DE10315929B4

DE10315929B4 - Hochfeste CAB-hartgelötete Wärmetauscher mit hochfesten Rippenmaterialien

Info

Publication number: DE10315929B4
Application number: DE10315929A
Authority: DE
Inventors: Bradley David Ann Arbor Abell; Jeff Scott Ann Arbor Southwood; Timothy van Ypsilanti 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: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-04-02
Also published as: GB0303942D0; US20030183376A1; GB2387136A; US20050067467A1; DE10315929A1

Abstract

Wärmetauscherbaugruppe, umfassend: Wenigstens ein wahlweise plattiertes Rohr (12) mit einer inneren Fläche (14), mit einem daran befestigten, den Fluidstrom störenden Turbulator (20), der aus einer Komponente auf Aluminiumbasis besteht, und mit einer äußeren Fläche (16), wobei eine Anzahl von zueinander abstandsweise parallel angeordneten Rohren (12) über ihre äußere Fläche (16) mittels aus einer Komponente auf Aluminiumbasis bestehenden Rippen (22) in einem Schutzgashartlötverfahren unter Verwendung eines Hartlötflussmittels miteinander verbunden sind, und wobei der Turbulator (20) und die Rippen (22) einen Magnesiumgehalt in einem Bereich von etwa 0,3% bis etwa 3%, vorzugsweise von etwa 0,4% bis etwa 3%, aufweisen.

Description

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.
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 US 5, 771, 962 A 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 Aluminium wärmetauscherkomponenten 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.

Aus der DE 197 13 356 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauscheranordnung bekannt, wobei für den Hartlötprozess unter Schutzgas ein Aluminium-Hartlötflußmittel verwendet wird, das Cäsiumfluorid und Lithiumfluorid in einem Verhältnis von 1:1 bis 3:1 enthält.

Aus der DE 100 61 620 C2 ist eine Wärmetauscherbaugruppe bekannt, bei der unter anderem eine Magnesium aufweisende Aluminiumröhre innen und außen eine auf Aluminium basierende Plattierung mit Magnesium und/oder Lithium enthält, wobei zwischen der Innenoberfläche und der Außenoberfläche der Plattierung eine mit Lithium angereicherte Schicht zur Sauerstoffverdrängung während des Hartlötprozesses angeordnet ist.

Die DE 692 29 813 T2 beschreibt ein Verbundmaterial aus einer Aluminiumlegierung zum Hartlöten, das ein Kernbauteil aus einer Aluminiumlegierung, ein Aluminium-Silizium-Füllmaterialbauteil und ein Plattierungsbauteil aus einer Aluminiumlegierung mit einem Magnesium- und Zinkanteil enthält und eine Dicke von unter 0,3 mm aufweist.

Mit Blick auf die zuvor beschriebenen Nachteile ist ein Aufgabe der Erfindung die Bereitstellung eines Wärmetauschers unter Verwendung eines Rippenmaterials, das eine höhere Festigkeit als die in den bekannten CAB-Verfahren verwendeten Rippenmaterialien besitzt, mit Beibehaltung der Festigkeit eines Wärmetauschers bei gleichzeitiger Verminderung des Gewichts und der Kosten des Wärmetauschers.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauscherbaugruppe, die wenigstens ein Rohr mit einer inneren Fläche mit einem Turbulator auf Aluminiumbasis und eine äußere Fläche enthält, wobei eine Anzahl von zueinander abstandsweise parallel angeordneten Rohren an ihrer jeweiligen äußeren Fläche mittelseiner Komponente von auf Aluminiumbasis bestehenden Rippen in einem Schutzgashartlötverfahren unter Verwendung eines Hartlötflussmittels verbunden sind, wobei der Turbulator und die Rippen einen Magnesiumgehalt in einem Bereich von etwa 0,3% bis 3%, vorzugsweise von etwa 0,4% bis etwa 3%, aufweisen.

Die 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.

Darüber hinaus weist die Erfindung den Vorteil auf 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. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 eine perspektivische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Wärmetauscherbaugruppe
2 eine Darstellung eines Schnitts entlang der Linie 2-2 in 1;
3 eine vergrößerte Darstellung von Kreis 3 in 2;
4 eine Schnittdarstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Wärmetauscherbaugruppe.
In 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 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 ande ren 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 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 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 1 bis 3 gezeigt, enthält die Wärmetauscherbaugruppe 10 mindestens eine aluminiumbasierte neben dem Rohr 12 angeordnete Rippenkomponente, die mit dem Rohr 12 durch Hartlöten 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 be stimmungsgemäß 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

Wärmetauscherbaugruppe, umfassend: Wenigstens ein wahlweise plattiertes Rohr (12) mit einer inneren Fläche (14), mit einem daran befestigten, den Fluidstrom störenden Turbulator (20), der aus einer Komponente auf Aluminiumbasis besteht, und mit einer äußeren Fläche (16), wobei eine Anzahl von zueinander abstandsweise parallel angeordneten Rohren (12) über ihre äußere Fläche (16) mittels aus einer Komponente auf Aluminiumbasis bestehenden Rippen (22) in einem Schutzgashartlötverfahren unter Verwendung eines Hartlötflussmittels miteinander verbunden sind, und wobei der Turbulator (20) und die Rippen (22) einen Magnesiumgehalt in einem Bereich von etwa 0,3% bis etwa 3%, vorzugsweise von etwa 0,4% bis etwa 3%, aufweisen.
Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Turbulator (20) und die Rippen (22) auf Aluminiumbasis eine Aluminiumlegierung der 5xxx-Serie oder der 6xxx-Serie der Aluminum Association aufweisen.
Wärmetauscherbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die innere Fläche (14) und die äußere Fläche (16) des jeweiligen Rohres (12) unplattiert sind oder eine Plattierung (18) aufweisen.
Wärmetauscherbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 – 3, wobei die Plattierung (18) aus einem Silicium-Aluminium-Verbund besteht.
Wärmetauscherbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 – 4, wobei das Rohr (12) bzw. die Rohre (12) aus einem Material auf Aluminiumbasis bestehen und mit einem aus der aus Silicium, Kupfer, Magnesium und Zink bestehenden Gruppe gewählten Metall legiert sind.