DE202006005013U1 - Wärmetauscherprofil - Google Patents

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Abstract

Wärmetauscherprofil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere für Hochdruckklimatisierungskomponenten, bestehend aus einem einstückig stranggepressten Verbundprofil (10) mit mindestens zwei Flachrohren (12, 13) gleicher oder unterschiedlicher Außen- und Innengeometrie, die jeweils über einen Steg (14) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Verbundprofils (10) der Steg (14) jeweils unmittelbar benachbart zur Seitenwand (11) des Flachrohres (12) und des Flachrohres (13) eine Einengung (15) aufweist, wobei die Einengung (15) eine Dicke w1 aufweist, die sowohl geringer als die Dicke w3 des Steges (14) als auch geringer als die Dicke w2 der Seitenwand (11) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherprofil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere für einen CO2-Verdampfer, sowie einen Verdampfer mit einem solchen Wärmetauscherprofil. Derartige Verdampfer finden breite Anwendung bei Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen.
  • Eine Klimaanlage besitzt im Allgemeinen einen Verdichter, einen Verflüssiger, eine Expansionsvorrichtung und einen Verdampfer, wobei diese Bestandteile üblicherweise nacheinander angeordnet und über fluidleitende Rohre zu einem Kreislauf miteinander verbunden sind. Bei bisherigen Kraftfahrzeugklimatisierungsanlagen hatten sich Kältemittel, wie R134a, bewährt. Diese Kältemittel sind wegen ihrer FCKW-Bestandteile jedoch umweltschädlich und sollen durch weniger problematische Kältemittel ersetzt werden. Ein alternatives Fluid für den Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage ist beispielsweise Kohlendioxid (CO2). Dieses Kohlendioxid stellt an eine Klimatisierungsanlage jedoch höhere Anforderungen, da ein höherer Betriebsdruck erforderlich ist und damit die einzelnen Bestandteile der Anlage auf höhere Berstdrücke ausgelegt werden müssen.
  • Ein bekannter Flachrohrverdampfer gemäß DE 10 2005 004 284 A1 umfasst einen Sammelkasten, der in Längsrichtung wenigstens in zwei Kammern unterteilt ist und in dessen Boden die Enden der einzelnen Flachrohre eingeführt sind. Zwischen den einzelnen Flachrohren sind Lamellen angeordnet, so dass ein guter Wärmeaustausch zwischen dem durch den Verdampfer fließenden Kältemittel und einem außenseitig des Verdampfers strömenden Fluid erfolgen kann. Nachteilig bei einer solchen Anordnung ist, dass jedes Flachrohr einzeln in eine vorgesehene Öffnung im Boden des Sammelkastens eingeführt, positioniert und mit dem Sammelkasten verbunden werden muss.
  • Ein geringerer Zeitaufwand bei der Montage des Verdampfers wird bei der Verwendung von Verbundprofilen erzielt. Das Dokument DE 101 50 213 A1 offenbart ein solches stranggepresstes Verbundprofil aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung. Dieses Verbundprofil weist zwei nebeneinander angeordnete Flachrohre auf, die in Längsrichtung des Verbundprofils an ihren Schmalseiten über Stege miteinander verbunden sind. In diesem Steg können zum besseren Wärmeaustausch Ausstanzungen vorgenommen werden. Um die zwei zu dem Verbundprofil gehörenden Flachrohre gleichzeitig in vorgesehene Öffnungen eines Sammelkastens einführen zu können, wird endseitig dieser Steg entfernt. Dieses bereichsweise Heraustrennen des Steges an den Enden des Verbundprofils muss sehr präzise erfolgen. Zum einen darf nicht unnötig viel Material am Radius der Flachprofile verbleiben, denn dieses Material muss vor Einführung der Flachprofile in den Sammelkasten entfernt werden, da die Größe der Öffnungen im Sammlerprofil an die Größe der Flachprofile angepasst ist. Eine solche Gratentfernung birgt das Risiko, dass sich das Flachprofil während dieser Bearbeitung verbiegt und seine Geometrie verändert. Auch dies verhindert ein unproblematisches Einführen der Flachrohre in die vorgesehenen Öffnungen. Wird andererseits beim Heraustrennen des Steges zuviel Material entfernt, führt dies zu einer Wandstärkenschwächung des Flachrohres und damit bei den hohen Betriebsdrücken eines CO2-Verdampfers zu einem erhöhten Berstrisiko.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Wärmetauscherprofil zur Verfügung zu stellen, das auf einfache Weise hergestellt werden kann und den hohen Anforderungen eines CO2-Verdampfers genügt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Wärmetauscherprofil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieses Wärmetauscherprofil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wird, wie das bekannte einstückig stranggepresste Verbundprofil, mit mindestens zwei Flachrohren, die an ihren Schmalseiten über einen Steg miteinander verbunden sind, hergestellt. Diese zwei Flachrohre können gleiche oder unterschiedliche Außen- und Innengeometrien aufweisen, vorzugsweise werden Flachrohre mit gleicher Höhe verwendet. Die Flachrohre sind in Längsrichtung des Verbundprofils über einen verhältnismäßig dicken Steg miteinander verbunden. Dieser Steg wird vorzugsweise mit geringer Breite vorgesehen. An der Verbindungsstelle zwischen Steg und Flachrohr ist die Wanddicke des Steges durch eine einseitig oder beidseitige Einengung, beispielsweise eine Kerbe, reduziert. Die Wanddicke ist an dieser Stelle der Einengung damit geringer als die Wanddicke des Steges und sie ist auch geringer als die Wanddicke des benachbarten Flachrohres.
  • Ein Verbundprofil lässt sich auf einfache Weise durch Strangpressen herstellen und auf die vorgesehene Länge der Verdampferprofile ablängen. Ein solches Verbundprofil kann Flachrohre mit einem oder mehreren durchlaufenden Kanälen aufweisen, wobei vorzugsweise die Kanäle durch senkrecht zu den Breitseiten der Flachrohre anordnete Kanalwände gebildet werden. Die Größe und Anzahl der Kanäle für die zu einem Verbundprofil gehörenden Flachrohre kann gleich oder unterschiedlich gewählt werden.
  • Das erfindungsgemäße Wärmetauscherprofil kann in vorteilhafter und einfacher Weise für Hochdruckklimatisierungsanlagen, insbesondere für einen CO2-Verdampfer verwendet werden. Dazu wird an den beiden Enden eines Verbundprofils der Steg bereichsweise herausgetrennt, so dass eine Nut entsteht, die ausreichend groß ist, dass die Enden der Flachrohre in vorgesehene Öffnungen des Sammlerprofils eingeführt werden können. Dies bedeutet, dass der Steg in einer Länge entfernt wird, die mindestens der Einstecktiefe der Flachrohre im Sammlerprofil entspricht. Das Heraustrennen des Steges oder eines Teiles des Steges ist einfach aber exakt möglich, da die Einengungen des Steges Sollbruchstellen für den Trennvorgang darstellen und damit kein Trennwerkzeug zwischen Steg und Flachrohr angreifen muss, dass die Seitenwand des Flachrohres eventuell beschädigen könnte. Beim Trennvorgang bleibt die Seitenwand des Flachrohres unbeeinflusst und es verbleibt kein Span am Radius dieser Seitenwand. Dadurch kann auch auf eine dem Trennvorgang eventuell nachfolgende Bearbeitung der Trennstellen verzichtet werden. Die Flachrohre behalten ihre Geometrie und können unmittelbar in die Öffnungen des Sammlerprofils eingeführt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung ist das Verbundprofil an seinen äußeren Oberflächen mit einer Lot- und/oder Flussmittelbeschichtung versehen, vorzugsweise an den Breitseiten der Flachrohre, um beim Hartlöten eine gute Verbindung mit den zwischen den Flachrohren angeordneten Lamellen zu erzielen. Des Weiteren kann bei einem Sammlerprofil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auch eine Hartlötverbindung zwischen dem Sammlerprofil und den Flachrohren erreicht werden, wobei vorzugsweise das Hartlöten zwischen den Flachrohren und Lamellen sowie zwischen den Flachrohren und dem Sammlerprofil in einem Produktionsschritt vorgenommen wird.
  • Ein CO2-Verdampfer mit den erfindungsgemäßen Wärmetauscherprofilen lässt sich somit einfach herstellen. Durch die gleichzeitige Montage von zwei Flachrohren und durch die einfache aber präzise Bearbeitung der Enden der Verbundprofile wird Produktionszeit eingespart. Andererseits gibt es weniger Ausschuss bei der Vorbereitung der Verbundprofile für die Montage, nämlich beim bestimmungsgemäßen sauberen, nämlich gratlosen Heraustrennen des Steges.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand von Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines stranggepressten Verbundprofils gemäß Stand der Technik,
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen stranggepressten Wärmetauscherprofils,
  • 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht aus dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherprofil gemäß 2,
  • 4 einen Ausschnitt eines Verdampfers.
  • In 1 ist ein bekanntes stranggepresstes Verbundprofil 1 gezeigt. Das Verbundprofil ist vorzugsweise aus Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt. Dieses einstückig stranggepresste Verbundprofil 1 besteht aus zwei Flachrohren 2, 3, in diesem Fall mit gleicher Außen- und Innengeometrie. Die Flachrohre 2, 3 sind nebeneinander angeordnet und an ihrer einen Schmalseite über einen Steg 4 miteinander verbunden. Ein solches Verbundprofil 1 wird durch Strangpressen erhalten, wobei der aus der Strangpresse austretende Strang einer Trennvorrichtung zugeführt wird, wo der Profilstrang in gewünschte Längen des Verbundprofils 1 geteilt wird. Zum Einführen der Enden der Flachrohre 2, 3 in ein Sammlerprofil ist am Ende des jeweiligen Verbundprofils 1 der Steg 4 bereichsweise herauszutrennen, so dass eine Nut 7 endseitig zwischen den Flachrohre 2 und 3 entsteht. In der 1 ist die gewünschte Trennungsnaht 5 für eine solche Nut 7 in gestrichelter Linie eingezeichnet. Die Trennung wird mit einem Stanz- oder Schneidwerkzeug erzielt. Wichtig bei diesem Verbundprofil 1 nach dem Stand der Technik ist, dass ein Trennwerkzeug unmittelbar diese Trennungsnaht 5 trifft und der Trennungsschnitt präzise ausgeführt wird. Eine geringfügige Abweichung von der beabsichtigten Trennungsnaht 5 führt zu Nachbearbeitungen oder Ausschussteilen. Wird nämlich der Trennungsschnitt links von der Trennungsnaht 5 durchgeführt, wird die Wandung des Flachprofils 2 geschwächt und damit der anwendbare Druck für dieses Profil 2 verringert, so dass dieses möglicherweise nicht mehr für einen CO2-Verdampfer einsetzbar ist. Übersteigt der tatsächliche Betriebsdruck im Verdampfer nämlich diesen Wert, so kann das Profil bersten. Wird andererseits der Trennungsschnitt rechts von der beabsichtigten Trennungsnaht 5 durchgeführt, so verbleibt ein Rest des Steges am Radius des Fachprofils 2 oder 3, der entfernt werden muss, damit die Stirnseite 8 bzw. 9 des Flachrohres 2 bzw. 3 in die passende Öffnung am Sammlerprofil eingeführt werden kann. Selbst bei einer exakten Ausführung des Trennungsschnittes verbleibt in der Regel ein Grat am Radius des Flachprofils 2 bzw. 3. Dieser Grat muss entfernt werden, da ein CO2-Verdampfer ein sensibles System darstellt, das sehr empfindlich auf Verunreinigungen reagiert. Späne können den Kompressor schädigen oder Ventile bzw. Düsen verstopfen. Die Nachbearbeitung zur Entfernung der Grate kann zu Verbiegungen der Schmalseite der Flachrohre führen.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes stranggepresstes Verbundprofil 10. Dieses ist vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt und besteht aus den Flachrohren 12, 13, in diesem Fall gleicher Außen- und Innengeometrie, nämlich aus vier Kanälen, die durch drei Kanalwände 16 gebildet sind. Die Flachrohre 12, 13 sind nebeneinander angeordnet und an ihrer Schmalseite über einen Steg 14 miteinander verbunden. Der Steg 14 besitzt an der Verbindungsstelle zu den Flachrohren 12 und 13, also unmittelbar benachbart zu diesen Flachrohren 12, 13 eine Einengung 15. In 2 ist die Einengung 15 durch eine beidseitige Kerbe erzeugt. Diese beidseitigen Kerben verlaufen in gleicher Tiefe in Längsrichtung des Verbundprofils 10. Sie werden bereits beim Strangpressen in dieser Weise erzeugt. Wie besser aus 3 zu ersehen, ist die Dicke w1 der Einengung 15 geringer als die Dicke w3 des Steges 14 und die Dicke w1 der Einengung 15 ist geringer als die Dicke w2 der anliegenden Seitenwandung 11 des Flachrohrs 12. Die Einengung 15 stellt damit eine sogenannte Sollbruchstelle dar und es ist möglich, den Steg 14 gezielt im Bereich der Einengung 15 von dem Flachprofil 12 und auf der anderen Seite im Bereich der Einengung 15 vom Flachprofil 13 abzutrennen. Die Einengung 15 ermöglicht ein spanloses Herauslösen des Steges 14, d.h. ein Abtrennen, das keiner Nachbearbeitung bedarf. Des Weiteren hat das Vorsehen der Einengungen 15 den Vorteil, dass die Breite b des Steges 14 sehr klein gewählt werden kann. Dieser Steg 14 dient als Montagehilfe, nämlich zum Einführen von gleichzeitig zwei Flachrohren 12, 13 in das Sammlerprofil 20, trägt ansonsten jedoch nicht zur Funktionsweise des CO2-Verdampfers bei. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherprofil 10 kann die Breite b des Steges 14 so klein gewählt werden, dass die Breite b der Wanddicke der Trennwand 24 des Sammlers 20 entspricht. In diesem Fall hat der Steg 14 etwa den Querschnitt eines Drahtes. Die Wahl einer so geringen Breite b des Steges 4 ist bei Verbundprofilen 1 nach dem Stand der Technik nicht möglich, da dort zwischen den Flachrohren 2, 3 ausreichend Platz für die Anwendung des Trennwerkzeuges vorhanden sein muß.
  • Das Herauslösen des Steges 14 kann über die gesamte Ausdehnung des Verbundprofils 10 erfolgen, beispielsweise um ein Flachrohr vom Verbundprofil abzutrennen, beispielsweise um ein Verbundprofil mit vier Flachrohren in zwei Verbundprofile mit zwei Flachrohren zu teilen. Der Steg 14 kann jedoch auch bereichsweise herausgetrennt werden, vorzugsweise an den Enden des Verbundprofils 10 und dort in einer Länge, die mindestens der Einstecktiefe t der Flachrohre 12, 13 im Sammlerrohr 20 entspricht.
  • In 4 ist eine Verbindung des Verbundprofils 10 mit einem Sammlerprofil 20 aufgezeigt. Das Sammlerprofil 20 ist in zwei Kammern 22, 23 durch eine Trennwand 24 aufgeteilt. Das Ende 18 des Flachrohres 12 des Verbundprofils 10 ist in einer Einstecktiefe t in die Kammer 22 eingeführt. Gleichzeitig wird das Flachrohr 13 mit seinem Ende 19 in die Kammer 23 eingeführt. Dafür besitzen die Kammern 22, 23 passende Öffnungen 21. Sichtbar ist des Weiteren, dass der die Flachrohre 12, 13 verbindende Steg 14 endseitig herausgenommen ist, so dass eine Nut 17 entsteht, die die Montage des Verbundprofils 10 am Sammelprofil 20 möglich gemacht hat. Zum Verdampfer gehören des Weiteren in 4 nicht gezeigte Lamellen, die oberhalb und unterhalb vom Verbundprofil 10, d.h. von den Flachrohren 12, 13, angeordnet und mit den Flachrohren 12, 13 über eine Hartlotverbindung verbunden sind. Dazu wird das Verbundprofil 10 vorzugsweise bei der Herstellung mit einer Lot- und Flußmittelbeschichtung versehen. In gleicher Weise wird die Verbindung zwischen dem Verbundprofil 10 und dem Sammlerprofil 20 über eine Hartlotverbindung erzielt, wobei die gute Positionierbarkeit des Verbundprofils 10 im Sammlerprofil 20 eine optimale Verlötung sicherstellt.
  • Ein solcher Verdampfer wird insbesondere für eine Kraftfahrzeugklimaanlage verwendet, wobei die Querschnittsform des Sammlerprofils 20 unabhängig von der Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmetauscherprofile ist, soweit die Öffnungen 21 im Sammlerprofil 20 benachbart zueinander angeordnet und die Querschnitte der Öffnungen 21 und die Querschnitte der Flachrohre 12, 13 aufeinander abgestimmt sind.
    • 1
    Verbundprofil (Stand der Technik)
    2
    Flachrohr (Stand der Technik)
    3
    Flachrohr (Stand der Technik)
    4
    Steg (Stand der Technik)
    5
    Trennungsnaht (Stand der Technik)
    6
    Kanalwand (Stand der Technik)
    7
    Nut (Stand der Technik)
    8
    Stirnseite (Stand der Technik)
    9
    Stirnseite (Stand der Technik)
    10
    Verbundprofil
    11
    Seitenwandung
    12
    Flachrohr
    13
    Flachrohr
    14
    Steg
    15
    Einengung
    16
    Kanalwand
    17
    Nut
    18
    Ende von 12
    19
    Ende von 13
    20
    Sammlerprofil
    21
    Öffnung
    22
    Kammer
    23
    Kammer
    24
    Trennwand
    b
    Breite von 14
    t
    Einstecktiefe
    w1
    Dicke von 15
    w2
    Dicke von 11
    w3
    Dicke von 14

Claims (10)

  1. Wärmetauscherprofil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere für Hochdruckklimatisierungskomponenten, bestehend aus einem einstückig stranggepressten Verbundprofil (10) mit mindestens zwei Flachrohren (12, 13) gleicher oder unterschiedlicher Außen- und Innengeometrie, die jeweils über einen Steg (14) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Verbundprofils (10) der Steg (14) jeweils unmittelbar benachbart zur Seitenwand (11) des Flachrohres (12) und des Flachrohres (13) eine Einengung (15) aufweist, wobei die Einengung (15) eine Dicke w1 aufweist, die sowohl geringer als die Dicke w3 des Steges (14) als auch geringer als die Dicke w2 der Seitenwand (11) ist.
  2. Wärmetauscherprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Einengung (15) durch eine einseitige oder beidseitige in Längsrichtung des Verbundprofils (10) verlaufende Kerbe gebildet ist.
  3. Wärmetauscherprofil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Einengung (15) eine Dicke w1 aufweist, die höchstens der halben Dicke w3 des Steges (14) entspricht.
  4. Wärmetauscherprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steg 14 mit einer minimale Breite b vorgesehen ist.
  5. Wärmetauscherprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (12, 13) mehrere durchlaufende Kanäle bildende Kanalwände (16) aufweisen, wobei die Größe und Anzahl der Kanäle für die Flachrohre (12, 13) gleich oder unterschiedlich ist.
  6. Wärmetauscherprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (14) leicht bereichsweise oder ganz heraustrennbar ist, vorzugsweise bereichsweise, wobei eine Nut (17) entsteht und im Bereich der Nut (17) eine spanlose Trennstelle an der Seitenwand (11) erzielt wird.
  7. Wärmetauscherprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundprofil (10) an seinen äußeren Oberflächen, vorzugsweise an den Breitseiten der Flachrohre (12, 13), mit einer Lot- und/oder Flußmittelbeschichtung versehen ist.
  8. Verdampfer, insbesondere für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, mit wenigstens einem Sammlerprofil (20) und einer Anzahl parallel übereinander angeordneter Verbundprofile (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung durch die jeweiligen Flachrohre (12) bzw. (13) hindurchströmt und wobei die Flachrohre (12, 13) jeweils mit ihren gegenüberliegenden Enden einzeln in Öffnungen (21) unterschiedlicher Kammern (22, 23) eines Sammlerprofils (20) eingeführt sind, wozu an beiden Enden der Verbundprofile (10) der Steg (14) in einer Länge, die mindestens der Einstecktiefe (t) der Flachrohre (12, 13) entspricht, spanlos entfernt ist.
  9. Verdampfer gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Breitseiten der jeweiligen Flachrohre (12, 13) Lamellen vorgesehen sind und eine Verbindung zwischen den Flachrohren (12, 13) und den Lamellen sowie zwischen den Flachrohren (12, 13) und dem jeweiligen Sammlerprofil (20) durch Hartlöten erfolgt.
  10. Verdampfer gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel Kohlendioxid verwendet wird.
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