in einer Schichtstärke auf die entsprechende Seite des Rohrbodens des oder der Wärmetauscherkästen aufzubringen, die größer als der Überstand zumindest einiger, gegebenenfalls sämtlicher der Wärmetauscherrohre ist, so dass das Nachbearbeiten ausschließlich oder primär dazu dienen kann, von dem Vergussmaterial bedeckte Rohröffnungen der Wärmetauscherrohre freizulegen.It is also possible, within the scope of the method according to the invention, to apply the casting material to the corresponding side of the tube sheet of the heat exchanger box or boxes in a layer thickness that is greater than the overhang of at least some, possibly all of the heat exchanger tubes, so that the post-processing serves exclusively or primarily for this purpose can, covered by the casting material tube openings of the heat exchanger tubes to expose.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauscherrohre mit einem im Wesentlichen gleichen Überstand in die Aufnahmeöffnungen des Rohrbodens eingesteckt werden und das Vergussmaterial in einer Schichtdicke aufgebracht wird, die annähernd diesem Überstand entspricht, wodurch der Aufwand für das Nachbearbeiten der Schicht aus dem Vergussmaterial und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre auf ein geringes Maß reduziert werden kann.Provision can preferably be made for the heat exchanger tubes to be inserted into the receiving openings of the tube sheet with a substantially equal overhang and for the potting material to be applied in a layer thickness which approximately corresponds to this overhang the effort for the post-processing of the layer of the casting material and/or the ends of the heat exchanger tubes can be reduced to a small extent.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Nachbearbeiten der von dem Vergussmaterial ausgebildeten Oberfläche und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre derart erfolgten, dass die gesamte Oberfläche des Vergussmaterials in einer (vorzugsweise nicht-gekrümmten) Ebene liegt, wobei insbesondere auch die Stirnseiten der entsprechenden Enden der Wärmetauscherrohre in dieser Ebene angeordnet sein können (d.h. es wird ein bündiger Übergang zwischen der freien Oberfläche der von dem Vergussmaterial ausgebildeten Schicht und den Stirnseiten der Wärmetauscherrohre erzielt). Ein derartiger Wärmetauscher kann sich nicht nur durch ein besonders vorteilhaftes Strömungsverhalten für ein Wärmetauschfluid innerhalb des oder der Wärmetauscherkästen und beim Überströmen in die oder aus den Wärmetauscherrohren auszeichnen, sondern insbesondere auch durch eine einfache Nachbearbeitung.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, it can be provided that the surface formed by the casting material and/or the ends of the heat exchanger tubes are reworked in such a way that the entire surface of the casting material lies in one (preferably non-curved) plane, with in particular the end faces of the corresponding ends of the heat exchanger tubes can also be arranged in this plane (i.e. a flush transition is achieved between the free surface of the layer formed by the potting material and the end faces of the heat exchanger tubes). Such a heat exchanger can be distinguished not only by a particularly advantageous flow behavior for a heat exchange fluid within the heat exchanger box(es) and when flowing into or out of the heat exchanger tubes, but in particular also by simple post-processing.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Vergussmaterial vor dem Nachbearbeiten ausgehärtet wird. Dadurch kann sich das Nachbearbeiten vereinfachen und insbesondere auch vorgesehen sein, dass dieses materialabtragend, beispielsweise durch Schleifen und/oder Fräsen, erfolgt. Ein Nachbearbeiten kann jedoch auch vor einem Aushärten des Vergussmaterials erfolgen, beispielsweise durch ein Verstreichen des Vergussmaterials in einem fließfähigen Zustand, insbesondere mit dem Ziel des Freilegens von zuvor durch das Vergussmaterial bedeckten Rohröffnungen der Wärmetauscherrohre und/oder einem Glätten der von dem Vergussmaterial ausgebildeten freien Oberfläche. Weiterhin ist ein Nachbearbeiten des Vergussmaterials auch mittels spanloser Verfahren, beispielsweise mittels Wasser-Strahlschneiden, möglich.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, it can be provided that the casting material is cured before the post-processing. This can simplify the post-processing and, in particular, it can also be provided that this takes place by removing material, for example by grinding and/or milling. However, post-processing can also be carried out before the encapsulation material hardens, for example by spreading the encapsulation material in a flowable state, in particular with the aim of exposing pipe openings in the heat exchanger pipes previously covered by the encapsulation material and/or smoothing the free surface formed by the encapsulation material . Furthermore, post-processing of the potting material is also possible by means of non-cutting methods, for example by means of water jet cutting.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass ein Vergussmaterial genutzt wird, das nach dem Aushärten einen im Wesentlichen steifen beziehungsweise nicht-elastischen Zustand aufweist. Hierfür eignet sich beispielsweise duroplastische Kunststoffe (z.B. „K-Epoxidharz). Eine Verbindung zwischen dem oder den Rohrböden und den Wärmetauscherrohren mittels eines solchen Vergussmaterials kann sich insbesondere auf die strukturelle Festigkeit des Wärmetauschers positiv auswirken und/oder eine Nachbearbeitung, insbesondere eine materialabtragende Nachbearbeitung, vereinfachen. Alternativ kann aber auch eine Verwendung eines Vergussmaterials vorgesehen sein, das nach dem Aushärten einen definierten elastischen Zustand aufweist, so dass dieses in definierter Weise eine insbesondere thermisch bedingte Relativbeweglichkeit zwischen dem oder den Rohrböden und den Wärmetauscherkästen bei gleichzeitig weiterhin gewährleisteter abdichtender Verbindung ermöglicht. Hierfür kann beispielsweise eine Verwendung von thermoplastischen Kunststoffen als Vergussmaterial vorgesehen sein.It can preferably be provided that a casting material is used which, after curing, has an essentially rigid or non-elastic state. Thermosetting plastics (e.g. “K-epoxy resin”) are suitable for this. A connection between the tube sheet(s) and the heat exchanger tubes using such a casting material can have a positive effect in particular on the structural strength of the heat exchanger and/or simplify post-processing, in particular post-processing that removes material. Alternatively, a potting material can also be used that has a defined elastic state after curing, so that it enables a thermally induced relative mobility between the tube plate(s) and the heat exchanger boxes in a defined manner while at the same time ensuring a sealed connection. For this purpose, for example, the use of thermoplastics can be provided as the casting material.
Eine Herstellung eines Wärmetauschers gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren kann besonders einfach und somit kostengünstig erfolgen, wenn, wie vorzugsweise vorgesehen ist, die Wärmetauscherrohre ausschließlich mittels des Vergussmaterials und vorzugsweise ausschließlich mittels einer einzigen Schicht des auf die entsprechende Seite des Rohrbodens aufgebrachten Vergussmaterials mit dem Rohrboden des oder der Wärmetauscherkästen verbunden werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Wärmetauscherrohre ergänzend durch andere Maßnahmen, beispielsweise durch ein Verschweißen, Verlöten oder Verkleben, an dem Rohrboden zu fixieren. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, um eine korrekte Positionierung der Wärmetauscherrohre bezüglich des Rohrbodens während des Aufbringens des Vergussmaterials sicherzustellen. Da ein Abdichten der Wärmetauscherrohre in den Aufnahmeöffnungen des Rohrbodens ausschließlich oder zumindest primär mittels des Vergussmaterials erfolgen soll, können diese alternativen Verbindungsmaßnahmen derart in vereinfachter Form vorgesehen werden, dass mittels diesen keine ausreichende Dichtwirkung sichergestellt werden kann. Dadurch kann sich der Zusatzaufwand für die ergänzenden Verbindungsmaßnahmen und folglich der Herstellungsaufwand im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens insgesamt in akzeptablen Grenzen halten.A heat exchanger can be manufactured according to a method according to the invention in a particularly simple and therefore cost-effective manner if, as is preferably provided, the heat exchanger tubes are connected to the tube plate of the or of the heat exchanger boxes are connected. However, there is also the possibility of additionally fixing the heat exchanger tubes to the tube sheet by other measures, for example by welding, soldering or gluing. This can be useful, for example, to ensure correct positioning of the heat exchanger tubes with respect to the tube sheet during the application of the potting material. Since the heat exchanger tubes in the receiving openings of the tube sheet are to be sealed exclusively or at least primarily by means of the potting material, these alternative connection measures can be provided in a simplified form in such a way that they cannot ensure an adequate sealing effect. As a result, the additional effort for the supplementary connection measures and consequently the production effort within the scope of a method according to the invention can be kept within acceptable limits overall.
Ein wesentlicher Vorteil des Aufbringens des Vergussmaterials auf der den überstehenden Enden der Wärmetauscherrohre zugewandten Seite des Rohrbodens besteht in der guten Zugänglichkeit, weil eine solche nicht durch die Wärmetauscherrohre selbst behindert wird. Besonders vorteilhaft kann eine solche Zugänglichkeit sein, wenn der oder die Wärmetauscherkästen zumindest zweiteilig ausgebildet sind und neben einem Rohrboden zumindest noch ein Gehäuse aufweisen, die im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens erst nach dem Nachbearbeiten der freien Oberfläche der von dem Vergussmaterial ausgebildeten Schicht und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre miteinander verbunden werden. Ein solches Verbinden des Rohrbodens mit dem Gehäuse des (jeweiligen) Wärmetauscherkastens kann beispielsweise unter Verwendung von mechanischen Verbindungsmitteln, beispielsweise Rastverbindungen oder durch Umformen auszubildende, formschlüssig wirkende Verbindungselemente, insbesondere jeweils unter Verwendung eines zwischen dem Rohrboden und dem Gehäuse angeordneten Dichtelements, erfolgen. Ebenso vorteilhaft kann ein Verbinden des Rohrbodens mit dem Gehäuse stoffschlüssig durch insbesondere ein Verkleben, Verschweißen oder Verlöten erfolgen.An essential advantage of applying the casting material on the side of the tube sheet facing the protruding ends of the heat exchanger tubes is the good accessibility, because this is not impeded by the heat exchanger tubes themselves. Such accessibility can be particularly advantageous if the heat exchanger box or boxes are designed at least in two parts and, in addition to a tube plate, also have at least one housing which, within the scope of a method according to the invention, can only be accessed after the free surface of the layer formed by the casting material and/or the Ends of the heat exchanger tubes are connected to each other. Such a connection of the tube sheet to the housing of the (respective) heat exchanger box can be achieved, for example, using mechanical connecting means, for example snap-in connections or positively acting connections to be formed by reshaping tion elements, in particular using a sealing element arranged between the tube sheet and the housing. Equally advantageously, the tube sheet can be connected to the housing in a cohesive manner, in particular by gluing, welding or soldering.
Die gute Zugänglichkeit derjenigen Seite des Rohrbodens, auf die das Vergussmaterial aufgebracht wird, und damit auch der aus dem Vergussmaterial ausgebildeten Schicht mit den darin eingebetteten Enden der Wärmetauscherrohre kann zudem in vorteilhafter Weise ermöglichen, diese Einbettung der Wärmetauscherrohre und auch die Schicht des Vergussmaterials selbst auf mögliche Lücken und damit potentielle Undichtigkeiten im Betrieb des Wärmetauschers zu überprüfen und, sofern solche Lücken gefunden werden, diese durch eine weitere Nachbearbeitung zu verschließen. Demgemäß kann in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass zumindest die Verbindung des Vergussmaterials mit den Wärmetauscherrohren und/oder dem Rohrboden auf Dichtigkeit geprüft und undichte Stellen nachträglich abgedichtet werden.The good accessibility of that side of the tube sheet to which the casting material is applied, and thus also of the layer formed from the casting material with the ends of the heat exchanger tubes embedded therein, can also advantageously make it possible to embed the heat exchanger tubes and also the layer of the casting material itself to check possible gaps and thus potential leaks in the operation of the heat exchanger and, if such gaps are found, to close them by further post-processing. Accordingly, in a preferred embodiment of the method according to the invention, it can be provided that at least the connection of the casting material to the heat exchanger tubes and/or the tube sheet is checked for leaks and leaky points are subsequently sealed.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in einer besonders vorteilhaften Weise auch eine relativ einfache und somit kostengünstige Herstellung eines Mikrokanalwärmetauschers, bei dem eine Vielzahl (beispielsweise mindestens 1000, gegebenenfalls auch mindestens 10.000) Wärmetauscherrohre in dazugehörige Aufnahmeöffnungen des Rohrbodens des (jedes) Wärmetauscherkastens eingesteckt und darin abgedichtet fixiert werden müssen, weil ein solches Abdichten und Fixieren durch das Aufbringen des Vergussmaterials kollektiv und nicht individuell für die einzelnen Wärmetauscherrohre erfolgen kann.In a particularly advantageous manner, the method according to the invention also enables a relatively simple and therefore inexpensive production of a microchannel heat exchanger, in which a large number (for example at least 1000, optionally also at least 10,000) heat exchanger tubes are inserted into associated receiving openings in the tube plate of the (each) heat exchanger box and fixed therein in a sealed manner must be, because such sealing and fixing by applying the casting material can be done collectively and not individually for the individual heat exchanger tubes.
Ein solcher Mikrokanalwärmetauscher kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die größte Querschnittsabmessung (bei einer vorzugsweise vorgesehenen kreisrunden Querschnittsform: der Durchmesser) der Aufnahmeöffnungen maximal 2 mm, vorzugsweise maximal 1 mm beträgt. Die größte äußere Querschnittsabmessung der Wärmetauscherrohre (zumindest in den für das Einstecken in die Aufnahmeöffnungen vorgesehenen Endabschnitten) sollte dabei vorzugsweise nur geringfügig kleiner als diejenige der Aufnahmeöffnungen sein, wobei zudem die Querschnittsformen der Aufnahmeöffnungen und der (Endabschnitte der) Wärmetauscherrohre vorzugsweise identisch sein sollten, um einerseits ein relativ problemloses Einstecken der Wärmetauscherrohre in die Aufnahmeöffnungen zu gewährleisten und andererseits die zwischen den Wärmetauscherrohren und den die Aufnahmeöffnungen begrenzenden Flächen des Rohrbodens ausgebildeten Spalte möglichst klein zu halten, was sich vorteilhaft auf die Abdichtung dieser Spalte auswirken kann. Ein Schritt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann demnach auch ein Einbringen entsprechend dimensionierter Aufnahmeöffnungen in den Rohrboden des (jedes) Wärmetauscherkastens und ein Bereitstellen entsprechend dimensionierter Wärmetauscherrohre sein.Such a microchannel heat exchanger can be characterized in that the largest cross-sectional dimension (in the case of a preferably provided circular cross-sectional shape: the diameter) of the receiving openings is a maximum of 2 mm, preferably a maximum of 1 mm. The largest external cross-sectional dimension of the heat exchanger tubes (at least in the end sections intended for insertion into the receiving openings) should preferably be only slightly smaller than that of the receiving openings, with the cross-sectional shapes of the receiving openings and the (end sections of) the heat exchanger tubes preferably being identical in order to on the one hand to ensure relatively easy insertion of the heat exchanger tubes into the receiving openings and on the other hand to keep the gaps formed between the heat exchanger tubes and the surfaces of the tube sheet delimiting the receiving openings as small as possible, which can have an advantageous effect on the sealing of these gaps. A step within the scope of the method according to the invention can therefore also be the introduction of appropriately dimensioned receiving openings in the tube sheet of the (each) heat exchanger box and the provision of appropriately dimensioned heat exchanger tubes.
Ein Mikrokanalwärmetauscher, wie er vorzugsweise im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird, kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass die Wärmetauscherrohre nicht durch sogenannte Lamellen miteinander verbunden sindA microchannel heat exchanger, as is preferably produced within the scope of a method according to the invention, can also be characterized in that the heat exchanger tubes are not connected to one another by so-called fins
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.The indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), particularly in the claims and in the description generally explaining the claims, are to be understood as such and not as numerals. Components specified accordingly are therefore to be understood in such a way that they are present at least once and can be present several times.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in schematischer Darstellung:
-
1 : Komponenten eines herzustellenden Wärmetauschers nach einem ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers; -
2a : die Komponenten des herzustellenden Wärmetauschers nach einem zweiten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers; -
2b : die Komponenten des herzustellenden Wärmetauschers nach einem zu dem Schritt gemäß der2a alternativen Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers; -
3 : die Komponenten des herzustellenden Wärmetauschers nach einem dritten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers; und -
4 : die Komponenten des Wärmetauschers nach einem vierten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers.
-
1 : Components of a heat exchanger to be produced according to a first step of a method according to the invention for producing the heat exchanger; -
2a : the components of the heat exchanger to be produced after a second step of a method according to the invention for producing the heat exchanger; -
2 B : The components of the heat exchanger to be produced according to a to the step according to2a alternative step of a method according to the invention for producing the heat exchanger; -
3 : the components of the heat exchanger to be produced after a third step of a method according to the invention for producing the heat exchanger; and -
4 : the components of the heat exchanger according to a fourth step of a method according to the invention for the production of the heat exchanger.
Die
In den Zeichnungen sind nur ein Rohrboden 10 oder Wärmetauscherkasten 14 sowie nur jeweils ein Abschnitt der Wärmetauscherrohre 12 dargestellt. Der Wärmetauscher soll jedoch zwei Wärmetauscherkästen 14 und folglich auch zwei Rohrböden 10 aufweisen, wobei die beiden Enden der Wärmetauscherrohre 12 jeweils in einen der Wärmetauscherkästen 14 münden und hierzu in Aufnahmeöffnungen der dazugehörigen Rohrböden 10 eingesteckt wurden. Die konstruktive Ausgestaltung des nicht dargestellten Wärmetauscherkastens und dessen Herstellung entspricht derjenigen des dargestellten Wärmetauscherkastens 14.In the drawings, only one
Nach dem Einstecken der Wärmetauscherrohre 12 in die Aufnahmeöffnungen der Rohrböden 10 wird diejenige Seiten der Rohrböden 10, die den überstehenden Enden der Wärmetauscherrohre 12 jeweils zugewandt ist, mit einem Vergussmaterial 16 beschichtet. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Vergussmaterial 16 in einer Schichtstärke auf die entsprechende Seite der Rohrböden 10 aufgebracht wird, die größer als der Überstand der Enden der Wärmetauscherrohre 12 bezüglich der Rohrböden 10 ist, wodurch sich zumindest teilweise ein Überdecken der von den Stirnseiten der Wärmetauscherrohre 12 begrenzten Rohröffnungen 18 ergibt, wie dies in der
Anschließend ist ein Aushärten des Vergussmaterials 16 vorgesehen, wodurch die Wärmetauscherrohre 12 abdichtend mit den Rohrböden 10 verbunden werden. Ein solches Aushärten kann beispielsweise mittels einer Temperaturbeeinflussung durch eine Zufuhr von Wärmeenergie beschleunigt werden.The casting
Danach erfolgt ein Nachbearbeiten der Enden der freien Oberflächen der von dem Vergussmaterial 16 ausgebildeten Schichten und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre 12. Dieses Nachbearbeiten erfolgt vorzugsweise materialabtragend, beispielsweise durch Schleifen oder Fräsen, und ist infolge der guten Zugänglichkeit der aus dem Vergussmaterial 16 ausgebildeten Schichten und den darin eingebetteten Enden der Wärmetauscherrohre 12 relativ einfach und folglich kostengünstig möglich. Ziel des Nachbearbeitens ist es, möglichst glatte und in jeweils einer Ebene liegende freie Oberflächen für die aus dem Vergussmaterial 16 ausgebildeten Schichten zu erreichen, wobei zudem die Stirnseiten der entsprechenden Enden der Wärmetauscherrohre 12 bündig mit den freien Oberflächen der dazugehörigen Schichten aus dem Vergussmaterial 16 angeordnet sein sollen (vgl.
An das Nachbearbeiten der Schichten aus dem Vergussmaterial 16 und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre 12 kann sich eine Dichtigkeitsprüfung anschließen, bei der geprüft wird, inwieweit es bei dem fertig gestellten Wärmetauscher zu einem Austritt von Wärmetauschfluid in die Umgebung über die Verbindungen zwischen den Rohrböden 10 und den Wärmetauscherrohren 12, die durch die Einbettung der Enden der Wärmetauscherrohre 12 in das Vergussmaterial 16 ausgebildet wurden, kommen würde. Werden dabei Stellen ermittelt, an denen solche Undichtigkeiten auftreten, können diese nachbearbeitet werden, beispielsweise in dem entsprechende Lücken mit dem gleichen Vergussmaterial 16, das auch für die Beschichtung der Rohrböden 10 genutzt wurde, oder mit einem anderen Füllmaterial gefüllt werden. Auch dieses Nachbearbeiten ist aufgrund der guten Zugänglichkeit der Schichten aus dem Vergussmaterial 16 und den darin eingebetteten Enden der Wärmetauscherrohre 12 relativ einfach möglich.The post-processing of the layers of the casting
Nachdem eine vollständige Dichtigkeit der Verbindungen zwischen den Rohrböden 10 und den Wärmetauscherrohren 12 festgestellt werden konnte, kann in einem abschließenden Verfahrensschritt jeweils ein Gehäuse 20 der Wärmetauscherkästen 14 mit dem dazugehörigen Rohrboden 10 verbunden werden, um die beiden Wärmetauscherkästen 14 zu komplettieren (vgl.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Rohrbodentube sheet
- 1212
- Wärmetauscherrohrheat exchanger tube
- 1414
- Wärmetauscherkastenheat exchanger box
- 1616
- Vergussmaterialpotting material
- 1818
- Rohröffnungpipe opening
- 2020
- GehäuseHousing
- 2222
- Einlassinlet
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