DE102020216059A1

DE102020216059A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers

Info

Publication number: DE102020216059A1
Application number: DE102020216059.7A
Authority: DE
Inventors: Cord Völker; Matthias Gördeler
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-06-23
Also published as: US11724303B2; CN114633084A; US20220250136A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers (1) mit Rohren (2), die jeweils längsendseitig in einem zugehörigen Sammler (3) aufgenommen sind, wobei die Rohre (2) und die Sammler (3) aus Aluminium ausgebildet sind und miteinander verlötet werden und in einem miteinander verlöteten Zustand eine kühlmittelführende Kanalstruktur (4) bilden.Erfindungswesentlich ist dabei, dass der Wärmeübertrager (1) nach dem Verlöten der Rohre (2) mit den Sammlern (3) kalt umgeformt wird und dadurch die Festigkeit gesteigert wird.Hierdurch lassen sich das Gewicht und die Kosten reduzieren und die Leistung und die Festigkeit erhöhen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers mit Rohren, die jeweils längsendseitig in einem zugehörigen Sammler aufgenommen sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach diesem Verfahren hergestellten Wärmeübertrager.
Aus der DE 10 2010 048 406 A1 ist ein Verfahren zum Ziehen von Blechen mittels einer ein Werkzeugoberteil, ein Werkzeugunterteil, vorzugsweise Stempel und Matrize, und Blechhalter umfassenden Ziehvorrichtung bekannt, wobei das zu ziehende Blech im Randbereich durch die Blechhalter durch Klemmen gehalten wird und wobei zum Erhalt der notwendigen Festigkeit/Steifigkeit des zu ziehenden Bauteils über plastische Dehnung ein Mindestmaß an Kaltverfestigung hervorgerufen wird. Dabei schwenken die Blechhalter während des Arbeitshubs des Werkzeugs nach außen, d.h. vom eigentlichen Ziehwerkzeug weg und recken dabei das Blech und spannen dieses über eines der Werkzeugteile, vorzugsweise über den Stempel.
Aluminium-Wärmeübertrager werden weitverbreitet in der Autoindustrie zur Kühlung und Klimatisierung von Fahrzeugen eingesetzt. Typischer Weise werden die Aluminium-Einzelteile der Aluminium-Wärmeübertrager durch Löten miteinander verbunden. Das Löten kann dabei durch sämtliche technisch sinnvollen Verfahren, wie z.B. in einen Durchlauf- oder Batchofen aber auch durch induktive Erwärmung, Strahlungserwärmung, Kontakterwärmung, etc. erfolgen. In allen Fällen ergibt sich durch das Löten der Nachteil, dass der Werkstoff nach dem Lötprozess im Zustand weich vorliegt. Somit haben die eingesetzten Werkstoffe ihre minimale Festigkeit.
Bekannte Wärmeübertrager werden üblicherweise aus Rohren, insbesondere aus Flachrohren, und Sammlern aufgebaut. Beim miteinander Verlöten der beiden Komponenten, das heißt beispielsweise bei einem Verlöten der Rohre mit den Sammlern, wird eine Kanalstruktur für Kühlmittel gebildet, die im Betriebszustand von quer dazu strömender Luft gekühlt wird.
In erster Linie wird dabei versucht, über aushärtbare Aluminiumlegierungen die Festigkeit nach dem Löten zu verbessern, wobei es hierbei starke Einschränkung hinsichtlich der verwendbaren Aluminiumlegierungen gibt, die lötbar und auch aushärtbar sind. Des Weiteren ist es schwierig, die zum Teil hohen Abkühlgradienten nach dem Löten zu erzielen, damit es überhaupt zu einer möglichen Festigkeitssteigerung durch Kalt- oder Warmauslagern kommt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein bislang bekanntes Verfahren zum Herstellen von Wärmeübertragern aus Aluminium, beispielsweise für Elektrofahrzeuge, dadurch zu verbessern, dass der Wärmeübertrager nach einem Verlöten von dessen einzelnen Rohren mit den Sammlern nochmals kalt umgeformt, beispielsweise gereckt, wird, wodurch insbesondere die beispielsweise durch einen Lötprozess reduzierte Festigkeit deutlich erhöht werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers werden zunächst Rohre jeweils längsendseitig in einen zugehörigen Sammler eingesteckt und miteinander verlötet, wodurch sich eine kühlmittelführende Kanalstruktur bildet. Erfindungsgemäß wird nun der Wärmeübertrager nach dem Verlöten der Rohre mit den Sammlern kalt umgeformt, wodurch die Festigkeit gesteigert werden kann. Durch die erhöhte Festigkeit ist der erfindungsgemäß hergestellte Wärmeübertrager in der weiteren Fertigung bzw. Montage weniger sensibel. Durch das Umformen ist es zudem möglich, den Wärmeübertrager nach einem Lötprozess schneller abzukühlen, wodurch das Potential der verwendbaren Aluminiumlegierungen zur Aushärtung gesteigert werden kann. Die erhöhte Festigkeit hat wiederum zur Folge, dass die Dicke der Rohre bzw. der Sammler entsprechend reduziert werden kann, wodurch eine Gewichts-, Ressourcen- und Kostenersparnis sowie eine verbesserte Kühlleistung erzielt werden können.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird der Wärmeübertrager nach dem Verlöten der Rohre mit den Sammlern um ca. 0,1 bis 10 %, vorzugsweise um ca. 1 bis 3 %, gereckt, das heißt gelängt. Durch das Recken bzw. Längen können insbesondere auch Verwerfungen oder Wellungen nach dem Verlöten eliminiert werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Kaltreckens ist, dass je nach verwendetem Umformgrad beim Kaltrecken, die Materialfestigkeit ansteigt, das heißt die Wärmeübertrager bezüglich Festigkeit und Steifigkeit verbessert werden können. Bei einem Recken der Wärmeübertrager zwischen 1 und 10 % kann es je nach verwendeter Aluminiumlegierung zu einer Festigkeitserhöhung von bis zu 100 % kommen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung spannt der Wärmeübertrager nach dem Verlöten der Rohre mit den Sammlern eine x-y-Ebene auf und wird in x-Richtung und/oder in y-Richtung gereckt, das heißt gelängt. Denkbar ist dabei dass ein Recken in y-Richtung (quer zur Rohrlängsachse) ausschließlich dann erfolgt, wenn die Rohre über dazwischen angeordnete Wärmeübertragerelemente miteinander verbunden sind.
Neben dem eigentlichen Längen, das heißt Recken des Wärmeübertragers, können selbstverständlich auch weitere Kaltumformverfahren zusätzlich oder alternativ angewandt werden, wobei „kalt“ dabei lediglich das Umformen unterhalb der Rekristallationstemperatur von Aluminium bedeuten soll. Durch die beschriebenen Kaltumformverfahren treten eine Kaltverfestigung und damit auch eine Steigerung der Werkstofffestigkeit auf. Weitere Kaltumformverfahren können beispielsweise Biegen, Ziehen, Dängeln, Verwinden oder auch Kugelstrahlen sein. Bei sämtlichen, hier lediglich beispielhaft beschriebenen Kaltumformverfahren, treten Versetzungen und Eigenspannungen in dem kaltumgeformten Werkstoff auf, die neben der Erhöhung der Härte und der Streckgrenze auch zu veränderten anderen Eigenschaften, beispielsweise elektrischen und magnetischen Eigenschaften, führen können. Durch das Kaltumformen lässt sich nicht nur die Festigkeit steigern, sondern durch die gesteigerte Festigkeit zugleich auch das weitere Bearbeiten der Wärmeübertrager deutlich vereinfachen, da diese robuster ist.
Zweckmäßig wird der Wärmeübertrager nach dem Verlöten der Rohre mit den Sammlern und vor dem Kaltumformen mit einer Abkühlgeschwindigkeit von > 40 K/min im Temperaturbereich 570 - 200°C abgekühlt. Durch das schnellere Abkühlen kann wiederum ein verbessertes Aushärten der Aluminiumlegierung und damit eine höhere Festigkeit derselben erreicht werden. Für ein nachfolgendes Kalt- oder Warmaushärten aushärtbarer Aluminiumlegierungen sollten Abkühlgeschwindigkeiten im Temperaturbereich zwischen 570 - 200°C mindestens mit 40 K/min betragen. Besser sind Abkühlgradienten von ca. 100 K/min, wodurch optimale Voraussetzungen für eine nachfolgende Kalt- oder Warmaushärtung geschaffen werden, sowie die Festigkeitssteigerung durch Recken optimiert wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen/weist das Rohr und/oder die Sammler eine Wanddicke d von 0,2 mm < d < 1,5 mm auf. Um dieselbe Festigkeit der Wärmeübertrager, beispielsweise hinsichtlich der Druckstabilität, erreichen zu können, ist es aufgrund der durch das Kaltumformen erhöhten Festigkeit möglich, die Wanddicken zu reduzieren, beispielsweise um 20 - 50%, wodurch ein nicht unerheblicher Ressourcen-, Kosten- und Gewichtsvorteil erzielt werden kann.
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 einen möglichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Wärmeübertragers,
2 eine Ansicht auf einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, erfindungsgemäßen Wärmeübertrager.

Entsprechend der 1, werden bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers 1 (vgl. auch die 2) zunächst Rohre 2 und zwei Sammler 3 bereitgestellt. Dies kann beispielsweise im Verfahrensschritt A erfolgen. Anschließend werden die Rohre 2 jeweils längsendseitig in Öffnungen (Durchzüge) der Sammler 3 eingesteckt, wobei sowohl die Rohre 2 als auch die Sammler 3, aus Aluminium ausgebildet sind. Die Rohre 2 und die Sammler 3 werden miteinander verlötet und bilden in einem miteinander verbundenen Zustand eine kühlmittelführende Kanalstruktur 4. Dies kann beispielsweise im Verfahrensschritt B erfolgen. Nach dem Herstellen der Lötverbindung wird der Wärmeübertrager 1 im Verfahrensschritt C kalt umgeformt, wodurch die Festigkeit des Wärmeübertragers 1 gesteigert wird. Nach dem Kaltumformen ist der Wärmeübertrager 1 im Verfahrensschritt D fertiggestellt.
Die Rohre 2 können dabei als Flachrohre ausgebildet sein und beispielsweise im Strangpressverfahren hergestellt werden.
Durch das Kaltumformen im Verfahrensschritt C kann die Festigkeit des Aluminiums deutlich gesteigert werden, wodurch der Wärmeübertrager 1 robuster ist und in einem weiteren Fertigungs- bzw. Montageschritt nicht mehr so vorsichtig gehandhabt werden muss. Durch die höhere Festigkeit durch das Kaltumformen kann zudem eine erhöhte Druckstabilität erreicht werden, wodurch der Einsatz von geringeren Wanddicken sowohl bei den Rohren 2 als auch bei den Sammlern 3 möglich ist. Hierdurch lassen sich Ressourcen, Kosten und Gewicht einsparen.
Das Kaltumformen kann beispielsweise durch ein Recken erfolgen, so dass der Wärmeübertrager 1 nach dem Verlöten der Rohre 2 mit den Sammlern 3 um ca. 0,1 % bis 10 % gereckt, das heißt gelängt, wird. Vorzugsweise beträgt dabei eine Längung ca. 1 % bis 3 %.
Gemäß der 2 ist ein derartiger Reckprozess dargestellt, wobei in diesem Fall an sämtlichen vier Seiten bzw. Rändern des Wärmeübertragers 1 entsprechende Kräfte F angreifen und das Recken des Wärmeübertragers 1 und damit dessen Erhöhung der Festigkeit bewirken.
Betrachtet man die 2 weiter, so kann man erkennen, dass der Wärmeübertrager 1 nach dem Verlöten der Rohre 2 mit den Sammlern 3 eine x-y-Ebene aufspannt und ein Recken in x-Richtung und/oder in y-Richtung erfolgt. Ein Recken quer zur x-y-Ebene, das heißt senkrecht zur Bildebene, ist nicht vorgesehen.
Ein Kaltumformen des Wärmeübertragers 1 nach dem Herstellen der Lötverbindung, zwischen den Rohren 2 und den Sammlern 3, kann zusätzlich oder alternativ zum Recken auch durch ein Hämmern, Walzen oder Prägen erfolgen. Wichtig hierbei ist lediglich eine die Festigkeit der Wärmeübertrager 1 steigernde Umformung der Kristallstruktur.
Zwischen den einzelnen Rohren 2 können noch Wärmeübertragerelemente 5, beispielsweise Wellrippen, vorgesehen werden, die zusammen mit den Rohren 2 und den Sammlern 3 verlötet und anschließend gereckt werden.
Zweckmäßig wird der Wärmeübertrager 1 nach dem Verlöten der Rohre 2 mit den Sammlern 3 und noch vor dem Kaltumformen, das heißt beispielsweise vor dem Recken, mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 40° K/min im Temperaturbereich 570 - 200°C abgekühlt. Durch das anschließende Kaltumformen kann der Wärmeübertrager 1 nach dem Herstellen der Lötverbindung schneller abgekühlt werden, wodurch eine verbesserte Aushärtung und damit ebenfalls eine Festigkeitssteigerung erreicht werden können. Durch die erhöhte Festigkeit kann nicht nur die Lebensdauer des Wärmeübertragers 1 erhöht werden, sondern es kann bei gleicher geforderter Festigkeit auch eine Wanddicke der Rohre 2 und/oder der Sammler 3 reduziert werden, so dass im Vergleich zu bisherigen Wärmeübertragern eine Reduzierung der Wandstärke um 20 - 50 % möglich ist. Bei dem Kaltumformen, beispielsweise bei dem Recken, kann es je nach Aluminiumlegierung zu einer Festigkeitserhöhung von bis zu 100 % kommen, so dass in diesem Fall eine Reduzierung der Wandstärke um 50 % denkbar wäre.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1, beispielsweise für ein Elektrofahrzeug, geschaffen werden, der schneller produziert werden kann, mit geringerem Gewicht bei gleicher Festigkeit oder höherer Festigkeit bei gleichem Gewicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010048406 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers (1) mit Rohren (2), die jeweils längsendseitig in einem zugehörigen Sammler (3) aufgenommen sind, wobei die Rohre (2) und die Sammler (3) aus Aluminium ausgebildet sind und miteinander verlötet werden und in einem miteinander verlöteten Zustand eine kühlmittelführende Kanalstruktur (4) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) nach dem Verlöten der Rohre (2) mit den Sammlern (3) kalt umgeformt wird und dadurch die Festigkeit gesteigert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) nach dem Verlöten der Rohre (2) mit den Sammlern (3) um ca. 0,1 % bis 10 % gereckt, das heißt gelängt, wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) nach dem Verlöten der Rohre (2) mit den Sammlern (3) um ca. 1 % bis 3 % gereckt, das heißt gelängt, wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) nach dem Verlöten der Rohre (2) mit den Sammlern (3) eine x-y-Ebene aufspannt und in x-Richtung und/oder in y-Richtung gereckt, das heißt gelängt, wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) nach dem Verlöten der Rohre (2) mit den Sammlern (3) gehämmert, gewalzt, geprägt oder unter Druck gesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) nach dem Verlöten der Rohre (2) mit den Sammlern (3) und vor dem Recken mit einer Abkühlgeschwindigkeit von typischerweise 40 - 100 K/min in einem Temperaturbereich 570 - 200°C abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (2) als Flachrohre ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Rohren (2) Wärmeübertragerelemente (5), beispielsweise Wellrippen, vorgesehen werden, die zusammen mit den Rohren (2) und den Sammlern (3) verlötet und anschließend gereckt werden.
Wärmeübertrager (1), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.