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Technologiefeld
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Anordnung eines Verbindungsstücks für den Eintritt der ersten Phase und den Austritt der zweiten Phase eines Wärmetauschers, wie etwa des Verdampfers oder Kondensators eines Klimakreislaufs oder eines Gaskühlers. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verbindungsstück für einen sogenannten gelöteten Wärmetauscher, d.h. einen aus einer Aluminiumlegierung gefertigten und dann zusammengelöteten Tauscher. Derartige Tauscher finden vor allem in Kraftfahrzeugen Verwendung, insbesondere als Verdampfer des Klimakreislaufs.
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Stand der Technik
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Wärmetauscher umfassen in der Regel eine Baugruppe aus Rohren oder Platten für den Wärmeaustausch zwischen einem ersten Medium, etwa einem Kühlmittel, das in ersten Kanälen der Baugruppe aus Rohren oder Platten zirkuliert, und einem zweiten Medium, etwa einem Luftstrom, der z.B. durch zweite Kanäle der Baugruppe aus Rohren oder Platten strömt.
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Die ersten Kanäle für das erste Medium, wie etwa Kühlmittel, müssen daher mit dem ersten Medium gespeist werden. Zu diesem Zweck können Wärmetauscher eine oder mehrere Öffnungen für das Medium aufweisen, die mit einer Verbindungsvorrichtung oder einem Verbindungsstück verbunden sind, die bzw. das das sogenannte Buchsenteil zum Verbinden des sogenannten Steckerteils des ersten Kreislaufs für das Medium bereitstellt. In bekannter Weise ist das Buchsenteil oder die Schnittstelle an einer Metallkomponente des Tauschers in Form eines Verbindungsstücks ausgebildet, das die Grundform eines Blocks mit Öffnungen aufweist, und ist dazu geeignet, ein komplementäres Steckerteil aufzunehmen, wie etwa ein Rohr, das mit dem ersten Kreislauf für das Medium verbunden ist.
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Derartige Verbindungsstücke, auch bekannt als Schnittstellen des Tauscherkörpers oder Verbindungsvorrichtungen, dienen dem Einlass und Abführen eines gasförmigen und manchmal flüssigen ersten Mediums zu bzw. aus einem Tauscher und werden auf verschiedene Weisen hergestellt.
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Wärmetauscher können ein Verbindungsstück aufweisen, das unterhalb des oberen Verteilerteils des Tauschers parallel zur Endplatte des Tauschers liegt. Das Verbindungsstück ist mit Öffnungen versehen, die mit dem Hauptteil des Tauschers verbunden sind. Ein entsprechendes Kontaktteil ist gegenwärtig auf der einen Seite des Kopfes des Tauschers mit einer komplementären zusammenhängenden Form und auf der anderen Seite für das Anschließen von Rohren ausgeführt. Das Rohr wird in das Verbindungsstück eingeführt und kann anschließend gelötet werden. Dieses Verbindungsstück wird von unten mit Presspassung am Hauptteil des Tauschers angebracht oder darauf aufgenommen, und die beiden Teile werden nach dem Löten an den Kontaktflächen zwischen dem Verbindungsstück und dem Kopf des Tauschers zusammengefügt. Das Verbindungsstück ist in der Regel auch mit einer Buchse (oder einer hohlen Hülle) oder mit Buchsen versehen, die mit Presspassung am Verbindungsstück angebracht sind, wobei wiederum eine Verbindung durch Löten an den Kontaktflächen hergestellt wird, wobei die Anordnung des Verbindungsstücks nun für die Befestigung von Rohren bereit ist. Das Medium wird durch einen kreisförmigen Querschnitt im Verbindungsstück zum und vom Wärmetauscher weg geführt.
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Dennoch hat sich bei dieser Art Presspassung unterhalb des oberen Kopfes, bei der das Verbindungsstück und der Kopf einen Verbindungswinkel von 90° bilden, herausgestellt, dass die Qualität der Verbindungsstelle möglicherweise nicht stabil ist und von der Qualität der Presspassung abhängig ist, so dass während des Lötprozesses kein ausreichender Kontakt zwischen den zusammengefügten Teilen aufrechterhalten werden kann.
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Eine weitere Verbindungsvorrichtung oder ein anderes Verbindungsstück für den direkten Anschluss von Rohren ist aus dem Dokument
EP 2 910 888 bekannt. Die Rohre werden hier auf die Achse des Kopfes des Tauschers, in den sie eingesetzt werden, ausgerichtet. Eine derartige Lösung ist jedoch nicht sehr robust und bietet keine adäquate Festigkeit oder Beständigkeit, die für den Einsatz von Hochdruckmedien wie R744 (CO
2) erforderlich ist.
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Weiterhin wurde für ein direkt mit Presspassung in die Achse über oder in den oberen Hauptteil des Tauschers angebrachtes Verbindungsstück festgestellt, dass die Qualität der Verbindungsstelle möglicherweise auch nicht stabil und von der Anzahl der zusammengefügten Teile abhängig ist, wobei es beim Zusammenlöten von drei oder mehr Komponenten notwendig ist, deren korrekte Materialdefinition, die Vorbereitung und insbesondere die Dicke der einzelnen zusammengefügten Materialien und deren notwendige Fertigungsgenauigkeit bei den einzelnen Komponenten zu gewährleisten, die für die Gesamtverbindung in Abhängigkeit von der Anzahl der zusammengefügten Teile zunimmt, so dass durch die Fertigungsprozesstoleranz des in die Verbindung eintretenden Teils Einschränkungen bestehen können.
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Eine weitere Option ist eine Buchse, die direkt auf das Verbindungsstück gepresst ist, wobei dadurch die schmelzbare Al+Si-Schicht an der Buchse jedoch beschädigt und geschwächt wird, was die Qualität des Lötens beeinträchtigt und das Auftreten von Porosität und Leckagen erhöht.
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Die bekannten Lösungen sind auch häufig zu sperrig und manchmal materialintensiv. Darüber hinaus müssen die Verbindungsstücke minimale Druckverluste für das vom Verbindungsstück geführte Medium erreichen, und bei Öffnungen im Verbindungsstück mit zylindrischer Bohrung, mit einem kreisförmigen Übergang zum Kopf des Tauschers, kann dies zu erhöhten Druckverlusten führen.
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Wesen der Erfindung
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Ziel der Erfindung ist es, optimale Bedingungen für die Verbindung eines Verbindungsstücks und des Kopfes eines Tauscherkörpers sowie einer Buchse an einem Verbindungsstück zu schaffen, um eine enge und mechanisch stabile Verbindung zu gewährleisten, und zwar mit kompakten Abmessungen und geringem Materialverbrauch sowie guter Druckfestigkeit und geringstmöglichen Druckverlusten beim Durchgang des ersten Mediums durch das erfindungsgemäße Verbindungsstück, wodurch der Wirkungsgrad des Tauschers erhöht wird.
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Mit einer Anordnung eines Verbindungsstücks für den Eintritt einer ersten Phase und den Austritt einer zweiten Phase aus dem Kopf eines Tauschers werden diese Ziele erreicht und die vorgenannten Nachteile beseitigt, wobei das Verbindungsstück die Grundform eines Blocks mit mindestens zwei Armen hat, die in Verlängerung seiner beiden gegenüberliegenden Wände hervorstehen, wodurch es über seine zwischen den mindestens zwei hervorstehenden Armen liegende Wand mit dem Kopf des Tauschers verbunden ist und seine hervorstehenden Arme auf ihrer gesamten Länge am Kopf des Tauschers sitzen, so dass sie das Verbindungsstück in einer am Kopf des Tauschers befestigten Position halten. Der Kopf eines Tauschers wird manchmal auch als „Kessel“ bezeichnet. Im Körper des Verbindungsstücks sind Öffnungen zum Einbringen der ersten Phase und Öffnungen zum Abführen der zweiten Phase ausgebildet. Das Verbindungsstück und der Kopf des Tauschers bestehen aus einer Aluminiumlegierung, und die an den Kopf des Tauschers angrenzenden Flächen des Verbindungsstücks sind durch Löten daran angefügt.
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Bei dieser Anordnung werden nur zwei Oberflächen des Verbindungsstücks und des Kopfes des Tauschers verbunden oder gelötet, was in Bezug auf das Löten die einfachste Lösung für die Koordination von nur zwei Toleranzbereichen - denjenigen der beiden Komponenten - ist. Das Halten der Arme durch den Kopf des Tauschers vor und während des Lötens trägt zur Qualität und Präzision der Verbindung zwischen dem Verbindungsstück und dem Kopf des Tauschers bei und bewirkt eine feste mechanische Befestigung der beiden Teile und einen festen Kontakt zwischen den beiden gelöteten Oberflächen.
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Der Wärmetauscher kann ein Verdampfer sein, wobei die erste Phase flüssig und die zweite Phase gasförmig ist (die flüssige Phase kann am Einlass bereits geringe Mengen der Gasphase enthalten). Bei dem Wärmetauscher kann es sich jedoch auch z.B. um einen Kondensator handeln, wobei die erste Phase gasförmig und die zweite Phase flüssig ist (die Gasphase kann am Einlass bereits geringe Mengen an flüssiger Phase enthalten).
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Gegenstand der Erfindung ist daher insbesondere eine Anordnung eines Verbindungsstücks für den Eintritt einer ersten, flüssigen Phase und den Austritt einer zweiten, gasförmigen Phase aus dem oberen Kopf eines Verdampfers oder für den Eintritt einer ersten, gasförmigen Phase und den Austritt einer zweiten, üblicherweise flüssigen Phase aus dem unteren Kopf eines Kühlers, im Allgemeinen eines Kondensators, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück die Grundform eines Blocks mit mindestens zwei Armen hat, die in Verlängerung seiner beiden gegenüberliegenden Wände nach oben oder unten hervorstehen, wodurch das Verbindungsstück über seine zwischen den mindestens zwei hervorstehenden Armen angeordnete Wand mit der Unterseite des oberen Kopfes des Verdampfers oder mit der Oberseite des unteren Kopfes des Kühlers verbunden ist und seine hervorstehenden Arme auf ihrer gesamten Länge am oberen Kopf des Verdampfers oder am unteren Kopf des Kühlers sitzen,
wobei das Verbindungsstück Öffnungen zum Einbringen der ersten Phase und Öffnungen zum Abführen der zweiten Phase aufweist,
wobei das Verbindungsstück und der Kopf des Verdampfers oder Kühlers aus einer Aluminiumlegierung bestehen und die Flächen des Verbindungsstücks, die an den Kopf des Verdampfers oder Kühlers angrenzen, über eine Verbindungsstelle daran angefügt sind, die durch eine zusammenhängende und gleichmäßige Schicht aus nichtporösem Material gebildet ist, die durch Löten gebildet ist.
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Der Wärmetauscher kann auch ein gebräuchlicher Gaskühler sein.
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Auch wenn das Verbindungsstück häufiger mit dem oberen Kopf des Wärmetauschers verbunden ist, ist auch eine Ausführungsform möglich, bei der das Verbindungsstück mit dem unteren Kopf des Tauschers verbunden ist. Wie für den Fachmann offensichtlich ist, ist in diesem Fall die Konstruktion spiegelbildlich, d.h. die Arme ragen nach unten und die dazwischen befindliche Seite des Verbindungsstücks ist an der Oberseite des unteren Kopfes des Tauschers befestigt.
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Das Verbindungsstück weist vorteilhafterweise zwei im Wesentlichen quadratische Öffnungen auf, die sich in seiner am Kopf des Tauschers befestigten Wand befinden, während eine kreisförmige Öffnung im Körper des Verbindungsstücks mit jeder quadratischen Öffnung verbunden ist, in der eine Buchse für den Anschluss einer Leitung zum Einbringen der ersten Phase oder zum Abführen der zweiten Phase befestigt ist.
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Typischerweise ist die Buchse aus einer Aluminiumlegierung der Serie AI3xxx und das Verbindungsstück aus einer Aluminiumlegierung der Serie AI6xxx (z.B. Al6061) gefertigt. Für den Lötprozess wird die Buchse in diesem Fall auf ihrer Oberfläche mit einem Flussmittel versehen (Aluminiumlegierung der Serie AI4xxx mit s 10 bis 12% Si), während die Oberfläche des Verbindungsstücks nur mit einem Aktivierungsmittel zum Entfernen der Oxidschicht (Kaliumaluminiumfluorid) versehen wird.
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Die kreisförmigen Öffnungen des Verbindungsstücks weisen vorteilhafterweise stets im ersten Teil ihrer Länge, der am weitesten innerhalb des Verbindungsstücks liegt, eine Bohrung mit kleinerem Durchmesser auf sowie eine Bohrung mit größerem Durchmesser in Auswärtsrichtung des folgenden Abschnitts ihrer Länge, wobei jede Buchse für die Anbringung einer Leitung durch Materialverformung mit einem Formschluss in der kreisförmigen Öffnung des Verbindungsstücks, in ihrem Abschnitt der Bohrung mit kleinerem Durchmesser, befestigt ist, während sie in ihrem Abschnitt der Bohrung mit größerem Durchmesser über eine Verbindung mit dem Verbindungsstück zusammengefügt ist, die aus einer zusammenhängenden und gleichmäßigen Schicht aus nichtporösem Material gebildet ist, die durch Löten gebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung der Verbindungsstückanordnung gewährleistet eine besonders hochwertige Lötverbindung zwischen dem Verbindungsstück selbst und der Buchse.
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Die Differenz zwischen dem Radius der Bohrung mit kleinerem Durchmesser und dem der Bohrung mit größerem Durchmesser beträgt vorteilhafterweise weniger als 0,2 mm, insbesondere weniger als 0,075 bis 0,15 mm.
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Nach dem Einsetzen der Buchse wird dieser Kapillarraum zwischen der Außenseite der Buchse und der Wand der Bohrung mit größerem Durchmesser, der vorteilhafterweise weniger als 0,1 mm, insbesondere zwischen 0,075 und 0,1 mm beträgt, mit Flussmittel gefüllt. Derartige Verhältnisse haben sich als besonders geeignet für die Qualität der Lötverbindung erwiesen.
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Ein vorteilhaftes Verhältnis des Querschnitts der quadratischen Öffnung zum Innenquerschnitt der in der kreisförmigen Öffnung befestigten Buchse liegt zwischen 1,35 und 1,75. Bei Werten dieses Verhältnisses unter 1,35 sind die Druckverluste im Verbindungsstück zu hoch, und der Tauscher hat daher einen geringeren Wirkungsgrad. Werte über 1,75 bieten keinen Mehrwert, da der Druckverlust nicht verringert wird, sondern im Gegenteil ein erhöhtes Risiko einer mechanischen Beschädigung bestehen kann.
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In einer Ausführungsform sind die hervorstehenden Arme des Verbindungsstücks stets in mindestens zwei Zähne unterteilt, die im Wesentlichen im rechten Winkel über die Oberkante des Kopfes gebogen sind, während sie auf ihrer gesamten Länge auf dem Kopf sitzen. Vorteilhafterweise ist das Material der Zähne der Arme an der Stelle der Biegung des Zahnes in einen rechten Winkel ausgedünnt, um einen engen Kontakt auf seiner gesamten Länge zu erreichen, wobei die Ausdünnung vorteilhafterweise durch Entfernen von Material auf der dem Kopf zugewandten Seite erfolgt, die vorteilhafterweise im Querschnitt die Form eines gleichschenkligen Trapezes hat, das im nicht gebogenen Zustand des Zahnes zum Kopf hin aufgeweitet ist.
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Ein weiterer Vorteil der Unterteilung der Arme in mindestens zwei Zähne besteht darin, dass ein Sicherheitselement oder Vorsprung, das bzw. der Teil des Kopfes des Tauschers ist und eine präzise Position am Kopf des Tauschers gewährleistet, in den Spalt zwischen zwei bestimmten Zähnen passen kann.
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Für den Fall, dass der obere Kopf des Tauschers durch eine Baugruppe gebildet ist, die mindestens eine Verteilertafel, eine Abdeckplatte und eine zwischen der Verteilertafel und der Abdeckplatte angeordnete Zwischenplatte umfasst, ist das Verbindungsstück für den Eintritt einer ersten Phase und den Austritt einer zweiten Phase aus dem Kopf eines Tauschers vorteilhafterweise über seine zwischen den mindestens zwei hervorstehenden Armen liegende Wand mit der Unterseite der Verteilertafel verbunden, und seine hervorstehenden Arme sitzen auf ihrer gesamten Länge an der aus der Verteilertafel, der Zwischenplatte und der Abdeckplatte bestehenden Baugruppe.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zwei Köpfen, die einander gegenüberliegen und über eine Gruppe von Wärmeaustauschrohren für den Durchgang eines Mediums zwischen diesen Köpfen zusammengefügt sind, und der eine wie oben definierte Verbindungsstückanordnung aufweist. Dies kann ein Verdampfer eines Klimakreislaufs sein, der einen oberen Verdampferkopf mit einer oberen Rohrplatte und einem Einlass für die flüssige Phase und einem Auslass für die Gasphase, einen unteren Verdampferkopf mit einer unteren Rohrplatte, ein Bündel aus zwei Reihen von flachen Wärmeaustauschrohren, die parallel und in einem Abstand zueinander angeordnet sind und die beiden Köpfe verbinden, und Wärmeaustauschelemente umfasst, die zwischen den flachen Wärmeaustauschrohren angeordnet sind.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird anhand spezifischer beispielhafter Ausführungsformen, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind, weiter erläutert. Darin zeigen:
- 1 a eine Ansicht eines Abschnitts eines zusammengesetzten Tauschers mit angebrachter Verbindungsstückanordnung gemäß der Erfindung,
- 1b eine Ansicht der abgenommenen Verbindungsstückanordnung und des Tauscherkopfes,
- 2 das Verbindungsstück und die Buchse, die voneinander getrennt sind,
- 3a eine Ansicht der Verbindungsstückanordnung im Querschnitt durch eine vertikale Ebene, die durch die Achse der Buchse verläuft,
- 3b einen Ausschnitt aus 3a,
- 4a eine Detailansicht des Verbindungsstücks selbst,
- 4b eine Ansicht des Verbindungsstücks aus 4a mit angebrachter Verteilertafel und teilweise abgeschnitten,
- 4c eine Ansicht des Verbindungsstücks von der Seite mit der kreisförmigen Öffnung,
- 4d eine Draufsicht des Verbindungsstücks,
- 5 einen Ausschnitt des Zahnprofils des Verbindungsstückarms in einer vorteilhaften Ausgestaltung,
- 6a Fotografien eines Abschnitts einer fertigen Lötverbindung zwischen einer Buchse und einem Verbindungsstück aus dem Stand der Technik, die mit einem metallographischen Mikroskop erhalten wurden,
- 6b analoge Fotographien eines Abschnitts einer fertigen Lötverbindung zwischen einer Buchse und einem erfindungsgemäßen Verbindungsstück mit einer Bohrung mit doppeltem Durchmesser,
- 7a eine Gesamtansicht eines Verdampfers mit der erfindungsgemäßen Verbindungsstückanordnung und
- 7b eine Gesamtansicht eines weiteren Tauschers mit der erfindungsgemäßen Verbindungsstückanordnung.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
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Im gesamten vorliegenden Dokument beziehen sich Begriffe, die die Ausrichtung des Tauschers betreffen, wie z.B. oben, unten, vertikal, horizontal usw., auf seine Ausrichtung, wie in den Figuren dargestellt ist, siehe z.B. 7a und 7b. Der Wärmetauscher 1 wird in vielen Anwendungen in genau einer derartigen Ausrichtung angebracht, und die angegebenen Richtungen entsprechen somit der Position eines derartigen Tauschers während seiner Verwendung. In der dargestellten Ausführungsform ist die Höhe des Tauschers seine vertikale Richtung, die Länge seine größte Abmessung (die Richtung von links nach rechts in 7a und 7b) und die Dicke seine dritte und kleinste Abmessung.
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Ein erstes Medium bewegt sich durch den Tauscher 1 und tritt dabei für die erste Phase über den Einlass ein und für die zweite Phase über den Auslass aus diesem aus. Wenn es sich bei dem Tauscher 1 um einen Verdampfer handelt, ist die erste Phase flüssig und die zweite Phase gasförmig (oder auch eine Dampfphase). Die flüssige Phase kann am Einlass bereits geringe Mengen an Gasphase enthalten. Wenn es sich bei dem Tauscher 1 um einen Kondensator handelt, ist die erste Phase gasförmig und die zweite Phase flüssig (die Gasphase kann am Einlass bereits geringe Mengen an flüssiger Phase enthalten).
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Wenn der Tauscher 1 ein gebräuchlicher Gaskühler ist, können die erste und die zweite Phase gasförmig sein.
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Der Tauscher 1 besteht aus zwei Köpfen 2, 3, die einander gegenüberliegen und durch zwei Reihen von Wärmeaustauschrohren 6 miteinander verbunden sind, die durch Rippen - die Wärmeaustauschelemente 7 - miteinander verbunden sind, die dem Wärmeaustausch mit einem anderen Medium, Luft, dienen, welche den Wärmetauscher in Richtung seiner Dicke quer durchströmt.
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Die 1a und 1b zeigen eine Ausführungsform eines Tauschers 1, dessen oberer Kopf 2 durch eine Baugruppe aus einer Verteilertafel 21, einer Zwischenplatte 22 und einer Abdeckplatte 23 gebildet ist, die in einem U-förmigen Profil 20 eingebaut sind. Der untere Kopf 3 ist analog, im Wesentlichen spiegelbildlich durch eine Baugruppe aus einer Verteilertafel 31, einer Zwischenplatte 32 und einer Abdeckplatte 33 gebildet, die in einem umgekehrten U-förmigen Profil 30 eingebaut sind.
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Die Anordnung des Verbindungsstücks gemäß der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist auch so realisiert, dass das Verbindungsstück 4 selbst über seine Wand, die sich zwischen den vorgenannten mindestens zwei hervorstehenden Armen 41, 42 befindet, mit der Unterseite der Verteilertafel 21 verbunden ist, während seine hervorstehenden Arme 41, 42 auf ihrer gesamten Länge an der aus der Verteilertafel 21, der Zwischenplatte 22 und der Abdeckplatte 23 bestehenden Baugruppe sitzen.
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In dem Verbindungsstück 4 selbst sind Buchsen 5 zum Anschließen von Leitungen zum Einbringen der ersten Phase und zum Abführen der zweiten Phase angebracht.
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1b zeigt die gleichen beiden Komponenten (Baugruppe aus Verbindungsstück 4 und Kopf 2), die separat dargestellt sind. Links sind (nicht maßstabgetreu) Leitungen dargestellt, die mit einem Kreislauf mit dem ersten Medium verbunden sind. Unter anderem ist hier die Aufteilung der Arme 41, 42 stets in zwei Zähne gut zu sehen. Diese Zähne sind hier in gebogener Form, in ihrer Position am Endprodukt dargestellt. Diese Zähne sind gerade gerichtet, wenn das Verbindungsstück 4 am Kopf 2 des Tauschers 1 montiert wird, wie z.B. in 2, 4a, 4b, 4c und 5, und erst nach der Montage des Verbindungsstücks 4 am Kopf 2 des Tauschers 1 werden diese Zähne über die Kante des Kopfes 2 gebogen, so dass sie auf ihrer gesamten Länge auf dem Kopf 2 sitzen.
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In den Raum zwischen diesen Zähnen wird ein Vorsprung 99 eingesetzt, der Teil des Kopfes 2 des Tauschers 1 ist und eine genaue Position am Kopf 2 des Tauschers 1 gewährleistet. Diese beiden Elemente (der Raum zwischen den Zähnen der Arme 41, 42 und der Vorsprung 99) stellen Elemente dar, die eine falsche Anbringung einschränken, sogenannte Poka-Yoke-Elemente (ein Begriff, der aus der japanischen Bezeichnung solcher Elemente stammt), d.h. im Allgemeinen Elemente, die bei richtiger Montage mit komplementären Elementen anderer Komponenten zusammenpassen, z.B. mit ihnen bündig abschließen, so dass es praktisch unmöglich ist, die einzelnen Komponenten falsch zusammenzusetzen.
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2 zeigt in der beispielhaften Ausführungsform das Verbindungsstück 4 und beide Buchsen 5 getrennt. In dieser Figur ist auch die Bohrung 451 mit kleinerem Durchmesser im ersten Teil der Länge der kreisförmigen Öffnung 45, der sich am weitesten innerhalb des Verbindungsstücks 4 befindet, zu sehen sowie die Bohrung 452 mit größerem Durchmesser im zweiten Teil der Länge der kreisförmigen Öffnung 45, der sich in Auswärtsrichtung des nächsten Abschnitts der Länge der kreisförmigen Öffnung 45 befindet. Der erste, kleinere Innendurchmesser dient zur Befestigung der Buchse 5 und der andere, größere Durchmesser zur Herstellung einer mechanisch festen und engen Verbindung, die während des Lötprozesses entsteht.
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Die Buchse
5 weist zwei Grundteile auf, einen zylindrischen Teil, der in der runden Öffnung
45 des Verbindungsstücks
4 befestigt oder darin eingepresst ist (und somit zur Zentrierung der Buchse
5 in der Öffnung
45 des Verbindungsstücks
4 dient), und einen zweiten Teil, der im montierten Zustand über den Körper des Verbindungsstücks
4 hinausragt und zur Befestigung einer Leitung zum Zuführen oder Abführen des ersten Mediums dient. Dieser zweite Teil wird durch zwei aufeinanderfolgende konische Teile gebildet. Der erste, innere konische Teil sorgt für einen korrekten Sitz und eine korrekte Zentrierung der Zuführ-/Abführleitung, die an ihrem Ende die gleiche konische Form aufweist, um die Toleranz zu definieren. Der zweite konische Teil stellt einen mit einem Lötring gefüllten Raum bereit, der eine mechanisch feste und enge Verbindung mit dem Rohr bildet. Dieses Thema wird im Dokument
EP 2 910 888 B1 näher erläutert. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn sich der erste, zentrierende konische Teil über eine Länge von h
1 = 3 bis 6 mm erstreckt und mit der Längsachse der Buchse
5 einen Winkel von 2 bis 8 Grad bildet. Bereits eine Länge des zentrierenden konischen Teils von 3 mm mit einer Konizität von bis zu 8 Grad sorgt vollständig für die gewünschte Koaxialität, den gewünschten Sitz und die gewünschte Stabilität des Rohres in der Buchse. Der zweite, äußere konische Teil könnte in Abhängigkeit von den mechanischen Berechnungen für die gegebene Druckanwendung eine Höhe von mindestens 3 mm haben, und der Scheitelwinkel dieses zweiten konischen Teils könnte um mindestens 4 Grad größer sein als der Scheitelwinkel des ersten konischen Teils. Diese Art der konischen Zentrierung einer Leitung und einer Buchse
5 erfolgt mit einer einfachen Endmontage und gewährleistet eine einwandfreie Qualität der Lötverbindung mit optimalem Zugang des Aktivierungsmittels, das aus dem Lötring abgegeben wird und jegliche Porosität beseitigt.
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3a und 3b zeigen die Verbindungsstückanordnung mit angebrachter Buchse 5 in einem Querschnitt durch die vertikale Ebene, die durch die Achse der kreisförmigen Öffnung 45 verläuft (die mit der Achse der Buchse 5 zusammenfällt). Zwischen dem Außendurchmesser der Buchse 5 und der zweiten Bohrung 452 im Verbindungsstück 4 muss idealerweise mit Abmessungen von 0,075 mm bis 0,1 mm ein Kapillarraum (siehe insbesondere 3b) gewährleistet sein, wobei dieser Raum das Ziehen oder Ausziehen der äußeren geschmolzenen AI+Si-Schicht aus der Buchse 5 in den definierten Raum während des Lötvorgangs gewährleistet. Dieser Raum vermeidet Beschädigungen der Oberfläche der Buchse 5 und der Al+Si-Schicht und gewährleistet eine hochwertige, mechanisch feste und enge Verbindung ohne Porosität (6b).
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4a zeigt das Verbindungsstück 4 selbst und lässt die Öffnungen 44 zur Befestigung am Kopf des Tauschers 1, die kreisförmigen Öffnungen 45 zur Montage der Buchsen 5 und die stets in zwei Zähne unterteilten hervorstehenden Arme 41, 42 erkennen, deren Enden nach dem Zusammensetzen des Kopfes des Tauschers mit dem Verbindungsstück 4 im rechten Winkel über die Oberkante des Kopfes 2 gebogen werden, so dass diese Zähne auf ihrer gesamten Länge am Kopf 2 sitzen. Dieser Zustand mit den gebogenen Zähnen ist in 1a und 1b zu sehen.
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Es ist wichtig, den Innendurchgang des Verbindungsstücks zu bilden, der im Wesentlichen durch die quadratische Öffnung 44 und die damit verbundene runde Öffnung 45 begrenzt ist. Diese beiden Öffnungen (Bohrungen) bilden innerhalb des Verbindungsstücks miteinander einen Winkel von 90 Grad. Darüber hinaus stehen die Querschnitte dieser beiden zueinander senkrechten zylindrischen und quadratischen Formen in einem Verhältnis von 1,35 bis 1,75 zueinander, wobei der Querschnitt der quadratischen Öffnung größer ist als der Querschnitt der runden Öffnung.
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4b zeigt teilweise in Schnittansicht einen Ausschnitt der Baugruppe aus dem Verbindungsstück 4 mit der Verteilertafel 21. In dieser Figur ist zu sehen, wie die Öffnungen 44 und 45 miteinander kommunizieren, und auch, wie die Öffnungen 44 mit den entsprechenden Öffnungen der Verteilertafel 21 bündig sind.
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Zum besseren Verständnis ist die Vergrößerung des Querschnitts beim Durchtritt des ersten Mediums vom Versorgungsrohr durch das Verbindungsstück zum Kopf des Tauschers (d.h. die quadratische Öffnung 44 gegenüber dem Innenquerschnitt der Buchse) vorteilhafterweise ungefähr so, dass der quadratische Querschnitt den runden umschließt, wobei immer die gleiche Dicke der Verbindungsstückwand gewährleistet wird, wenn eine minimale Materialkraft gewährleistet werden muss, sei es in Bezug auf die mechanische Festigkeit, die Druckbeständigkeit oder die Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus ist dadurch hinsichtlich der Positionsgenauigkeit und der Einhaltung der Querschnitte in Bezug auf den Kopf 2, 3 des Tauschers die Verwendung größerer Fertigungstoleranzen für das Verbindungsstück 4 und den Kopf 2, 3 des Tauschers möglich.
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4d zeigt eine Draufsicht des Verbindungsstücks 4, d.h. von der Seite mit den quadratischen Öffnungen 44. 4c zeigt eine Ansicht der Vorderseite des Verbindungsstücks 4 mit runden Öffnungen 45. „Von der Seite“ sind hier die Arme 41, 42 oder deren Endzähne zu sehen. Der Ausschnitt des Profils eines Zahns eines Arms des Verbindungsstücks ist in 5 im Querschnitt dargestellt. Vorteilhafterweise entspricht die Länge b der im Wesentlichen ebenen Aussparung ihrer Tiefe a. So können die Tiefe a und die Länge b vorteilhafterweise z.B. ein Maß von ca. 0,5 bis 0,7 mm haben. Die Zähne der Arme 41, 42 sind vorteilhafterweise im Wesentlichen gleich ausgebildet wie die Zähne 201 des U-förmigen Profils 20 des Kopfes 2 des Tauschers.
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6a zeigt mit einem metallographischen Mikroskop aufgenommene Fotografien eines Abschnitts der fertigen Lötverbindung der Buchse mit dem Verbindungsstück, die an einem Tauscher nach dem Stand der Technik erhalten wurde. Es ist hier eine relativ große Porosität einer solchen Verbindung über die gesamte Länge der Verbindung zwischen Buchse und Verbindungsstück zu sehen.
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6b hingegen zeigt Fotographien eines Abschnitts einer fertigen Lötverbindung zwischen einer Buchse 5 und einem Verbindungsstück 4 gemäß dieser Erfindung. Auf dieser Fotographie aus einem metallographischen Mikroskop ist die Verbindung zwischen der Buchse 5 und dem Verbindungsstück 4 im Bereich der Bohrung 451 mit kleinerem Durchmesser mit der Verbindung nach dem Stand der Technik vergleichbar, doch im verbleibenden Abschnitt dieser Verbindung im Bereich der Bohrung 452 mit größerem Durchmesser gemäß der Erfindung ist eine mit Flussmittel gefüllte Spalte erkennbar, und die Verbindung in diesem Bereich weist eine wesentlich geringere Porosität auf als beim Stand der Technik.
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Der Tauscher 1 in der in 7a gezeigten Gesamtansicht ist ein Verdampfer eines Klimakreislaufs, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. In dieser Zeichnung sind die Wärmeaustauschelemente 7 nur auf der linken Seite dargestellt, um die zwischen den beiden Köpfen 2, 3 des Tauschers 1 führenden Wärmeaustauschrohre 6 besser zu sehen. Aus der Sicht des Durchtritts des ersten Mediums durch den Tauscher ist 7a ein Tauscher mit sechs Abschnitten (siehe die Aufteilung der Wölbungen der Abdeckplatte 23 des oberen Kopfes 2). Diese Abschnitte sind stets durch mehrere benachbarte Wärmeaustauschrohre 6 einer Reihe gebildet, in denen das Kühlmittel in die gleiche Richtung von einem Kopf 2 oder 3 zum anderen Kopf 3 bzw. 2 fließt. Die Bewegung des Kühlmittels durch einen derartigen Tauscher ist wie folgt: von dem ersten Kopf (dem oberen Kopf 2 in der gezeigten Ausführungsform) wird es über den ersten Abschnitt auf der Einlassseite (d.h. auf der Seite mit der ersten Reihe von Wärmeaustauschrohren 6) zum anderen Kopf (dem unteren Kopf 3 in der gezeigten Ausführungsform), über den zweiten Abschnitt zum ersten Kopf, über den dritten Abschnitt zum zweiten Kopf, in dem sich das Kühlmittel über den Wärmetauscher (sog. Bypassabschnitt) zur Seite mit der zweiten Reihe von Wärmeaustauschrohren 6 (d.h. auf der Auslassseite) bewegt, und zurück über den vierten Abschnitt zum ersten Kopf, über den fünften Abschnitt zum zweiten Kopf und über den sechsten Abschnitt zum ersten Kopf und zum Auslass mitgenommen.
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7b zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Tauschers 1 gemäß der Erfindung, nämlich einen Gaskühler, einen sogenannten inneren Gaskühler. In diesem Fall handelt es sich um einen Tauscher mit nur zwei Abschnitten: gekühltes Gas bewegt sich durch alle Wärmeaustauschrohre 6 der Reihe der Wärmeaustauschrohre 6 auf der Einlassseite von dem oberen Kopf 2 zum unteren Kopf 3, in dem sich das gekühlte Gas als Ganzes über den Wärmetauscher bewegt (wobei der gesamte untere Kopf 3 einen Bypassabschnitt bildet), und dann durch alle Wärmeaustauschrohre 6 der zweiten Reihe der Wärmeaustauschrohre 6 auf der Auslassseite von dem unteren Kopf 3 zum oberen Kopf 2 und zum Auslass des ersten Mediums aus dem Tauscher 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2910888 [0007]
- EP 2910888 B1 [0039]
