DE3730117C1 - Verfahren zum Herstellen eines Waermetauschers,insbesondere eines Kraftfahrzeugkuehlers und Rohrprofil zur Verwendung bei einem derartigen Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers, insbesondere eines Kraftfahrzeugkühlers und ein Rohrprofil zur Verwendung bei einem derartigen Verfahren.

Kühler, insbesondere die Wasserkühler für die Brenn­ kraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, werden in Europa bisher zu etwa 20% aus herkömmlichen Messing- und Kupferrohren und zu etwa 80% aus Aluminiumrohren hergestellt.

Die Aluminiumkühler, die aufgrund ihres höheren Wir­ kungsgrades und ihres geringeren Gewichtes gegenüber den Kühlern aus Messing- und Kupferrohren bevorzugt sind, werden in Form von Steckkühlern mit gesteckten Aluminiumrohren oder unter Verwendung von geschweißten Aluminiumrohren herge­ stellt. Der Anteil von Steckkühlern aus Aluminium liegt bei etwa 50%, während der Anteil an Kühlern aus geschweißten Aluminiumrohren bei etwa 30% liegt.

Kühler mit geschweißten Aluminiumrohren werden insbeson­ dere bei Brennkraftmaschinen verwandt, bei denen eine hohe Kühlleistung benötigt wird, was insbesondere bei den Maschi­ nen für Kleinlastkraftwagen und Hochleistungsmaschinen für Personenkraftwagen der Fall ist. Die geschweißten Rohre für derartige Kühler werden dadurch hergestellt, daß Bleche vom Band rundgeformt und in Längsrichtung an einer Seite durch Druckschweißen verschweißt werden. Diese Rohre haben im Gegensatz zu den Rohren für Steckkühler, die ein Rundprofil haben, ein Flachprofil und sind außen mit Silizium beschich­ tet. Diese Siliziumbeschichtung wird bereits beim Walzen der Bleche vor dem Rundformen aufgebracht und dient dazu, die geschweißten Rohre später an den Wassertank und die Kühlla­ mellen des Kühlers löten zu können.

Dieses Löten der geschweißten Flachrohre, die beispiels­ weise aus einer Al Mg Si 0,5- oder einer Al Mn-Legierung bestehen, an den Wassertank und die Kühllamellen aus einem gleichen oder ähnlichen Material erfolgt durch Hartlöten bei einer Temperatur über 450°C, insbesondere bei 607 bis 636°C mit Hilfe eines Flußmittels oder ohne ein Flußmittel unter Vakuum.

Beide Möglichkeiten des Verlötens der geschweißten Rohre mit den Lamellen und dem Wassertank sind mit gravierenden Problemen verbunden. Beim Löten mit einem Flußmittel treten hohe Umweltprobleme auf, da vom Flußmittel Schadstoffe freigesetzt werden, die für Aluminium und Eisenbleche sehr aggressiv sind und somit vom gelöteten Kühler abgewaschen werden müssen, damit dieser nicht korrodiert, und aus der Luft herausgefiltert werden müssen, damit die möglicherweise in der Nähe gepreßten Bleche für die Fahrzeugkarosserien nicht angegriffen werden. Dazu ist eine Luftreinigung nötig, die mit hohen Kosten verbunden ist. Beim Löten ohne Flußmit­ tel treten zwar die genannten Schadstoff-Probleme nicht auf, da dieses Löten jedoch unter Vakuum erfolgen muß und eine extrem genaue Temperaturregelung erforderlich macht, entste­ hen gleichfalls hohe Kosten. Wegen der hohen Temperatur beim Löten unter Vakuum ist darüber hinaus nur eine kurze Verweil­ zeit im Lötofen möglich, so daß sich an der Lötstelle eher ein Punkt- als ein Flächenkontakt ergibt, was die Wärmeleit­ fähigkeit an dieser Stelle beeinträchtigt.

Bei den bisherigen Kühlern mit derartigen geschweißten Flachrohren werden üblicherweise zwei Rohre parallel zuein­ ander angeordnet, die jeweils eine Breite von beispielsweise 22 mm haben. Unter dieser Breite ist das Außenmaß der Rohre in Richtung der größeren Hauptachse des Flachprofils zu verstehen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Kühlwirkungs­ grad mit größerem Außendurchmesser der Rohre zunimmt, so daß vorzugsweise nur ein Flachrohr mit entsprechend größerer Breite vorgesehen werden sollte. Beim Herstellen der Kühler werden jedoch die Flachrohre mit den Lamellen vor dem Verlöten seitlich verschraubt und verpreßt, um einen durchge­ henden, genauen Flächenkontakt zwischen beiden Bauteilen herzustellen, und anschließend in einen Ofen verlötet. Aufgrund des durch das Verpressen am Flachrohr liegenden Druckes und der im Ofen beim Löten herrschenden Temperatur tritt jedoch ein Einsinken der Seitenflächen des Flachprofils im Ofen auf, da das Aluminium weich wird und aufgrund des anliegenden Druckes einsinkt. Dieser Effekt tritt insbeson­ dere aufgrund der Tatsache ein, daß die Aluminiumrohre eine sehr geringe Wandstärke von beispielsweise nur 0,4 mm haben.

Weiterhin wird nach dem Verlöten der Rohre und der Lamellen der in dieser Weise gebildete Kern des Kühlers in das Kühlergehäuse oder in einen Kühlerboden gepaßt, was ohne das Auftreten von Spannungen erfolgen muß. Die dazu erforder­ liche Paßgenauigkeit ist jedoch aufgrund der Verformung der Bauteile beim Löten schwer zu erreichen.

Die Probleme hinsichtlich des Einsinkens der Rohre und der mangelnden Paßgenauigkeit werden noch gravierender, wenn zur Erhöhung des Wirkungsgrades breitere Flachprofilrohre verwandt werden sollen. Dann nimmt aufgrund der o.g. Verfor­ mung der Rohre beim Löten der Ausschuß bei der Herstellung zu, was aufgrund der Siliziumbeschichtung der Rohre zu einem weiteren Problem führt, daß diese Ausschußkühler nicht ohne weiteres zu verschrotten sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers, insbesondere eines Kraftfahrzeugkühlers sowie ein Rohrprofil zur Verwendung bei einem derartigen Verfahren anzugeben bzw. zu schaffen, mit denen Hochleistungskühler aus Aluminium mit hohem Wirkungsgrad hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebene Verfahren sowie das im Kennzeichen des Patentanspruchs 4 angegebene Rohrpro­ fil gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit keine geschweißten Rohre, sondern mit einer Strangpresse oder Conform-Maschine extrudierte Rohrprofile ohne Siliziumbe­ schichtung verwandt, die mit wenigstens einem Steg im Inneren versehen sind, der eine dreifache Funktion hat. Der Steg dient einmal dazu, beim Walzen des Rohrprofiles zur Bildung des Flachprofils dafür zu sorgen, daß die Breitseiten des Flachprofils genau parallel liegen, bewirkt weiterhin eine Versteifung des Rohrprofils zur Stabilität beim Walzen oder Ziehen sowie zur Erzielung einer höheren Formstabilität bei breiten Flachprofilen und stellt einen Turbulator dar, der beim Einsatz, beispielsweise als Wasserkühler, für eine turbulente Strömung des im Inneren der Rohre fließenden Wassers sorgt, was eine geringere Durchflußgeschwindigkeit des Wassers und einen höheren Kühlwirkungsgrad zur Folge hat.

Aufgrund der im Rohrprofil vorgesehenen Stege können somit Rohrprofile mit höherem Außendurchmesser von bis zu 40 mm zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines Kraftfahrzeugkühlers mit hohem Wirkungsgrad verwandt werden.

Besonders bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3.

Wenn insbesondere die Rohrprofile mit einer Zinkbe­ schichtung oder einer Beschichtung mit einer Legierung auf Zinkbasis versehen werden, können sie mit den Kühllamellen bei einer Temperatur von unter 450°C weichgelötet werden, was gegenüber dem Hartlöten bei den bekannten geschweißten Rohren zur Formstabilität der Rohrprofile beiträgt, da bei diesen Temperaturen von Haus aus ein geringeres Einsinken des Aluminiummaterials zu erwarten ist.

Weitere Ausbildungen und Ausgestaltungen des erfindungs­ gemäßen Rohrprofiles sind Gegenstand der Patentansprüche 5 bis 8.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Rohrprofils im extrudierten Zustand in Fig. 1A und im gewalzten Zustand in Fig. 1B,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Rohrprofils im extrudierten Zustand in Fig. 2A und im gewalzten Zustand in Fig. 2B und

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Rohrprofils im extrudierten Zustand in Fig. 3A und im gewalzten Zustand in Fig. 3B.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rohrpro­ fils, das zum Herstellen eines Kraftfahrzeugkühlers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verwandt wird, ist in Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung dargestellt. Das in Fig. lA darge­ stellte Rohrprofil 1 mit ovalem Querschnitt aus einer Aluminiumlegierung, beispielsweise aus Al Mg Si 0,5 oder Al Mn, hat einen ovalen Querschnitt mit einem Außendurchmesser in Richtung der kleineren Hauptachse von beispielsweise 4 bis 6 mm und einem Außenradius an den beiden Außenseiten von 1,2 mm. Im Inneren des Rohrprofils sind zwei Stege 2 geformt, die durchgehend von einer Innenfläche zur anderen quer zur Richtung der großen Hauptachse der ovalen Querschnittsform und in Längsrichtung des Rohrprofils verlaufen. Diese Querstege 2 haben eine Stärke, die etwa gleich der Wandstärke des Rohrprofils 1 ist. Die Querstege sind mit einer vorge­ formten Krümmung in Querichtung versehen. Wie es in Fig. 1B dargestellt ist, dient diese Krümmung dazu, daß die Stege 2 beim Walzen des in Fig. 1A dargestellten Rohrprofils 1 einknicken, so daß sich die in Fig. 1B dargestellten Rundstege 5 ergeben, die das Flachprofil 3 verstärken und beim Durchfließen des zu kühlenden Wassers als Turbulator dienen. Das in Fig. 1B dargestellte Flachprofil kann einen Außendurchmesser in Richtung der kürzeren Hauptachse von 0,2 mm haben, der Außenradius an den beiden Seiten beträgt unverändert 1,2 mm. Das in Fig. 1A dargestellte Ausführungs­ beispiel des erfindungsgemäßen Rohrprofils kann eine derar­ tige Breite, d.h. Außenabmessung in Richtung der größeren Hauptachse haben, das das in Fig. 1B dargestellte Flachpro­ fil entsprechende Außenabmessungen von beispielsweise 32 mm bis zu 40 mm haben kann , ohne daß die Formgenauigkeit und Paßgenauigkeit durch den folgenden Lötvorgang beeinträchtigt wird.

In Fig. 2A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rohrprofils 1 mit einem einzigen Steg 2 im Inneren dargestellt, der an einer Innenseite des Profils angeformt ist. Der Steg 2 hat eine Höhe, die der Höhe des Innenraums des Flachprofils in Fig. 2B nach dem Walzen entspricht. In dieser Weise wird dafür gesorgt, daß die beiden Außenseiten des Flachprofils in Fig. 2B durch die Unterstützung durch den Steg 2 genau parallel verlaufen. Das in Fig. 2A dargestellte Rohrprofil kann beispielsweise eine Außenabmessung in Richtung der kürzeren Hauptachse von 4 bis 6 mm, eine Höhe des Steges 2 von 1,6 mm und eine Wandstärke von 0,4 mm haben.

Daraus ergibt sich nach dem Walzen ein Flachprofil 3, das in Fig. 2B dargestellt ist und eine Außenabmessung in Richtung der kürzeren Hauptachse von 2,4 mm, eine Höhe des Innenraums von 1,6 mm und eine Breite, d.h. eine Außenabmes­ sung in Richtung der größeren Hauptachse von 32 mm hat. Der Außenradius an den beiden Seiten beträgt wiederum 1,2 mm.

In Fig. 3 ist schließlich ein drittes Ausführungsbei­ spiel des erfindungsgemäßen Rohrprofils 1 dargestellt, das zwei Stege 2 aufweist, die im gleichen Abstand zueinander und zu den Seiten des Rohrprofils 1 unter einem bestimmten Winkel an eine Innenseite des Rohrprofils 1 angeformt sind. Dieser Winkel ist so gewählt, daß die Stege 2 im gewalzten Flachpro­ fil 3, das in Fig. 3B dargestellt ist, senkrecht zu den Innenflächen stehen. Wiederum haben die Stege 2 eine Höhe, die der Höhe des Innenraumes des Flachprofils 3 in Fig. 3B entspricht. Die übrigen Abmessungen entsprechen den Abmessun­ gen des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels. Dadurch, daß bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbei­ spiel zwei Stege 2 vorgesehen sind, ergibt sich eine noch höhere Stabilität des Rohrprofils und eine noch stärkere Verwirbelung, d.h. Turbulenz, des im Inneren strömenden zu kühlenden Mediums beim Einsatz als Kühler, so daß noch breitere Rohrprofile verwandt werden können und somit Kraftfahrzeugkühler mit extrem hohem Wirkungsgrad hergestellt werden können, wie sie beispielsweise für die Maschine von Nutzfahrzeugen benötigt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers, insbesondere eines Kraftfahrzeugkühlers, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Rohrprofile mit ovalem Quer­ schnitt aus einer Aluminiumlegierung extrudiert werden, die im Inneren wenigstens einen in Längsrichtung verlaufenden und quer zur größeren Hauptachse der ovalen Querschnittsform liegenden Steg aufweisen, die Rohrprofile auf eine Quer­ schnittsform eines Flachprofils mit zwei parallelen Seiten gewalzt oder gezogen werden und die Rohrprofile mit Kühlla­ mellen verlötet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohrprofile vor dem Verlöten mit den Kühllamellen mit Zink oder einer Legierung auf Zink- Basis beschichtet und anschließend mit den Kühllamellen verlötet werden und die Anordnung aus Rohrprofilen und Kühllamellen in ein Kühlergehäuse gepaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mit Zink beschichteten Rohrpro­ file mit den Kühllamellen bei einer Temperatur unter 450°C weichverlötet werden.

4. Extrudiertes Rohrprofil aus einer Aluminiumlegierung mit ovalem Querschnitt zur Verwendung bei dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Inneren wenigstens ein Steg (2) ausgebildet ist, der in Längsrichtung des Rohrprofiles (1) verläuft und quer zur großen Hauptachse der ovalen Quer­ schnittsform liegt.

5. Rohrprofil nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Steg (2) in der Mitte in Richtung der großen Hauptachse vorgesehen ist.

6. Rohrprofil nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens zwei Stege (2) im gleichen Abstand voneinander und von den Profilenden in Richtung der großen Hauptachse vorgesehen sind.

7. Rohrprofil nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stege (2) durchgehend von einer Innenfläche zur anderen Innenfläche des Rohrprofiles (1) ausgebildet sind und mit einer Krümmung in Querrichtung des Rohrprofil (1) versehen sind.

8. Rohrprofil nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Steg oder die Stege (2) an der einen Innenfläche des Rohrprofiles (1) angeformt ist oder sind und eine Höhe hat oder haben, die gleich der gewünschten Höhe des Innenraumes ist, die das Rohrprofil (1) nach dem Walzen auf ein Flachprofil (3) haben soll.