DE3813339A1 - Roehrenwaermetauscher und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher, insbesondere zur Motorkühlung und/oder Beheizung des Fahrgastraumes von Kraftfahrzeugen, die mit flüssigkeitgekühlten Verbrennungsmotoren ausgerüstet sind und besonders auf die weitere Verbesserung der Erfindung, wie sie in der deutschen Patentanmeldung 38 03 599 dargestellt ist.

Wie aus den Ansprüchen 1 bis 3 der deutschen Patentanmeldung 38 03 599 hervorgeht, enthält ein Strangpreß-Profil aus Metall, aus dem der Wasserkasten des Wärmetauschers hergestellt wird, an dem den Wärmetauscherrohren zugewendeten Bodenteil eine doppelte Wandung, die einen vom Flüssigkeitsraum abgetrennten Kanal mit einer Höhe von weniger als 5 mm bildet. Diese Doppelwand mit weniger als 5 mm Zwischenraum muß für das Einführen der Wärmetauscherrohre bis in den wasserführenden Raum des Strangpreß-Profils entsprechend dem Rohrquerschnitt gelocht werden, und zwar fluchtend durch beide Einzelwände.

Um diese Lochungen durchführen zu können, müssen beide Bodenwände, wie in dieser Anmeldung beschrieben, abgestützt werden, und zwar durch zwei gelochte Stahleinlagen. Bei eng nebeneinanderliegenden Lochungen für schmale Flachrohre kann es dadurch Schwierigkeiten geben, daß wegen der zur Lochung erforderlichen, mit enger Toleranz im Zwischenraum zwischen den Bodenwänden eingeführten Stahleinlage und der Gratbildung beim Lochen die Stahleinlage beim Herausziehen klemmt.

Aufgabe der Erfindung ist das Herstellen eines Wärmetauschers der eingangs genannten Art zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wasserkasten aus jeweils zwei Strangpreß-Profilen zusammengesetzt ist, die mittels einer formschlüssig ineinandergreifenden Verbindung, insbesondere durch Nut und Feder an den beiden äußeren Schmalseiten und im Bereich zwischen den Bodenwänden und erforderlichenfalls an den Enden von mittigen Zwischenwänden bzw. außermittigen Zwischenwänden zusammengesteckt sind.

Eine Vereinfachung des Lochungsvorganges wird erzielt, wenn der Wasserkasten aus zwei Strangpreß-Profilen zusammgesetzt ist, die mittels einer formschlüssig ineinandergreifenden Verbindung insbesondere Nut und Feder an den beiden äußeren Schmalseiten im Bereich zwischen den Bodenwänden und erforderlichenfalls an den Enden von mittigen bzw. außermittigen Zwischenwänden zusammengesteckt sind, wenn der wasserführende Raum durch Zwischenwände so unterteilt werden muß, daß die Flüssigkeitsströmung in den Rohren zwei-, drei- oder mehrfach zwischen den beiden Wasserkästen hin und hergeleitet wird. Auf diese Weise kann jeder der beiden Bodenwände einzeln gelocht werden, wobei nur im später wasserführenden Raum des Strangpreß-Profils eine Abstützung erforderlich ist. Da diese Abstützung wegen des zur Verfügung stehenden Raumes keine engen Toleranzen zu den inneren Profilwänden haben muß, gibt es keine Schwierigkeiten beim Herausziehen der Abstützung nach dem Lochvorgang.

Nach dem Einbringen des flüssigen Lotes und dessen Abkühlung sind dann die beiden zusammengesteckten Strangpreß-Profil-Teile fest und dicht miteinander verbunden.

Der durch die beiden zusammengesteckten Profil-Teile gebildete, in seiner Längsrichtung verlaufende Kanal, der eine geringe Höhe, vorzugsweise weniger als 5 mm aufweist und sich mindestens über die Breite des wasserführenden Teiles des einen Profils erstreckt, ist fast vollständig mit Lot gefüllt. Es muß nur noch ein kleiner Rest Lost nachgefüllt werden.

Die hier vorgeschlagene, verbesserte Art und Weise der Lochung der Bodenwände erlaubt es auch, verhältnismäßig schmale, ebenfalls als Strangpreß-Profil ausgebildete Flachrohre einzusetzen, die unterschiedliche Querschnittsformen haben können, wie gewinkelt oder gebogen. Solche Rohrformen erlauben die Herstellung von Wärmetauschern der hier angesprochenen Art, die ausschließlich Flachrohre haben, also ausschließlich primäre Wärmetauschflächen aufweisen. Zur Erhöhung der Stabilität der flachen Rohrseitenwände und auch zur Verbesserung des Wärmetransports aus dem Rohrinneren an die Außenwände, können die Flachrohre in bekannter Weise mit Zwischenstegen versehen werden. Bei ausschließlicher Verwendung von Flachrohren, ohne Verwendung sekundärer Wärmetauschflächen, beträgt der Abstand zwischen den Flachrohren vorzugsweise weniger als 4 mm. Die Außenwände eines solchen Flachrohres erhalten beim Strangpreß-Vorgang angeformte, im Querschnitt buckelartige Elemente, um eine turbulente Luftströmung zwischen den Rohren zu erzeugen.

Für diese Wärmetauscher wird ein Lot verwendet, das im mittleren Temperaturbereich zwischen 250 und 450 Grad schmilzt, vorzugsweise hier mit einer Zusammensetzung von 90 bis 95-Vol. % Zink, 5 bis 10 Vol.-% Aluminium.

Um bei Wärmetauschern mit eng nebeneinanderliegenden Rohren, wie sie mit dem verbesserten Lochungsverfahren problemlos hergestellt werden können, beim Einbringen von geschmolzenem Lot von unten nach oben (vgl. Patentanmeldung 38 03 599) die Gefahr von Lunkerbildung durch nicht schnell genug abgehende Luft zu vermeiden, kann das Lot auch zu dünnen Platten gegossen sein, die, entsprechend der Größe des Lotkanals zugeschnitten und gelocht, als Einzelplatte entsprechender Dicke oder als Schicht aus mehreren übereinandergelegten dünneren Platten in den Zwischenraum zwischen den beiden Bodenwänden geschoben werden, ehe die Rohre durch die Lochungen hindurch eingesteckt werden.

Vorher wird jedoch eine Stirnseite des Strangpreß-Profils, vorzugsweise durch Laserschweißung, verschlossen.

Ingesamt sind nun zur Herstellung eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung folgende Verfahrensschritte erforderlich:

• - Die beiden unterschiedlichen Strangpreß-Profil-Teile werden entsprechend dem Rohrquerschnitt gelocht.
• - Die beiden Profile werden mit den Kanten, die Nut und Feder ähnlich ausgebildet sind, derart zusammengesteckt, daß die Lochungen nach dem vollständigen Zusammenstecken in den beiden Bodenwänden fluchtend zueinander angeordnet sind.
• - Eine Stirnseite des Wasserkasten-Profils wird mit einer ein- oder zweiteiligen Seitenwand verschlossen, vorzugsweise mittels Laserschweißung.
• - Das aus einer oder mehreren Platten bestehende Lot wird für den Lotkanal passend zugeschnitten, gelocht und in den oder die Lotkanäle eingeschoben.
• - Um einen möglichst einfachen Lochquerschnitt für das Lochen der Rohre zu erhalten, werden die angeformten Elemente an den Rohren zur Erzeugung einer turbulenten Luftströmung durch einen maschinell durchgeführten Schabevorgang bis auf die vorgesehene Einstecklänge entfernt.
• - Die Wärmetauscherrohre werden durch die Bodenplatten und die Lotplatte hindurch bis in den wasserführenden Teil des Wasserkasten-Profils eingesteckt, wie beim Gegenstand der Patentanmeldung 38 03 599.
• - Die Wärmetauscher werden vor dem Löten einzeln oder zu mehreren so eingespannt, daß der Wasserkasten senkrecht steht und mit der offenen Schmalseite nach oben zeigt. Wenn gewinkelte oder gebogene Rohrquerschnitte verwendet werden, müssen die Rohre dabei so eingesetzt sein, daß die Rohrwinkel oder die Rohrbögen der Profilquerschnitte nach oben offen sind.
• - Die Wärmetauscher werden in einer reduzierenden Atmosphäre oder mittels reduzierender, auf den Wasserkasten gerichteter Brennerflammen auf maximal 450 Grad - je nach Lotzusammensetzung - erhitzt bis zur vollständigen Verflüssigung des Lotes.
• - An dem oben offenen Ende wird zwischen den Bodenwänden noch so viel flüssiges Lot nachgegeben, bis der Lotkanal voll ist.
• - Die bisher offene Seite des Wasserkastens wird nach dem Abkühlen ebenfalls mit Seitenwänden verschlossen.
• - Bei Wärmetauschern mit zwei Wasserkästen werden die vorangegangenen Schritte an beiden Wasserkästen gleichzeitig durchgeführt.
• - Die Anschlüsse für Ein- und Ausgang werden vorzugsweise erst nach dem Löten angebracht, um die Masse der Anschlüsse nicht mit aufwärmen zu müssen.

Die Profile für den Wasserkasten können, ebenso wie die Wärmetauscherrohre, auch aus extrudiertem Kunststoff bestehen, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Polyamid. Derartige Wärmetauscher erzielen eine erhebliche Gewichtsersparnis, was beim Einsatz in Kraftfahrzeugen besonders vorteilhaft ist. Kunststoff-Wärmetauscher gemäß der Erfindung erhalten ausschließlich eng nebeneinander angeordnete Flachprofilrohre ohne sekundäre Wärmetauschflächen. Die Rohrwandstärken liegen vorzugsweise unter 1 mm. Außerdem werden vorzugsweise Flachrohre mit einer gewinkelten oder gebogenen Querschnittsform gewählt, um mehr Stabilität quer zur flachen Rohrseite zu erzielen.

Bei Wärmetauschern mit verhältnismäßig langen Rohren, z.B. bei Motorkühlern, können eine oder mehrere quer zur Rohrerstreckungsrichtung verlaufende kammartige Stützstreben aus Metall zwischen dem oberen und unteren Wasserkasten angeordnet sein, die zu beiden Seiten an metallenen Stützstreben verankert sind, die mit dem oberen und unteren Wasserkasten verbunden sind.

Es ist auch denkbar, daß bei Wärmetauschern mit sehr langen Kunststoff-Wasserkästen Stützschienen aus Metall parallel zu den Wasserkästen angeordnet und mit diesen verbunden sind.

Zur Befestigung und Abdichtung der Kunststoffrohre mit dem Wasserkasten können auf dem Markt vorhandene, geeignete Klebstoffe eingesetzt werden. Ähnliches gilt für das Verschließen der Stirnseiten mittels an sich bekannter Kunststoffschweißverfahren.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele von Wärmetauschern gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt durch einen Wasserkasten aus zwei Strangpreß-Profilen mit einer mittigen Trennwand.

Fig. 2 die Wasserführung in einem Wärmetauscher mit einem Wasserkasten gemäß Fig. 1 mit mittiger Zwischenwand und einem Wasserkasten ohne Zwischenwand.

Fig. 3 die Wasserführung in einem Wärmetauscher, dessen aus zwei Strangpreß-Profilen zusammengesetzte Wasserkästen auf jeder Seite eine außermittige Zwischenwand aufweisen.

Fig. 4 und Fig. 5 die beiden Einzel-Profile für den Wasserkasten von Fig. 1 in bereits gelochtem Zustand.

Fig. 6 ein Flachrohr, das für einen Wasserkasten gemäß den Fig. 1, 4 und 5 vorbereitet ist.

Fig. 7 Flachrohre mit verschiedenen Querschnittsformen.

Fig. 8 ein als Platte geformtes und gelochtes Stück Zink-Aluminium-Lot.

Fig. 9 den Querschnitt eines stranggepreßten oder extrudierten Flachrohres gemäß der Erfindung.

Fig. 10 die Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Wärmetauschers gemäß der Erfindung in der für das Löten erforderlichen Position.

Fig. 11 einen Wärmetauscher mit Wasserkästen und Rohren aus Kunststoff, der mittels metallener Stützstreben stabilisiert ist.

Fig. 12 die teilweise Seitenansicht eines Wärmetauschers gemäß Fig. 11.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Wasserkasten eines Wärmetauschers aus einem Oberteil 1 besteht, das den wasserführenden Raum 3 enthält, der durch eine Zwischenwand 4 a unterteilt ist und aus einem Unterteil 2, das mit dem Oberteil über Nut und Feder ähnliche Elemente 4, 5 nach dem Lochen durch Zusammenschieben verbunden ist.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie die Flüssigkeit im Inneren des Wärmetauschers geführt ist, wenn der Wasserkasten, der die Anschlüsse enthält, durch eine mittige Zwischenwand 4 a, 5 a unterteilt ist, während der gegenüberliegende Wasserkasten keine Zwischenwand aufweist. Hierbei sind die Enden der Zwischenwandteile in den Strangpreß-Profilen 1, 2 ebenfalls durch Nut und Feder ähnliche Elemente 4, 5 verbunden.

In Fig. 3 sind beide Wasserkästen jeweils mit einer außermittigen Zwischenwand 4 b, 5 b versehen, wobei die Anordnung der Zwischenwände so gewählt ist, daß die Flüssigkeit zwischen den Wasserkästen dreimal hin- und hergeführt wird. Beide Wasserkästen sind hierbei im Profilaufbau identisch, Ein- und Ausgang liegen einander gegenüber und die Enden der Zwischenwandteile 4 b, 5 b haben zur Verbindung wieder Nut und Feder ähnliche Elemente 4 und 5. Selbstverständlich sind durch andere Anordnung und Anzahl der Zwischenwände noch weitere Möglichkeiten vorhanden, um die Flüssigkeitsströmung im Inneren des Wärmetauschers anderen Erfordernissen anzupassen.

In den Fig. 4 und 5 sind die beiden Wasserkasten-Profile nach dem Lochen in der Position dargestellt (Teil 1 jedoch ohne Stützeinlage), wie sie zum Lochen erforderlich ist.

Fig. 6 macht ersichtlich, daß ein Flachrohr einen Mittelsteg enthalten und an diesem eingefräst sein muß, wenn es in einen Wasserkasten mit Mittelsteg eingesteckt werden soll.

Wenn lange Flachrohre eng nebeneinander stehend und ohne sekundäre Wärmetauschflächen verwendet werden sollen, können wegen einer gewissen Labilität quer zu den flachen Seiten des Rohres unerwünschte Vibrationen auftreten. In diesem Falle sind Flachrohre mit gewinkelter oder gebogener Querschnittsform, wie in Fig. 7 mit 10, 11 und 12 dargestellt, vorteilhaft. Die Füllung des Raumes 8 zwischen den Bodenwänden 6 und 7, wie es in der Patentanmeldung 38 03 599 beschrieben ist, kann vereinfacht werden, wenn das Zink-Aluminium-Lot in dünne Platten gegossen und bearbeitet, d.h. planiert, zugeschnitten und gelocht wird, so daß es vor dem Einstecken der Rohre in den Raum 8 zwischen den Bodenwänden eingeschoben werden kann. Das Lot kann als Einzelplatte, wie in Fig. 8 gezeigt, oder als Paket von mehreren dünneren Platten vorliegen. Vor dem Einschieben der Lotplatte ist eine Stirnseite der zugesteckten Strangpreß-Profile 1 und 2, wie bereits in der Patentanmeldung 38 03 499, zu verschließen, vergleiche Fig. 10, 13.

Wenn Flachrohre mit geradem 20, gewinkelten 10, 12 oder gebogenem 11 Querschnitt zum Einsatz kommen, ist es vorteilhaft, wenn zur Erzeugung einer turbulenten Luftströmung zwischen den Rohren an diese in Rohrerstreckungsrichtung verlaufende Längswülste 14 beim Strangpreß-Vorgang an die flachen Rohrseiten angeformt werden, wie aus Fig. 6 ersichtlich ist. Die Zwischenräume 17, die in bekannter Weise den offenen Rohrquerschnitt in zahlreiche Kammern unterteilen, dienen der Stabilität und der besseren Wärmeabfuhr nach außen. Die Längswülste 14 werden, von den Stirnseiten der Rohre ausgehend, durch einen maschinellen Schabevorgang soweit entfernt 16, wie die Rohre durch die Bodenwände 6 und 7 hindurch in das zusammengeschobene Wasserkastenprofil eingesteckt werden sollen.

Für den Lötvorgang werden die Wärmetauscher, wie in Fig. 10 dargestellt, derart senkrecht stehend einzeln oder zu mehreren eingespannt, daß das offene Ende 13 a des Wasserkastens oben ist. Bei gewinkelten oder gebogenen Rohrquerschnitten müssen die Winkel oder Bögen der Rohrquerschnitte nach oben offen sein 19, um Lunkerbildung zu vermeiden.

Wenn die Wärmetauscher-Profile aus extrudierten glasfaserverstärkten Polyamiden oder anderen geeigneten Kunststoffen hergestellt sind, so ist es, wie Fig. 11 zeigt, empfehlenswert, den zusammengefügten Wärmetauscher durch Stützstreben 24 zwischen den Enden der Wasserkästen 21 und 22, sowie weitere Stützstreben 23, die sich kammerartig zwischen die Rohre 20 erstrecken und an den Stützstreben 24 befestigt sind, zu stabilisieren. Wenn die Wasserkästen lang sind, sind noch weitere Stützstreben 24 vorgesehen, die mit dem Wasserkasten verbunden sind (Fig. 12). Die Stützstreben sind vorzugsweise aus Metall.

Claims (13)

1. Wärmetauscher, insbesondere zur Motorkühlung und/oder Beheizung des Fahrgastraumes von Kraftfahrzeugen, die mit flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren ausgerüstet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserkasten aus jeweils zwei Strangpreß-Profilen (1) und (2) zusammengesetzt ist, die mittels einer formschlüssig ineinandergreifenden Verbindung, insbesondere durch Nut (4) und Feder (5) an den beiden äußeren Schmalseiten (1 a) und (2 a) im Bereich zwischen den Bodenwänden (6) und (7) und erforderlichenfalls an den Enden von mittigen Zwischenwänden (4 a), (5 a) bzw. außermittigen Zwischenwänden (4 b), (5 b) zusammengesteckt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile (1) und (2) nach dem Zusammenstecken einen in ihrer Längsrichtung verlaufenden Kanal bzw. Kanäle (8) bilden, der/die eine geringe Höhe, vorzugsweise weniger als 4 mm aufweist/aufweisen und mindestens über die Breite des wasserführenden Bereiches (3) reicht/reichen.

3. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Flachrohre mit gewinkeltem (10), (12) oder gebogenem (11) Querschnitt verwendet sind.

4. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein im mittleren Temperaturbereich zwischen 250 und 450 Grad schmelzendes Lot, vorzugsweise mit einer Zusammensetzung von 90 bis 95 Vol.-% Zink und 5 bis 10 Vol.-% Aluminium verwendet ist.

5. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot als feste Platte (14) mit einer dem Rohrquerschnitt entsprechenden Lochung (18) und einer für das Einschieben in den oder die Kanäle (8) passenden Größe hergestellt ist.

6. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwände der Flachrohre im Querschnitt buckelartige Elemente (15) aufweisen, die beim Strangpreß-Vorgang mit angeformt sind.

7. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei ausschließlicher Verwendung von Flachrohren, ohne Verwendung zusätzlicher sekundärer Wärmetausch-Flächen, der Abstand zwischen den Flachrohren weniger als 4 mm beträgt.

8. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Die beiden unterschiedlichen Strangpreß-Profile (1) und (2) werden entsprechend dem Rohrquerschnitt gelocht.
• b) Die beiden Profile (1) und (2) werden mit den Nut und Feder ähnlichen Kanten (4) und (5) in den Bereichen (1 a) und (2 a) derart zusammengeschoben, daß nach dem vollständigen Zusammenschieben die Lochungen in den Bodenwänden (6) und (7) fluchtend zueinander angeordnet sind.
• c) Eine Stirnseite des zusammengeschobenen Wasserkasten-Profils wird mit einer ein- oder zweiteiligen Seitenwand (13) verschlossen, vorzugsweise mittels Laserschweißung.
• d) Das aus einer oder mehreren Platten bestehende, gelochte und passend vorgefertigte Lot (14) wird in den oder die für das Lot vorgesehenen Kanäle (8) eingeschoben.
• e) Die buckelartigen Elemente (15) an den als Strangpreß-Profil ausgebildeten Flachrohren werden durch einen maschinellen Schabevorgang bis auf die vorgesehene Einstecklänge (16) der Rohre entfernt.
• f) Die Wärmetauscherrohre werden durch die Lochungen in den Bodenplatten (6) und (7) und in der Lotplatte (14) hindurch soweit bis in den wasserführenden Bereich (3) des Wasserkasten-Profils eingesteckt, wie beim Gegestand der deutschen Patentanmeldung 38 03 499.
• g) Der Wärmetauscher wird vor dem Löten einzeln oder zu mehreren so eingespannt, daß der Wasserkasten senkrecht steht (Fig. 10) und mit dem offenen Ende (13 a) nach oben zeigt. Wenn gewinkelte (10), (12) oder gebogene (11) Rohrquerschnitte verwendet werden, müssen die Rohre so angeordnet sein, daß die Winkel bzw. die Bögen des Rohrquerschnitts nach oben offen sind (19).
• h) Der oder die gemäß Abschnitt g) eingespannten Wärmetauscher werden in einer reduzierenden Atmosphäre oder mittels reduzierender, auf den Wasserkasten gerichteter Brennerflammen auf maximal 440 Grad erhitzt bis zur vollständigen Verflüssigung des Lotes (14).
• i) An den offenen Enden wird zwischen den Bodenwänden (5) und (6) noch so viel flüssiges Lot nachgegeben, bis jeder Lotkanal (8) voll ist.
• k) Die bisher offene Seite des Wasserkastens wird nach dem Abkühlen mit einer oder gegebenenfalls zwei Seitenwänden verschlossen.
• l) Bei Wärmetauschern mit zwei Wasserkästen werden die Schritte a) bis k) jeweils gleichzeitig durchgeführt.
• m) Die Anschlüsse für Ein- und Ausgang werden vorzugsweise erst nach dem Schritt l) angebracht.

9. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3 sowie 6, 7 und 8e, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserkasten-Profile (1) und (2), ebenso wie die Wärmetauschrohre (10), (11), (12) und (20) aus Kunststoff hergestellt sind.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein glasfaserverstärktes Polyamid verwendet ist.

11. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachrohre Wandstärken von weniger als 1 mm aufweisen.

12. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß quer zur Erstreckungsrichtung der Rohre (20) ein oder mehrere Stützstreben (23) aus Metall zwischen dem oberen und unteren Wasserkasten (21), (22) angeordnet sind, die zu beiden Seiten an metallenen Stützstreben (24) verankert sind, die mit dem oberen und unteren Wasserkasten verbunden sind.

13. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Stützstreben aus Metall parallel zu den Wasserkästen (21) und (22) angeordnet und mit diesen verbunden sind.