DE102017220390A1

DE102017220390A1 - Wärmeübertrager und zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102017220390A1
Application number: DE102017220390.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Felber; Jens Ruckwied; Daniel Stehlik; Cord Völker
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2019-05-16
Also published as: WO2019096740A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers (1),- wobei der Wärmeübertrager (1) ein Rohrnetz (2) mit mehreren Rohren (3) aus Metall aufweist, die nebeneinander angeordnet sind und an ihren Längsenden jeweils durch einen Boden (4) aus Metall durchgesteckt sind und in einen Kasten (5) aus Kunststoff münden,- bei dem der jeweilige Boden (4) mit Durchzügen (15) versehen wird,- bei dem die Rohre (3) in die Durchzüge (15) eingesteckt werden,- bei dem die Rohre (3) in den Durchzügen (15) mit dem Boden verbunden werden.Eine verbesserte Verbindung zwischen Boden (4) und Kasten (5) wird erreicht,- wenn am jeweiligen Boden (4) in einer geschlossen umlaufenden Verbindungszone (16) die Oberfläche des Bodens (4) aufgeraut wird, und- wenn der Kasten (5) an einem geschlossen umlaufenden Kastenfuß (17) in der Verbindungszone (16) am Boden (4) mittels einer Schmelzverbindung (18) befestigt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach diesem Verfahren hergestellten Wärmeübertrager.
Ein Wärmeübertrager, der vorzugsweise bei Fahrzeuganwendungen zum Einsatz kommt, beispielsweise als Kühler zum Kühlen von Ladeluft oder zum Kühlen von rückgeführtem Abgas, oder als Verdampfer oder als Kondensator, umfasst üblicherweise ein Rohrnetz mit mehreren Rohren aus Metall zum Führen eines Wärmeübertragungsmittels. Im Rohrnetz sind die metallischen Rohre nebeneinander angeordnet, derart, dass zwischen benachbarten Rohren Lücken entstehen, so dass die Rohre vom jeweils zu temperierenden Medium umströmbar sind. In diesen Lücken können üblicherweise Rippen oder Lamellen zur verbesserten Wärmeübertragung angeordnet sein. Die Rohre sind an ihren Längsenden jeweils durch einen Boden aus Metall durchgesteckt und münden in einen Kasten. Die Rohre sind direkt oder indirekt am Boden befestigt. Je nach Bauart des Wärmeübertragers kann es sich beim Kasten um einen Verteilerkasten oder um einen Sammelkasten oder um einen Umlenkkasten handeln. Zur Verbindung der Rohre mit dem Boden kann der jeweilige Boden mit Durchzügen versehen sein, in welche die Rohre eingesteckt sind. Die Durchzüge stellen einen umlaufenden Kragen bereit, mit dem die Rohre verlötet werden können, um die Rohre gegenüber dem Boden dicht und fest anzuordnen. Alternativ können die Rohre mit den Durchzügen mechanisch gefügt, z.B. verpresst sein. Hierbei ist insbesondere denkbar, dass zwischen den Durchzügen und den Rohren jeweils eine Dichtung oder ein Dichtungskragen einer am Boden anliegenden, mehreren Rohren zugeordneten, gemeinsamen Dichtung angeordnet ist.
Zur Reduzierung der Herstellungskosten eines derartigen Wärmeübertragers ist es grundsätzlich möglich, den jeweiligen Kasten aus Kunststoff herzustellen. Um nun diesen Kasten dauerhaft dicht und mit ausreichend Festigkeit mit dem jeweiligen Boden verbinden zu können, ist ein vergleichsweise hoher Aufwand erforderlich. Beispielsweise kann der Boden mit dem Kasten vercrimpt werden. Ebenso ist eine Bördelverbindung denkbar. Zur Realisierung der Abdichtung ist es grundsätzlich möglich, in die Verbindung zwischen Boden und Kasten eine Dichtung einzusetzen. Vergleichsweise große Temperaturbereiche, die während des Betriebs eines derartigen Wärmeübertragers auftreten können, erfordern eine hohe Genauigkeit während der Fertigung, um die jeweilige Dichtung mit relativ geringen Toleranzen bei möglichst gleichförmiger Flächenpressung anordnen zu können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Wärmeübertragers bzw. für einen derartigen Wärmeübertrager eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch vergleichsweise geringe Herstellungskosten auszeichnet. Ferner sind eine ausreichende Dichtigkeit und Dauerfestigkeit angestrebt.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Wärmeübertrager einen Boden aus Metall mit einem Kasten aus Kunststoff dadurch zu verbinden, dass der jeweilige Boden in einer geschlossen umlaufenden Verbindungszone mit einer aufgerauten Oberfläche versehen wird und dass der Kasten an einem geschlossen umlaufenden Kastenfuß in dieser Verbindungszone am Boden mittels einer Schmelzverbindung befestigt wird. Es hat sich gezeigt, dass sich mit Hilfe einer Schmelzverbindung zwischen dem Kasten aus Kunststoff und dem Boden aus Metall eine ausreichende Dichtigkeit sowie eine ausreichende Dauerfestigkeit erzielen lassen, wenn die mit der Schmelzverbindung zusammenwirkende Oberfläche der Verbindungszone des Bodens zuvor mit einer entsprechenden Rauhigkeit versehen worden ist. Durch die Rauhigkeit wird die mit dem Kunststoff in der Schmelzzone zusammenwirkende Oberfläche des Bodens signifikant vergrößert, was die Haftung verbessert. Ferner erzeugt die Rauhigkeit eine dreidimensionale Struktur an der Oberfläche, die innerhalb der Schmelzverbindung vom Kunststoff umschlossen ist und dadurch einen gewissen Formschluss zwischen dem Boden und dem Kasten erzeugt.
Die feste Verbindung zwischen den Rohren und dem Boden erfolgt vorzugsweise in den Durchzügen und wird bevorzugt durch eine Lötverbindung gebildet. Grundsätzlich ist jedoch auch eine andere Verbindungstechnik realisierbar, z.B. ein mechanisches Fügen.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Aufrauen der Oberfläche des Bodens in der Verbindungszone und/oder das Herstellen der Schmelzverbindung zwischen Kastenfuß und Boden erst nach dem Befestigen der Rohre mit dem jeweiligen Boden durchgeführt wird/werden. Hierdurch ist es besonders einfach möglich, die Befestigung der Rohre am Boden in den Durchzügen durch Verlöten zu realisieren, was die Herstellungskosten reduziert. Zum einen könnte der Lötvorgang eine zuvor erzeugte Rauigkeit verunreinigen. Zum anderen würde ein Verlöten, das sich an die Herstellung der Schmelzverbindung anschließt, die Schmelzverbindung und/oder den Kasten beschädigen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Aufrauen der Oberfläche des Bodens in der Verbindungszone mittels eines gepulsten Lasers durchgeführt.
Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe eines gepulsten Lasers eine effektive Aufrauung an der metallischen Oberfläche des Bodens realisierbar ist. Gleichzeitig kann durch diese Laserbearbeitung die Oberfläche von störenden Verunreinigungen gereinigt werden. Beispielsweise können Fettrückstände oder dergleichen durch die Laserbehandlung verdampft werden.
Beispielsweise kann das Aufrauen mittels des gepulsten Lasers gemäß dem aus der DE 10 2007 023 418 A1 beschriebenen Verfahren durchgeführt werden, deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wird. Beim bekannten Verfahren wird die Aufrauung mittels gepulstem Laser an einer metallischen Oberfläche durchgeführt, um anschließend die Anhaftung einer metallischen Beschichtung zu verbessern. In der vorliegenden Erfindung wird dieses Verfahren nun dazu genutzt, die Anhaftung eines Kunststoffbauteils an einem Metallbauteil zu verbessern.
Zweckmäßig kann das Aufrauen so durchgeführt werden, dass die aufgeraute Oberfläche Hinterschnittkonturen aufweist. Mittels derartiger Hinterschnittkonturen lässt sich der Formschluss zwischen Kunststoff und Metall verbessern, was die Dauerfestigkeit erhöht.
Das Aufrauen zum Erzeugen von Hinterschnittkonturen kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der gepulste Laser unter einem Neigungswinkel gegenüber der Oberfläche angestellt wird, wobei dieser Neigungswinkel gegenüber einer Senkrechten zu einer Zonenebene gemessen wird, in der die Verbindungszone liegt.
Vorzugsweise wird die Schmelzverbindung zwischen Kastenfuß und Boden ohne Zusatzstoff hergestellt, nämlich derart, dass der Kunststoff des Kastens am Kastenfuß zumindest oberflächlich aufgeschmolzen wird, um die Schmelze für die Schmelzverbindung zu erzeugen. Durch den Verzicht auf einen Zusatzstoff vereinfacht sich das Herstellungsverfahren.
Zweckmäßig kann die Schmelzverbindung zwischen Kastenfuß und Boden in der Verbindungszone dadurch hergestellt werden, dass der Kastenfuß und die Verbindungszone gegeneinander gepresst werden und dass durch Erhitzen des Bodens der angepresste Kastenfuß in der Verbindungszone aufgeschmolzen wird. Grundsätzlich können die Schritte Anpressen und Erhitzen nacheinander erfolgen. Zur Beschleunigung des Verfahrens können das Anpressen und das Erhitzen quasi gleichzeitig durchgeführt werden.
Für die Erhitzung des Bodens sind unterschiedliche Maßnahmen denkbar. Beispielsweise lässt sich der Boden ebenfalls mittels eines Lasers erhitzen. Ebenso ist denkbar, den Boden mittels eines Infrarotstrahlers aufzuwärmen. Ferner lässt sich der Boden vor dem Anpressen auch mittels Heißgas entsprechend erwärmen. Insbesondere lässt sich diese Erhitzung bereits vor dem Kontakt zum Anpressen an den Kastenfuß durchführen.
Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausführungsform, bei welcher der Boden mittels Induktion erhitzt wird. Dies kann insbesondere während der Anpressung zwischen Boden und Kastenfuß erfolgen.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird nicht der Schmelzboden erwärmt, sondern der Kastenfuß. Die Erwärmung des Kastenfußes erfolgt bis zum Aufschmelzen oder Anschmelzen des Kastenfußes. Zweckmäßig erfolgt dies dann jedoch vor dem Anpressen des Kastenfußes an den Boden.
Ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager umfasst ein Rohrnetz, das mehrere Rohre aus Metall aufweist, die nebeneinander angeordnet sind und an ihren Längsenden jeweils durch einen Boden aus Metall durchgesteckt sind und in einem Kasten aus Kunststoff münden. Ferner weist der jeweilige Boden Durchzüge auf, in welche die Rohre eingesteckt sind und in denen die Rohre mit dem Boden fest verbunden, vorzugsweise verlötet, sind. Erfindungsgemäß weist der jeweilige Boden eine geschlossen umlaufende Verbindungszone auf, in der die Rauhigkeit der Oberfläche des Bodens erhöht ist. Ferner ist der Kasten erfindungsgemäß an einem geschlossen umlaufenden Kastenfuß in der Verbindungszone mittels einer Schmelzverbindung am Boden befestigt. Die Rauhigkeit der Oberfläche und die Schmelzverbindung lassen sich am Wärmeübertrager beispielsweise durch einen Schnitt in der Verbindungszone nachweisen.
Geeignete Rauhigkeiten weisen eine Rautiefe im Bereich von 1 bis 500 µm auf. Bevorzugt ist eine Rautiefe von 50 bis 200 µm. Hierdurch entstehen Hinterschnittkonturen mit einer Strukturlänge oder eine Strukturtiefe im Bereich von 10 bis 500 µm, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 200 µm.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die aufgeraute Oberfläche des Bodens in der Verbindungszone Hinterschnittkonturen aufweisen, die in der Schmelzverbindung einen Formschluss zwischen dem Metall des Bodens und dem Kunststoff des Kastens bilden. Hierdurch ergibt sich eine effiziente Fixierung des Kastens am Boden.
Zweckmäßig kann die Verbindungszone in einer Zonenebene liegen, die senkrecht zu den Längsrichtungen der Rohre verläuft. Die Durchzüge können jeweils eine Rohröffnung einfassen, zum Beispiel in Form eines Kragens. Die Rohröffnungen können ferner in der Zonenebene liegen und von der Verbindungszone eingefasst sein. Für den Boden ergibt sich dadurch eine extrem einfache Geometrie, die sich preiswert herstellen lässt. Insbesondere kann der Kastenfuß stirnseitig an die Verbindungszone angeschlossen sein, die nach Art eines umlaufenden Flansches ausgestaltet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die Durchzüge vom Rohrnetz weggerichtet in Richtung Kasten vom Boden abstehen. Die Verbindungszone lässt sich vergleichsweise dicht an den Durchzügen positionieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Positionierung der Verbindungszone derart, dass die Durchzüge radial innen an den Rohren und radial außen am Kastenfuß anliegen.
Die relativen Angaben „innen“ und „außen“ beziehen sich im vorliegenden Zusammenhang auf die Rohre bzw. deren Längsmittelachse und sind diesbezüglich radial zu verstehen. Das heißt, dass „innen“ den Rohren zugewandt ist, während „außen“ von den Rohren abgewandt ist. Ebenfalls beziehen sich somit die Begriffe „axial“ und „radial“ auf die Längsmittelachsen bzw. Längsrichtungen der Rohre. Axial verläuft parallel zur Längsrichtung der Rohre, während radial quer zu diesen Längsrichtungen verläuft.
Eine alternative Weiterbildung schlägt vor, dass die Durchzüge vom Kasten weg gerichtet in Richtung Rohrnetz vom Boden abstehen, wobei auch hier die Positionierung der Verbindungszone zweckmäßig so erfolgt, dass die Rohre radial außen am Kastenfuß anliegen.
Ferner kann bei einer besonders einfachen Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Kastenfuß axial stirnseitig mit der Verbindungszone verbunden ist. Insbesondere lässt sich der Kasten dadurch besonders kompakt realisieren.
Ein alternativer Aufbau schlägt vor, den jeweiligen Boden mit einem vom Rohrnetz weg gerichtet abstehenden, geschlossen umlaufenden Kragen auszustatten, an dessen Innenseite die Verbindungszone ausgebildet ist. Der Kastenfuß ist in diesen umlaufenden Kragen eingesteckt und außen über die Schmelzverbindung am Kragen befestigt. Hierdurch besitzt der Boden zwar eine etwas aufwändigere Geometrie, ermöglicht jedoch eine extrem kompakte Bauform für den Kasten.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein freier Innenquerschnitt des Kastenfußes, der sich quer zu den Längsrichtungen der Rohre erstreckt, kleiner ist als ein Außenquerschnitt des Rohrnetzes, der sich ebenfalls quer zu den Längsrichtungen der Rohre erstreckt. Hierdurch lässt sich ein extrem kompakter Kasten realisieren.
Eine weitere alternative Ausführungsform schlägt vor, dass der jeweiligen Boden einen vom Rohrnetz weg gerichtet abstehenden, geschlossen umlaufenden Kragen aufweist, von dem ein geschlossen umlaufender Umlauf nach innen abgewinkelt ist. An diesem abgewinkelten Umlauf ist an einer vom Rohrnetz abgewandten Seite die Verbindungszone ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist der Kastenfuß axial stirnseitig mit der Verbindungszone verbunden. Auch diese Maßnahme ermöglicht eine kompakte Bauweise für den jeweiligen Kasten.
Bei einer Weiterbildung kann quer zur Längsrichtung der Rohre ein Außenquerschnitt des Kastenfußes gleich groß sein wie oder kleiner sein als ein Außenquerschnitt des Rohrnetzes. Zweckmäßig wird der umlaufende Kragen relativ dicht an den Durchbrüchen oder Durchzügen der Rohre vom übrigen Boden abgewinkelt, wodurch eine kompakte Bauform für den Kasten ermöglicht wird. Der dann nach innen abgewinkelte Umlauf ermöglicht eine einfache axiale Fixierung des Kastenfußes bei kompakter Bauform.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,

1 und 2 jeweils eine Seitenansicht eines Wärmeübertragers bei zwei verschiedenen Ausführungsformen,
3 bis 5 jeweils eine Schnittansicht entsprechend einer Schnittlinie III in den 1 und 2 im Bereich einer Verbindung zwischen einem Boden und einem Kasten bei drei verschiedenen Ausführungsformen.

Entsprechend den 1 und 2 umfasst ein Wärmeübertrager 1 ein Rohrnetz 2, das mehrere Rohre 3 aus Metall aufweist. Die Rohre 3 sind nebeneinander angeordnet und an ihren Längsenden jeweils durch einen Boden 4 aus Metall durchgesteckt. Dabei münden die Rohre 3 jeweils in einen Kasten 5. Im Beispiel der 1 bildet der eine oder linke Kasten 5 einen Verteilerkasten 6, der einen Verteilerraum 7 enthält, der ein über einen Zulauf 8 zugeführtes Wärmeübertragungsmedium auf die einzelnen Rohre 3 verteilt. Der andere oder rechte Kasten 5 bildet hierbei einen Sammelkasten 9, der einen Sammelraum 10 enthält, der das über die Rohre 3 zugeführte Wärmeübertragungsmedium sammelt und über einen Ablauf 11 abführt.
Im Beispiel der 2 bildet der eine oder linke Kasten 5 einen kombinierten Verteiler- und Sammelkasten 12, der den Verteilerraum 7 und den Sammelraum 10 enthält und an den der Zulauf 8 sowie der Ablauf 11 angeschlossen sind. Der andere oder rechte Kasten 5 ist hier durch einen Umlenkkasten 13 gebildet, der einen Umlenkraum 14 enthält, der das über die einen oder oberen Rohre 3 zugeführte und vom Verteilerraum 7 stammende Medium umlenkt und den anderen oder unteren Rohren 3 zuführt, die das Medium ihrerseits dem Sammelraum 10 zuführen.
Im Betrieb des Wärmeübertragers 1 werden die Rohre 3 von innen vom jeweiligen Temperierungsmedium durchströmt. Ein anderes Medium kann dagegen die jeweiligen Rohre 3 von außen umströmen. Hierzu sind die Rohre 3 relativ zueinander mit einem Abstand angeordnet, wodurch durchströmbare Lücken im Rohrnetz 2 entstehen. In diesen Lücken können Rippen oder Lamellen 28, vorzugsweise aus Metall, angeordnet sein, die wärmeübertragend mit den Rohren 3 verbunden sind und die die Wärmeübertragung zwischen den Medien verbessern.
Entsprechend den 3 bis 5 weist der jeweilige Boden 4 Durchzüge 15 auf, in welche die Rohre 3 eingesteckt sind. Dabei ist je Rohr 3 ein separater Durchzug 15 vorgesehen. In diesen Durchzügen 15 sind die Rohre 3 mit dem Boden 4 verlötet. Des Weiteren weist der jeweilige Boden 4 eine geschlossen umlaufende Verbindungszone 16 auf. In dieser Verbindungszone 16 ist die Rauhigkeit der Oberfläche des Bodens 4 erhöht, also höher als im übrigen Boden 4. Beispielsweise kann die Oberfläche des Bodens 4 in der Verbindungszone 16 eine Rautiefe von mindestens 10 µm aufweisen, während die Oberfläche im übrigen Boden 4 eine Rautiefe kleiner als 5 µm besitzt.
Der Kasten 5 weist an einer dem Rohrnetz 2 zugewandten Seite einen geschlossen umlaufenden Kastenfuß 17 auf, über den der Kasten 5 mit dem Boden 4 fest verbunden ist. Hierzu ist am Kastenfuß 17 in der Verbindungszone 16 eine Schmelzverbindung 18 ausgebildet. Durch die erhöhte Rauhigkeit in der Verbindungszone 16 kann sich der Kunststoff des Kastens 5 hinreichend fest mit dem Metall des Bodens 4 verbinden. Die Rauhigkeit in der Verbindungszone 16 kann so ausgestaltet sein, dass sie Hinterschnittkonturen aufweist bzw. erzeugt, die in der Schmelzverbindung 18 einen Formschluss zwischen dem Metall des Bodens 4 und dem Kunststoff des Kastens 5 ausbilden.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform liegt die Verbindungszone 16 in einer Zonenebene 19. Diese Zonenebene 19 erstreckt sich dabei senkrecht zur Längsrichtung 20 des jeweiligen Rohrs 3. Die Rohrlängsrichtung 20 verläuft dabei parallel zu einer Längsmittelachse 21 des jeweiligen Rohrs 3. Der jeweilige Durchzug 15 fasst eine im Boden 4 ausgebildete Rohröffnung 22 ein. Diese Rohröffnungen 22 liegen ebenfalls in der Zonenebene 19 und sind von der Verbindungszone 16 eingefasst. Das bedeutet, dass die Verbindungszone 16 alle Rohröffnungen 22 des Bodens 4 einfasst bzw. umschließt. Im Beispiel der 3 stehen die Durchzüge 15 vom Rohrnetz 2 weg gerichtet in Richtung Kasten 5 vom Boden 4 ab. Ferner ist hier vorgesehen, dass die Durchzüge 15 bezüglich der Längsmittelachse 21 des jeweiligen Rohrs 3 radial innen am Rohr 3 und radial außen am Kastenfuß 17 anliegen. Hierdurch wird eine extrem kompakte Bauform für den Kasten 5 erreicht.
Grundsätzlich können die Durchzüge 15 wie in 5 angedeutet auch vom Kasten 5 weg gerichtet in Richtung Rohrnetz 2 vom Boden 4 abstehen. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform könnte bei solchen weg gerichteten Durchzügen vorgesehen sein, dass die Rohre 3 bezüglich der Längsmittelachse 21 radial außen am Kastenfuß 17 anliegen.
Im Beispiel der 3 ist der Kastenfuß 17 bezüglich der Längsmittelachse 21 des jeweiligen Rohrs 3 axial stirnseitig mit der Verbindungszone 16 verbunden. Somit sind Kasten 5 und Boden 4 diesbezüglich axial aneinander abgestützt.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist der Boden 4 mit einem geschlossen umlaufenden Kragen 23 ausgestattet, der vom Rohrnetz 2 weg gerichtet vom Boden 4 absteht. Bezüglich der jeweiligen Längsmittelachse 21 des jeweiligen Rohrs 3 ist die Verbindungszone 16 hier an einer radial innenliegenden Innenseite des Kragens 23 ausgebildet. Der Kastenfuß 17 ist in den Kragen 23 axial eingesteckt und radial außen über die Schmelzverbindung 18 am Kragen 23 befestigt. Hierdurch lässt sich der Kasten 5 bezogen auf die Längsrichtung 20 der Rohre 3 radial kompakt bauen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass quer zur Längsrichtung 20 der Rohre 3 ein freier Innenquerschnitt 24 des Kastenfußes 17 kleiner ist als ein Außenquerschnitt 25 des Rohrnetzes 2. Im Vergleich dazu ist bei der in 3 gezeigten Ausführungsform der freie Innenquerschnitt 24 des Kastenfußes 17 größer als der Außenquerschnitt 25 des Rohrnetzes 2. Bei umgekehrter Ausrichtung der Durchzüge 15 lässt sich bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ein Zustand erreichen, bei dem der Innenquerschnitt 24 des Kastenfußes 17 bestenfalls gleich groß ist wie der Außenquerschnitt 25 des Rohrnetzes 2.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform weist der Boden 4 ebenfalls den vom Rohrnetz 2 weg gerichtet abstehenden, geschlossen umlaufenden Kragen 23 auf, von dem ein geschlossen umlaufender, nach innen abgewinkelter Umlauf 26 ausgeht. Der Umlauf 26 weist an einer vom Rohrnetz 2 abgewandten Seite die Verbindungszone 16 auf. Zweckmäßig ist hier der Kastenfuß 17 axial stirnseitig mit der Verbindungszone 16 verbunden. Hierzu kann auch hier vorgesehen sein, dass die Verbindungszone 16 in der senkrecht zur Längsrichtung 20 der Rohre 3 verlaufenden Zonenebene 19 liegt, jedoch axial zu den Rohröffnungen 22 beabstandet ist. Bei dieser Ausführungsform lässt sich der Innenquerschnitt 24 des Kastenfußes 17 ebenfalls kleiner dimensionieren als der Außenquerschnitt 25 des Rohrnetzes 2. Im Beispiel der 5 ist ein Außenquerschnitt 27 des Kastenfußes 17 etwa gleich groß wie der Außenquerschnitt 25 des Rohrnetzes 2.
Der hier vorgestellte Wärmeübertrager 1 lässt sich wie folgt herstellen. Zunächst wird der jeweilige Boden 4 mit den Durchzügen 15 versehen. Die Rohre 3 werden in die Durchzüge 15 eingesteckt. Anschließend werden die Rohre 3 in den Durchzügen 15 mit dem Boden 4 fest verbunden. Vorzugsweise kommt hier ein Lötvorgang zum Einsatz. Hierdurch werden die Rohre 3 mit den Durchzügen 15 verlötet und über die Durchzüge 15 am Boden 4 befestigt. Während des Lötvorgangs werden zweckmäßig auch die vorstehend genannten, in das Rohrnetz 2 eingesetzten Rippen oder Lamellen 28 mit den Rohren 3 verlötet.
Der jeweilige Boden 4 wird in der Verbindungszone 16 an der Oberfläche aufgeraut. Dies kann grundsätzlich vor oder nach dem Verlöten mit den Rohren 3 erfolgen. Nach dem Aufrauen wird der jeweilige Kasten 5 am Kastenfuß 17 in der Verbindungszone 16 am Boden 4 mittels der Schmelzverbindung 18 befestigt. Zumindest das Befestigen des Kastens 5 am Boden 4 erfolgt bevorzugt nach dem Verlöten der Rohre 3 mit dem Boden 4 bzw. den Durchzügen 15.
Das Aufrauen der Oberfläche des Bodens 4 in der Verbindungszone 16 wird bevorzugt nach dem Verlöten der Rohre 3 mit dem Boden 4 durchgeführt. Beispielsweise kann das Aufrauen mittels eines gepulsten Lasers erfolgen. Das Aufrauen kann dabei zweckmäßig so durchgeführt werden, dass die aufgeraute Oberfläche Hinterschnittkonturen aufweist. Diese Hinterschnittkonturen können eine Strukturlänge parallel zur Zonenebene 19 und eine Strukturtiefe senkrecht zur Zonenebene 19 aufweisen, die jeweils im Bereich von 50 µm bis 200 µm liegen.
Die Hinterschnittkonturen können beispielsweise mit Hilfe eines gepulsten Lasers erzeugt werden, wozu der Laser unter einem vorbestimmten Neigungswinkel auf die Verbindungszone 16 auftrifft. Der Neigungswinkel ist dabei gegenüber einer senkrecht zur Zonenebene 19 verlaufenden Vertikalrichtung gemessen. Der Neigungswinkel kann vorzugsweise in einem Winkelbereich von 20° bis 80° liegen. Bevorzugt sind hierbei Neigungswinkel zwischen 30° und 60°. Insbesondere kann der Neigungswinkel etwa 45° betragen.
Vorteilhaft lässt sich die Schmelzverbindung18 zwischen Kastenfuß 17 und Boden 4 dadurch realisieren, dass der Kunststoff des Kastens 5 aufgeschmolzen wird. In der Folge kann auf einen Schmelzzusatzstoff verzichtet werden.
Gemäß einer ersten Variante kann vorgesehen sein, dass der Kastenfuß 17 und die Verbindungszone 16 gegeneinander gepresst werden, wobei durch Erhitzen des Bodens 4 der angepresste Kastenfuß 17 in der Verbindungszone 16 aufgeschmolzen wird. Mit anderen Worten, die Wärme zum Aufschmelzen des Kunststoffs wird dem Kastenfuß 17 über den Boden 4 zugeführt. Beispielsweise lässt sich der Boden 4 bei angepresstem Kastenfuß 17 mittels eines Laserstrahls oder mittels eines Infrarotstrahls oder mittels eines Heißgases erhitzen. Besonders zweckmäßig ist jedoch eine Ausführungsform, bei welcher das Erhitzen des Bodens 4 bei angepresstem Kastenfuß 17 mittels Induktion erfolgt.
Bei einer zweiten Variante kann dagegen vorgesehen sein, dass die Schmelzverbindung 18 dadurch hergestellt wird, dass der Kastenfuß 17 zunächst angeschmolzen wird, so dass anschließend der angeschmolzene Kastenfuß 17 mit der Verbindungszone 16 verpresst wird. Für das Anschmelzen des Kastenfußes 17 können herkömmliche Methoden zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel Heißgas, Infrarotstrahlung und Laserstrahl. Durch das Anschmelzen bzw. Aufschmelzen wird der Kunststoff des Kastenfußes 17 fließfähig. Durch die Anpressung zwischen Kastenfuß 17 und Boden 4 kann sich der flüssige Kunststoff der Rauhigkeit in der Verbindungszone 16 anpassen, so dass anschließend die dreidimensionale Struktur der metallischen Oberfläche in der Verbindungszone 16 in den Kunststoff des Kastenfußes 17 eingebettet ist. Insbesondere in Verbindung mit den vorstehend genannten Hinterschnittkonturen lässt sich dadurch ein fester Verbund zwischen Kasten 5 und Boden 4 realisieren, der eine hinreichende Dauerfestigkeit aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007023418 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers (1), - wobei der Wärmeübertrager (1) ein Rohrnetz (2) mit mehreren Rohren (3) aus Metall aufweist, die nebeneinander angeordnet sind und an ihren Längsenden jeweils durch einen Boden (4) aus Metall durchgesteckt sind und in einen Kasten (5) aus Kunststoff münden, - bei dem der jeweilige Boden (4) mit Durchzügen (15) versehen wird, - bei dem die Rohre (3) in die Durchzüge (15) eingesteckt werden, - bei dem die Rohre (3) mit dem Boden fest verbunden werden, - bei dem am jeweiligen Boden (4) in einer geschlossen umlaufenden Verbindungszone (16) die Oberfläche des Bodens (4) aufgeraut wird, - bei dem der Kasten (5) an einem geschlossen umlaufenden Kastenfuß (17) in der Verbindungszone (16) am Boden (4) mittels einer Schmelzverbindung (18) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen der Oberfläche des Bodens (4) in der Verbindungszone (16) nach dem Befestigen der Rohre (3) mit dem jeweiligen Boden (4) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen mittels eines gepulsten Lasers durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen so durchgeführt wird, dass die aufgeraute Oberfläche Hinterschnittkonturen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen zum Erzeugen von Hinterschnittkonturen mittels eines unter einem Neigungswinkel angestellten gepulsten Lasers durchgeführt wird, wobei der Neigungswinkel gegenüber einer Senkrechten zu einer Zonenebene (19) gemessen wird, in der die Verbindungszone (16) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, - dass die Schmelzverbindung (18) zwischen Kastenfuß (17) und Boden (4) in der Verbindungszone (19) dadurch hergestellt wird, dass der Kastenfuß (17) und die Verbindungszone (16) gegeneinander gepresst werden, und - dass durch Erhitzen des Bodens (4) der Kastenfuß (17) in der Verbindungszone (16) aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen des Bodens (4) mittels Induktion durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzverbindung (18) zwischen Kastenfuß (17) und Boden (4) in der Verbindungszone (16) dadurch hergestellt wird, dass der Kastenfuß (17) angeschmolzen wird und dass der angeschmolzene Kastenfuß (17) mit der Verbindungszone (16) verpresst wird.
Wärmeübertrager, - mit einem Rohrnetz (2), das mehrere Rohre (3) aus Metall aufweist, die nebeneinander angeordnet sind und an ihren Längsenden jeweils durch einen Boden (4) aus Metall durchgesteckt sind, daran befestigt sind und in einen Kasten (5) aus Kunststoff münden, - wobei der jeweilige Boden (4) Durchzüge (15) aufweist, in welche die Rohre (3) eingesteckt sind, - wobei der jeweilige Boden (4) eine geschlossen umlaufende Verbindungszone (16) aufweist, in der die Rauhigkeit der Oberfläche des Bodens (4) erhöht ist, - wobei der Kasten (5) an einem geschlossen umlaufenden Kastenfuß (17) in der Verbindungszone (16) mittels einer Schmelzverbindung (18) am Boden (4) befestigt ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Oberfläche des Bodens (4) in der Verbindungszone (16) Hinterschnittkonturen aufweist, die in der Schmelzverbindung (18) einen Formschluss zwischen dem Metall des Bodens (4) und dem Kunststoff des Kastens (5) bilden.
Wärmeübertrager nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, - dass die Verbindungszone (16) in einer Zonenebene (19) liegt, die senkrecht zu den Längsrichtungen (20) der Rohre (3) verläuft, - dass die Durchzüge (15) jeweils eine Rohröffnung (22) einfassen, - dass die Rohröffnungen (22) in der Zonenebene (19) liegen und von der Verbindungszone (16) eingefasst sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, - dass die Durchzüge (15) vom Rohrnetz (2) weg gerichtet in Richtung Kasten (5) vom Boden (4) abstehen, - dass die Durchzüge (15) innen an den Rohren (3) und außen am Kastenfuß (17) anliegen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, - dass die Durchzüge (15) vom Kasten (5) weg gerichtet in Richtung Rohrnetz (2) vom Boden (4) abstehen, - dass die Rohre (3) außen am Kastenfuß (17) anliegen.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kastenfuß (17) axial stirnseitig mit der Verbindungszone (16) verbunden ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, - dass der jeweilige Boden (4) einen vom Rohrnetz (2) weg gerichtet abstehenden, geschlossen umlaufenden Kragen (23) aufweist, an dessen Innenseite die Verbindungszone (16) ausgebildet ist, - dass der Kastenfuß (17) in den Kragen (23) eingesteckt und außen über die Schmelzverbindung (18) am Kragen (23) befestigt ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass quer zu den Längsrichtungen (20) der Rohre (3) ein freier Innenquerschnitt (24) des Kastenfußes (17) kleiner ist als ein Außenquerschnitt (25) des Rohrnetzes (2).
Wärmeübertrager nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, - dass der jeweilige Boden (4) einen vom Rohrnetz (2) weg gerichtet abstehenden, geschlossen umlaufenden Kragen (23) aufweist, von dem ein geschlossen umlaufender Umlauf (26) nach innen abgewinkelt ist, an dem an einer vom Rohrnetz (2) abgewandten Seite die Verbindungszone (16) ausgebildet ist, - dass der Kastenfuß (5) axial stirnseitig mit der Verbindungszone (16) verbunden ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass quer zur Längsrichtung (20) der Rohre (3) ein Außenquerschnitt (27) des Kastenfußes (17) gleich groß ist wie oder kleiner ist als ein Außenquerschnitt (25) des Rohrnetzes (2).