DE10315929A1

DE10315929A1 - Hochfeste CAB-hartgelötete Wärmetauscher mit hochfesten Rippenmaterialien

Info

Publication number: DE10315929A1
Application number: DE10315929A
Authority: DE
Inventors: Bradley David Abell; Jeff Scott Southwood; Timothy Van Evans
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2023-04-02
Also published as: DE10315929B4; GB2387136A; US20050067467A1; GB0303942D0; US20030183376A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherbaugruppe, die ein Rohr mit einer inneren und einer äußeren Fläche enthält. Eine Komponente auf Aluminiumbasis, die aus einem Material auf Aluminiumbasis mit einem Magnesiumgehalt von über 0,3% besteht, ist neben dem Rohr angeordnet, wobei die Komponente auf Aluminiumbasis mit dem Rohr in einem Schutzgashartlötverfahren unter Verwendung eines Hartlötflussmittels verbunden worden ist.

Description

Hintergrund der Erfindung

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen durch Schutzgashartlöten (CAB = controlled atmosphere brazing) gefertigten Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung von Rippenmaterialien mit einem, gegenüber dem normalen Gehalt, höheren Gehalt an Magnesium (Mg), um zusätzliche Festigkeit des Wärmetauschers bei beibehaltener Qualität der für hervorragenden Wärmeübergang erforderlichen Rippe-zu-Rohr-Hartlötverbindung oder -Kehlnaht zu erreichen.

Beschreibung der einschlägigen Technik

Es ist bekannt, dass die für Kraftfahrzeuge bereitgestellten Wärmetauscher, wie z. B. Kondensatoren, Verdampfer, Heizerkerne und Kühler, im Allgemeinen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen gefertigt sind. Diese Wärmetauscher sind abwechselnde Reihen von Rohren oder Blechtafeln, die den Fluidtransport durch den Wärmetauscher ermöglichen. Die Wärmetauscher enthalten oftmals auf die Außenflächen der Rohre hartaufgelötete gewundene Rippen zur Vergrößerung der Oberfläche zwecks Verbesserung des Wärmeübergangs zur den Wärmetauscher passierenden Luft. Außerdem werden für den Bau des Wärmetauschers Tanks, Sammler und Seitenstützen benötigt.

Wie im US-Patent 5,771,962 beschrieben, dessen gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin enthalten ist, ist ein bekanntes Verfahren zum Hartlöten der Rippen auf die Rohre und Turbulatoren ein als Schutzgashartlöten (CAB) bekanntes Verfahren. Wenn das CAB-Verfahren bei Wärmetauschern aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen angewendet wird, sind die Rippen typischerweise aus Aluminium der 3xxx-Serie gefertigt, das einen sehr geringen Mg-Gehalt von z. B. 0,3% aufweist. Es wird allgemein angenommen, dass bei einem Mg-Gehalt in Aluminiumwärmetauscherkomponenten höher als 0,3% die Wechselwirkung zwischen dem Magnesium und dem als NOCOLOK bekannten KALF-Flussmittel die Verbindung oder Kehlnaht zwischen den Wärmetauscherkomponenten verhindert und damit das CAB-Verfahren nicht anwendbar ist. Deshalb werden im CAB-Verfahren bei einem Magnesiumgehalt im Rippenmaterial größer als 0,3% die Rippen nicht mit den Rohren verbunden, was die Wärmeleitfähigkeit und die Einheit der Wärmetauscherstruktur reduziert.

Angesichts der oben genannten gegensätzlichen Interessen - Verbesserung der Befestigung mittels Hartlöten gegenüber der Erhöhung der Rippenfestigkeit - sind einige Lösungen vorgeschlagen worden. Eine vorgeschlagene Lösung ist die Verwendung eines dreifachen Verbundwerkstoffs zur Bereitstellung einer Grenzschicht zwischen einem Basisträgermaterial mit hohem Magnesiumgehalt und der äußeren Verbundschicht. Es ist bekannt, dass eine solche Struktur bei Finspong Heat Transfer AB in Schweden gelötet wird. Diese Struktur schränkt den Gehalt an hochfestem Material in der Rohrlegierung durch die in der Rohrproduktion verwendeten Mindestdicken ein. Das führt zu einer Rohrlegierung mit minimalen Festigkeitssteigerungen.

Eine zweite vorgeschlagene Struktur ist die Begrenzung des Magnesiumgehalts im für die Fertigung des Wärmetauschers verwendeten Aluminium auf unter 0,3%. Dieser Spurengehalt an Magnesium reagiert nicht mit dem Flussmittel, das dadurch die Aluminiumoxidschicht auf der Komponentenoberfläche zerstören kann, was eine Lötverbindung zwischen den Komponenten zur Fertigung des Wärmetauschers ermöglicht. Bei einer Lötverbindung mit diesem Magnesiumgehalt sind die Festigkeitsmerkmale der Rippe begrenzt. Zur Überwindung dieser Begrenzung wird die Rippe zwecks Erreichung der erforderlichen Festigkeit dicker gefertigt. Ein Nachteil eines solchen Vorschlags ist, dass die Steigerung der Materialdicke zur Erhöhung von Gewicht und Kosten des Wärmetauschers führt.

Mit Blick auf die zuvor beschriebenen Nachteile ist ein Ziel der Erfindung die Bereitstellung eines Wärmetauschers unter Verwendung eines Rippenmaterials, das eine höhere Festigkeit als die in den bekannten CAB-Verfahren verwendeten Rippenmaterialien besitzt.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Beibehaltung der Festigkeit eines Wärmetauschers bei gleichzeitiger Verminderung des Gewichts und der Kosten des Wärmetauschers.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauscherbaugruppe, die ein Rohr mit einer inneren und einer äußeren Fläche enthält. Eine Komponente auf Aluminiumbasis, die aus einem Material auf Aluminiumbasis mit einem Magnesiumgehalt von über 0,3% besteht, ist neben dem Rohr angeordnet, wobei die Komponente auf Aluminiumbasis mit dem Rohr in einem Schutzgashartlötverfahren unter Verwendung eines Hartlötflussmittels verbunden worden ist.

Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fertigung einer Wärmetauscherbaugruppe, welche das Bereitstellen eines Rohres mit einer inneren und einer äußeren Fläche umfasst. Die Komponente auf Aluminiumbasis, die aus einem Material auf Aluminiumbasis mit einem Magnesiumgehalt von über 0,3% besteht, ist neben dem Rohr angeordnet. In einem Schutzgashartlötverfahren wird das Hartlötflussmittel zum Verbinden der Komponente auf Aluminiumbasis mit dem Rohr angewendet.

Jede der vorherigen Ausgestaltungen der Erfindung hat den Vorteil der Bereitstellung eines Wärmetauschers mit einem Rippenmaterial, das eine höhere Festigkeit als die in den bekannten CAB-Verfahren verwendeten Rippenmaterialien besitzt.

Jede der vorherigen Ausgestaltungen der Erfindung hat den Vorteil der Beibehaltung der Festigkeit eines Wärmetauschers bei gleichzeitiger Verminderung des Gewichts und der Kosten des Wärmetauschers.

Die Erfindung sowie die zugehörigen Ziele und Vorteile sind am besten mit Bezug auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu verstehen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Wärmetauscherbaugruppe.
Fig. 2 ist eine Darstellung eines Schnitts entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung von Kreis 3 in Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Wärmetauscherbaugruppe;

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 wird eine Ausgestaltung einer Wärmetauscherbaugruppe 10 entsprechend der Erfindung gezeigt. Die Wärmetauscherbaugruppe 10 ist ein Kondensator für eine Klimaanlage (nicht dargestellt) eines Fahrzeugs, wie z. B. eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt). Die Wärmetauscherbaugruppe 10 kann ein Kondensator, ein Verdampfer, ein Heizerkern, ein Kühler oder ein Getriebeölkühler sein.
Wie in Fig. 2 gezeigt, enthält die Wärmetauscherbaugruppe 10 mindestens ein Rohr von vorzugsweise einer Vielzahl von Rohren 12 oder eine Blechtafel von vorzugsweise einer Vielzahl von Blechtafeln aus Material auf der Basis von Aluminium. Mit "auf der Basis von Aluminium", bezogen auf das nachfolgend erwähnte Rohr 12 und solche Komponenten wie die nachfolgend erwähnten Rippen 22, ist gemeint, dass die Aluminiumlegierung hauptsächlich Aluminium enthält, aber auch mit anderen Metallen, wie Silicium, Kupfer, Magnesium, Zink usw., legiert sein kann. Jedes Rohr 12 erstreckt sich in Längsrichtung und hat einen ovalen Querschnitt. Das aluminiumbasierte Kernmaterial von Rohr 12 wird vorzugsweise aus den Serien 1xxx, 3xxx, 5xxx und 6xxx der Aluminiumlegierungen der Aluminum Association ausgewählt. Das Kernaluminiummaterial kann, was wünschenswert ist, Magnesium enthalten. Vorzugsweise besitzt das Kernmaterial einen Magnesiumgehalt von weniger als 3 Gewichts-%.
Jedes Rohr 12 besitzt eine innere Fläche 14 und eine äußere Fläche 16. Für den Fall, dass die Wärmetauscherbaugruppe 10 ein Kondensator ist, sind die Rohre 12 nicht plattiert, wie in Fig. 3 gezeigt. Für den Fall, dass die Wärmetauscherbaugruppe 10 kein Kondensator, wie z. B. ein Verdampfer, ein Heizerkern, ein Kühler oder ein Getriebeölkühler, ist, sind die innere Fläche 14 und/oder die äußere Fläche 16 mit einer Silicium-Aluminium- Legierung, wie z. B. die Aluminum Association 4343 oder 4045 genannte Plattierung, plattiert, wie in Fig. 4 gezeigt. Es gilt als selbstverständlich, dass die Verbundplattierung 18 durch Walzen von Aluminiumblechen aus verschiedenen Legierungen gefertigt und wie gewünscht auf die Oberflächen 14 und 16 des Rohrs 12 durch im Fachgebiet bekannte Verfahren aufgebracht wird.
Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, enthält die Wärmetauscherbaugruppe 10 mindestens eine aluminiumbasierte neben dem Rohr 12 angeordnete Rippenkomponente, die mit dem Rohr 12 durch 1-Slartlöten verbunden ist. Die Wärmetauscherbaugruppe 10 kann zum Beispiel einen neben der inneren Fläche 14 im Rohr 12 angeordneten Turbulator 20 enthalten. Der Turbulator 20 erstreckt sich wellenförmig längs und quer. Der Turbulator 20 stört den Strom des durch das Rohr 12 fließenden Fluids zwecks Herbeiführung des Wärmeübergangs. In einem anderen Beispiel enthält die Wärmetauscherbaugruppe 10 eine neben der äußeren Fläche 16 des Rohrs 12 angeordnete Rippe 22. Die Rippe 22 erstreckt sich wellenförmig längs und quer. Turbulator 20 und Rippe 22 bestehen aus aluminiumbasiertem Material, wie z. B. den Aluminiumlegierungen 5xxx und 6xxx der Aluminum Association. Bei Verwendung der 5xxx-Aluminiumlegierungen hat die Aluminiumlegierung einen Magnesiumgehalt von 1, 2 bis 2%. Bei Verwendung der 6xxx-Aluminiumlegierungen hat die Aluminiumlegierung einen Magnesiumgehalt von 0,2 bis 1, 2%. Es ist in Erwägung gezogen, dass die Rippe 22 eine Aluminiumlegierung mit einem Magnesiumgehalt im Bereich von 0,4 bis 3% sein kann. Der Turbulator 20 und die Rippe 22 können mit einer Silicium-Aluminium-Verbundplattierung, wie z. B. der Aluminum Association 4343 oder 4045 genannten Plattierung, plattiert sein. Im Allgemeinen jedoch werden solche Plattierungen nicht für den Turbulator 20 und die Rippe 22 verwendet.
Bei der Fertigung der Wärmetauscherbaugruppe 10 werden der Turbulator 20 und die Rippe 22 mit dem Rohr 12 in einem CAB-Ofenhartlötverfahren verbunden. Im CAB- Verfahren wird die Wärmetauscherbaugruppe 10, bei der an mindestens den die Hartlötverbindungsstellen bildenden Bereichen Flussmittel aufgebracht worden ist, auf eine Hartlötofenhaltevorrichtung platziert und auf Temperaturen im Bereich von zum Beispiel etwa 425°F (218°C) bis etwa 474°F (246°C) vorgewärmt. Die Wärmetauscherbaugruppe 10 und die Hartlötofenhaltevorrichtung werden in die Hartlötvorkammer transportiert, wo sie in 3 bis 15 Minuten auf etwa 750°F (400°C) erwärmt werden. Anschließend werden die Wärmetauscherbaugruppe 10 und die Hartlötofenhaltevorrichtung zu einem Förderer transportiert und durch einen CAB-Ofen bewegt, wobei das Innere des CAB-Ofens mit Stickstoffgas gespült wird. Es ist zu beachten, dass das Fördersystem dazu verwendet werden kann, die Wärmetauscherbaugruppe 10 zu einer oder mehreren Stationen zu befördern, um alle oder größtenteils alle der beschriebenen Prozesse durchzuführen.
Im CAB-Ofen wird die Wärmetauscherbaugruppe 10 für 2 bis 3 Minuten auf einer Temperatur von etwa 1095°F (590°C) bis 1130°F (610°C) gehalten. Danach kühlt sich die hartgelötete Wärmetauscherbaugruppe 10 ab, wird ausgespannt und bestimmungsgemäß verwendet. Das Endergebnis des Verfahrens ist die Bildung einer stabilen Verbindung zwischen den Rippen 22 und den Rohren 12, ohne die Dicke der Rippen 22 erhöhen zu müssen. Insbesondere haben die Rippen 22 vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,002" (0,05 mm), die geringer als die Rippendicken in früheren Verfahren ist, die sich im Bereich von 0,003" (0,076 mm) bis 0,004" (0,1 mm) bewegten.
Die vorangegangene Beschreibung ist zur Darstellung der Erfindung und nicht als Eingrenzung gedacht. Es können an der Erfindung zahlreiche Ergänzungen, Substitutionen und andere Änderungen durchgeführt werden, ohne vom Geltungsbereich abzuweichen, der in den beigefügten Patentansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Wärmetauscherbaugruppe, umfassend:
ein Rohr mit einer inneren und einer äußeren Fläche;
eine neben dem Rohr angeordnete Komponente auf Aluminiumbasis, wobei die Komponente auf Aluminiumbasis aus einem Material auf Aluminiumbasis mit einem Magnesiumgehalt von über 0,3% besteht,
wobei die Komponente auf Aluminiumbasis mit dem Rohr in einem Schutzgashartlötverfahren unter Verwendung eines Hartlötflussmittels verbunden worden ist.

2. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Magnesiumgehalt in einem Bereich von etwa 0,3% bis etwa 3% liegt.

3. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 2, wobei der Magnesiumgehalt in einem Bereich von etwa 0,4% bis etwa 3% liegt.

4. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Komponente auf Aluminiumbasis eine neben der äußeren Fläche angeordnete Rippe umfasst.

5. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Komponente auf Aluminiumbasis einen neben der inneren Fläche angeordneten Turbulator umfasst.

6. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Komponente auf Aluminiumbasis eine Aluminiumlegierung der 5xxx-Serie der Aluminum Association umfasst.

7. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Komponente auf Aluminiumbasis eine Aluminiumlegierung der 6xxx-Serie der Aluminum Association umfasst.

8. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 4, außerdem umfassend:
eine auf der äußeren Fläche aufgebrachte Plattierung, wobei sich die Plattierung zwischen der Rippe und der äußeren Fläche des Rohrs befindet.

9. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 5, außerdem umfassend:
eine auf der inneren Fläche aufgebrachte Plattierung, wobei sich die Plattierung zwischen dem Turbulator und der inneren Fläche des Rohrs befindet.

10. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 8, wobei die Plattierung eine Silicium- Aluminium-Verbundplattierung umfasst.

11. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 9, wobei die Planierung eine Silicium- Aluminium-Verbundplattierung umfasst.

12. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Rohr ein zweites Material auf Aluminiumbasis umfasst.

13. Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 12, wobei das zweite Material auf Aluminiumbasis hauptsächlich Aluminium umfasst und mit einem aus der aus Silicium, Kupfer, Magnesium und Zink bestehenden Gruppe gewählten Metall legiert ist.