DE4343825A1 - Rohr-Bodenverbindung für einen Wärmetauscher - Google Patents
Rohr-Bodenverbindung für einen WärmetauscherInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Rohr-Bodenverbindung für einen
Wärmetauscher mit einem von einem Wärmetauschmedium durchström
ten Rohrblock mit parallel zueinander verlaufenden Rohren aus
Aluminium, die mindestens mit einem Ende in einem an einen Sam
melraum angrenzenden Rohrboden aus Aluminium gehalten und mit
diesem dicht verbunden sind, insbesondere einen Kühler für
Kraftfahrzeugmotoren.
Die Rohr-Bodenverbindungen für Wärmetauscher, insbesondere für
die Kühler von Kraftfahrzeugmotoren, aber auch für Kondensato
ren, Verdampfer oder Ladeluftkühler, sind immer mit gewissen
Problemen behaftet, weil die in die Rohrböden eingefügten Rohr
enden zum einen mechanisch festsitzen müssen und zum anderen
aber auch die notwendige Dichtheit erzielt werden muß, um Ver
luste des Wärmetauschmediums zu vermeiden. Für Wärmetaucher mit
Aluminiumrohren und Aluminiumboden ist es bekannt, die Rohre in
sogenannte Durchzüge des Bodens einzufügen und zu verlöten. In
der Regel muß anschließend aber noch ein gesonderter Abdicht
vorgang unter Verwendung von Silikon durchgeführt werden. Dies
setzt zum einen verhältnismäßig aufwendige Arbeitsvorgänge für
das Verlöten voraus und, weil gelötete Wärmetauscher nicht die
notwendige Dichtheit erzielen, einen anschließenden Reini
gungsvorgang mit umweltunverträglichen Mitteln, sowie danach
den Vorgang der Silikonisierung.
Bekannt ist es auch, die in Durchzügen des Rohrbodens eingefüg
ten Rohrenden mechanisch aufzuweiten und eine Gummidichtung
vorzusehen. Hier treten Probleme durch das Einreißen der aufzu
weitenden Rohrenden und durch verschobene Dichtungen auf, ins
besondere wenn keine runden Rohrquerschnitte vorliegen. Hier
gestaltet sich die Abdichtung besonders schwer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rohr-
Bodenverbindung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß
die Forderungen nach mechanischem Halt und Dichtheit erfüllt
sind.
Die Erfindung besteht ausgehend von einer Rohr-Bodenverbindung
der eingangs genannten Art darin, daß die in den Rohrboden ein
geschobenen Rohrenden durch eine über ihren gesamten Umfang
verlaufende Laserschweißnaht mit dem Rohrboden verschweißt
sind, deren Innenkontur bündig in die Rohrinnenwandung und in
die in das Innere des Sammelraumes weisende weite des Rohr
bodens übergeht.
Durch diese Ausgestaltung wird es möglich, nur durch einen
Arbeitsgang sowohl den notwendigen mechanischen Halt als auch
die erforderliche Dichtheit zu erreichen. Zusätzliche Arbeits
vorgänge für ein Silikonisieren oder zusätzliches Einlegen von
Dichtungen werden überflüssig. Es hat sich auch gezeigt, daß es
durch die Erfindung in einfacher Weise möglich wird, auch Rohre
mit komplizierten Querschnitten, insbesondere Flachrohre mit
ovalem oder elliptischem Querschnitt oder Mehrkammerprofile,
ausreichend fest und dicht mit dem Rohrboden zu verschweißen.
Der Rohrboden selbst braucht keine Durchzüge mehr aufzuweisen.
Es ist lediglich notwendig, die Öffnungen im Rohrboden entspre
chend genau an den Rohrquerschnitt anzupassen. Schließlich
stellt die erfindungsgemäß hergestellte Schweißnaht auch keinen
Widerstand für die Strömung im Wärmetauscher dar, weil kein
Rohrüberstand wie beim Stand der Technik mehr vorliegt. Dadurch
kann auch Rohrmaterial eingespart werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge
kennzeichnet. Hervorzuheben ist auch noch, daß es durch die Er
findung in sehr einfacher Weise möglich wird, Rohrböden mit
wesentlich größerer Stärke mit den Rohren zu verbinden.
Zur Herstellung einer Rohr-Bodenverbindung nach der Erfindung
hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Öff
nungen im Rohrboden zunächst so ausgelegt werden, daß die
Rohrenden weitgehend spaltfrei in den Öffnungen gehalten sind,
daß die Rohrenden dann in ihre zugeordneten Öffnungen so ein
geschoben werden, daß sie bündig zu der an den Sammelraum an
grenzenden Seiten des Rohrbodens verlaufen, und daß dann die
Laserschweißung durch einen entlang des Umfanges der Rohrenden
geführten Laserstrahl erfolgt. Dieser Laserstrahl arbeitet
dabei ein Rohr nach dem anderen ab und wird zu diesem Zweck
entsprechend den Abmessungen des Rohrbodens und der Rohre von
Rohr zu Rohr und dann entsprechend am Umfang des Rohres ent
langgeführt.
Für die Herstellung ist es auch sehr vorteilhaft, wenn der
Fügespalt zwischen den Rohrenden und den zugeordneten Öffnungen
des Rohrbodens ringsum kleiner als 0,1 mm ist. Die Laser
schweißung kann ferner unter Schutzgas erfolgen, und zwar mit
einem gepulsten ND/YAG-Laser.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 Den Ausschnitt einer Draufsicht auf einen Rohrboden
eines Kühlers für einen Kraftfahrzeugmotor mit einge
schweißten Rohren mit Ovalquerschnitt,
Fig. 2 in vergrößerter Darstellung den Schnitt durch eine
Rohrbodenverbindung längs der Schnittlinie III-III in
Fig. 1, jedoch noch vor dem Schweißvorgang, und
Fig. 3 die weitervergrößerte Darstellung des Schnittes III-III
der Fig. 1 mit dem eingeschweißten Rohr.
Aus den Fig. 1 und 3 ist erkennbar, daß die erfindungsgemäße
Rohr-Bodenverbindung für den als Kühler für Kraftfahrzeugmoto
ren dienenden Wärmetauscher zwischen mehreren, in an sich be
kannter Weise angeordneten und in nicht dargestellter Weise
noch mit einem Netz von Kühlrippen versehenen Flachrohren (1)
aus Aluminium und einem Rohrboden (2), ebenfalls aus Aluminium
vorgenommen worden ist. Die Rohre sind dabei mit ihrer Achse
(4) jeweils senkrecht zu dem Rohrboden (2) ausgerichtet. Sie
besitzen eine Wanddicke (s), die beim Ausführungsbeispiel
wesentlich geringer ist als die Dicke (b) des Rohrbodens (2).
Die Dicke (b) beträgt etwa das dreifache der Wandstärke (s) der
Rohre (1).
Die Rohre (1) sind mit diesem Rohrboden (2) über eine längs
ihres gesamten Umfanges verlaufende Schweißnaht (3) mit dem
Rohrboden (2) verbunden, die, wie Fig. 3 zeigt, einen etwa
ovalen Querschnitt mit spitz auslaufenden Enden besitzt, dessen
Längsachse (5) etwa unter 45° zum Rohrboden (2) und zu den
Rohrachsen (4) verläuft. Die Schweißnaht (3), die durch einen
Laserstrahl erzeugt wurde, erstreckt sich dabei von der einem
nicht gezeigten Sammelraum für das Wärmetauschmedium zugewand
ten Seite (2a) des Rohrbodens (2) bis unterhalb von dessen
Unterseite (2b). Sie weist eine abgerundete, der Rohrmündung
zugewandte Innenkontur (6) auf, die jeweils tangential in die
Seitenwand (2a) des Rohrbodens (2) bzw. in die Innenwand (1a)
der Rohre (1) übergeht. Die Schweißnaht bildet daher eine Art
Einlauftrichter an der Mündungsstelle der Rohre. Sie steht an
keiner Stelle über die Innenwand (2a) vor.
Um diese Form der Schweißnaht zu erreichen, die strömungstech
nisch außerordentlich günstig ist, weil kein Rohrüberstand mehr
vorliegt, werden alle Rohre (1) zunächst wie in Fig. 2 gezeigt,
mit ihren Rohrenden so in zugeordnete Öffnungen (7) des Rohr
bodens (2) eingeschoben, daß ihre Enden bündig zu der Seite
(2a) verlaufen. Dabei muß der zwischen den Öffnungen (7) und
dem Außenumfang der Rohre (1) bestehende Fügespalt (f) so ge
wählt sein, daß er ringsum kleiner als 0,1 mm ist. Sind die
Rohre in dieser Weise ausgerichtet und angeordnet, wird die
Schweißnaht (3) mit Hilfe eines gepulsten Nd-YAG-Laserstrahls
erzeugt, der von Rohr zu Rohr und dort jeweils längs des ge
samten Umfanges des Endes des Rohres (1) von der Seite des
Sammelraumes her geführt ist. Der Laserstrahl arbeitet daher
nacheinander alle Rohre (1) an der bündig im Rohrboden (2)
steckenden Seite ab. Die Schweißnaht erhält dann die in Fig. 3
gezeigte Form. Sie ist an der Stelle (8), gemessen unter einem
Winkel von 45°, den die Winkelhalbierende zwischen der Unter
seite (2b) des Rohrbodens (2) und der Außenwand des Rohrbodens
(1) einnimmt, größer als die Wandstärke (s) des Rohres (1); (a)
ist daher größer als (s).
Diese Form der Schweißnaht, die sich durch die besondere Laser-
Schweißung ergibt, gibt der Rohr-Bodenverbindung eine außer
ordentlich gute Festigkeit. Es wäre auch möglich, mehrere Rohre
gleichzeitig durch mehrere Laser, oder - weil das Lochbild im
Rohrboden ein regelmäßiges Muster darstellt - durch Strahltei
lung mit dem Rohrboden zu verschweißen.
Claims (13)
1. Rohr-Bodenverbindung für einen Wärmetauscher mit
einem von einem Wärmetauschmedium durchströmten Rohrblock mit
parallel zueinander verlaufenden Rohren (1) aus Aluminium, die
mindestens mit einem Ende in einem an einen Sammelraum angren
zenden Rohrboden (2) aus Aluminium gehalten und mit diesen
dicht verbunden sind, insbesondere Kühler für Kraftfahrzeug
motoren, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Rohrboden (2)
eingeschobenen Rohrenden durch eine längs ihres gesamten Um
fangs verlaufende Laserschweißnaht (3) mit dem Rohrboden ver
schweißt sind, deren Innenkontur (6) bündig in die Rohrinnen
wandung (1a) und die in das Innere des Sammelraumes weisende
Seite (2a) des Rohrbodens (2) übergeht.
2. Rohr-Bodenverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Rohrachsen (4) jedes Rohres (1) senkrecht zum
Rohrboden (2) stehen und die Schweißnaht (3) einen Querschnitt
in Form eines Ovals aufweist, dessen Längsachse (5) etwa unter
45° zu der Rohrachse (4) verläuft.
3. Rohr-Bodenverbindung nach den Ansprüchen 1 und 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Stärke (b) des Rohrbodens (2)
deutlich größer als die Dicke (s) der Rohrwandung ist.
4. Rohr-Bodenverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht (3) bis in einen
Bereich des Rohres (1) reicht, der im Abstand zu der vom Sam
melraum abgewandten Seite (2b) des Rohrbodens (2) liegt.
5. Rohr-Bodenverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht (3) gemessen
unter einem Winkel von 45° am Schnittpunkt zwischen der Rohr
außenwandung und der Rohrbodenunterseite (2b) eine Dicke (a)
aufweist, die größer ist als die Stärke (s) der Rohrwandung.
6. Rohr-Bodenverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur (6) der Schweiß
naht (3) abgerundet ist, so daß eine Art Einlauftrichter an der
Rohrmündung entsteht.
7. Rohr-Bodenverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Rohre (1) als Flachrohre ausgebildet sind.
8. Rohr-Bodenverbindung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Rohre (1) einen ovalen bzw. elliptischen
Querschnitt besitzen.
9. Rohr-Bodenverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Rohre (1) als Mehrkammerprofile mit flachem
Querschnitt ausgebildet sind.
10. Verfahren zur Herstellung einer Rohr-Bodenverbindung
nach Anspruch 1 oder einem der anderen Ansprüche 2 bis 9, ge
kennzeichnet dadurch, daß die Öffnungen (7) im Rohrboden (2) so
ausgelegt werden, daß die Rohrenden weitgehend spaltfrei in den
Öffnungen gehalten sind, daß die Rohrenden in ihre zugeordneten
Öffnungen (7) so eingeschoben werden, daß sie bündig zu der an
den Sammelraum angrenzenden Seite (2a) des Rohrbodens (2) ver
laufen, und daß dann die Laserschweißung durch einen entlang
des Umfanges der Rohrenden geführten Laserstrahl erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Fügespalt (f) zwischen den Rohrenden und den zugeordne
ten Öffnungen (7) des Rohrbodens (2) ringsum kleiner als 0,1 mm
ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schweißung unter Schutzgas erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schweißung mit einem gepulsten ND-YAG-Laser erfolgt.
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