DE4432340C1 - Verfahren zur Herstellung eines Verdampfers für ein Kompressorkühlgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus mindestens zwei miteinander metallisch fest in Form einer Ver­ schweißung oder Verlötung verbundenen Metallblechen bestehenden Verdampfers mit partiell vergrößerten und unterschiedlichen Ka­ nalqerschnitten für ein Kompressorkühlgerät, wobei zunächst zur Bildung eines zwischen den Metallblechen mäanderförmig verlau­ fenden Kühlmittelkanales gleichmäßigen Querschnitts Teilbereiche der miteinander verbundenen Metallbleche durch Innendruck zu Ka­ nälen ausgeformt werden.

Solche Verdampfer werden zur Bildung eines Kühlraumes regelmäßig aus entsprechend ebenen Verdampferplatinen geformt, die nach der Umformung und im Einbauzustand einen oder mehrere Kühlräume ei­ nes Kühlgerätes jeweils einseitig begrenzen oder mehrseitig um­ schließen und häufig auch die Rückwand eines solchen Kühlraumes bilden.

Solche Verdampferplatinen und deren Herstellung nach dem soge­ nannten Rollbond-Verfahren sind in der DE-PS 15 52 044 beispiel­ haft dargestellt.

Beim Rollbond-Verfahren, bei dem die beiden Lagen der Platine durch eine Walzverschweißung unter Streckung des Substrats mit­ einander verbunden werden, wird durch Trennschichten aus schweißhinderndem Material für den späteren Verlauf des Kühl­ mittelkanales bildende exakt begrenzte Flächen gesorgt. Diese Maßnahme ist beispielsweise in der DE-PS 19 20 424 beschrieben.

Die Ausformung erfolgt in der Regel durch Druckluft, welche zwi­ schen die nicht verschweißten Kanalbereiche geleitet wird und über den dort entstehenden Innendruck eine oder beide zusammen­ geschweißten Platinen zur Bildung von Kanalquerschnitten ver­ formt.

Als Kühlmittel wurde in der Vergangenheit lediglich Kohlen­ wasserstoff (FCKW) benutzt, während heutige neuere Kühlsysteme in der Regel FCKW-freie Werkstoffe wie z. B. Butan verwenden.

Diese Kühlmittel bilden jedoch beim Sieden etwa doppelt so viel Gas wie die herkömmlichen Kühlmittel und sind demzufolge bezo­ gen auf das entstehende Druckniveau und die von diesen hohen Druckstufen wieder notwendig werdende Entspannung in ihrem Ver­ halten sehr unterschiedlich zu den bisherigen Kühlmitteln.

Durch die gebildete große Gasmenge und den daraus resultierenden hohen Druck führen die üblicherweise verwendeten Querschnitte der Kühlkanäle durch ihre Drosselwirkung zu einem Druckabfall, der die bei adiabatischer Entspannung übliche starke Kühlung der Umgebung nach sich zieht. Treten dazu noch Querschnittsverengun­ gen, beispielsweise an Biegungen der Platine oder an Verb in­ dungs- oder Durchführungsstücken auf, so entsteht der oben ge­ schilderte Effekt in einem die Leistung des Kühlgerätes beein­ trächtigenden Maße. Es erfolgt hierbei nämlich entweder eine Kühlung in Bereichen der Kühlräume, die kein Kühlgut beinhalten und nahe an den Rändern liegen, oder es erfolgt gar eine Küh­ lung von in Zwischenräumen befindlichem Dämmungsmaterial. Dies wiederum setzt unter anderem die Isolierfähigkeit dieser Mate­ rialien herab.

Aus diesem Grunde wurde bereits versucht, die kritischen Quer­ schnitte der Kühlmittelkanäle zu vergrößern. Die einzige Mög­ lichkeit jedoch, die hierfür bisher bestand, erforderte ein kom­ plett anderes Herstellungsverfahren für die Kühlmittelplatinen. Bei dem hierzu notwendigen Z-Bond-Verfahren, bei dem eine fer­ tige, aus zwei Aluminiumschichten und einer dazwischen liegen­ den Zinkschicht bestehenden Sandwichplatine von einem Coil ab­ geschnitten wird, umgeben zwei mit den Kühlkanalquerschnitten als Ausfräsungen versehene Werkzeugplatten fest das erwärmte Platinenstück.

In den Bereich der zuerst schmelzflüssigen Zinkschicht wird dann ein Überdruck eingeführt, der die zwischen den Werkzeugplatten liegenden Aluminiumschichten in die Werkzeugvertiefungen, d. h. in die ausgefrästen Ausnehmungen hereindrückt.

An den später zu erwartenden kritischen stellen sind die Werk­ zeuge dann mit größeren Ausfräsungen versehen, so daß der Kanal­ querschnitt entsprechende Ausmaße annimmt.

Dieses Verfahren bedingt jedoch sehr hohe Werkzeugkosten und ist nur in geringem Maße flexibel in den Fällen, in denen für kleine Serien oder für besondere Kühlformen vergrößerte Querschnitte an anderen als an den im Werkzeug vorhandenen größer ausgenommenen Stellen vorgesehen werden müssen.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung partiell vergrößerter und unterschiedlicher Kanal­ querschnitte bei der Herstellung von aus mindestens zwei mitein­ ander metallisch fest in Form einer Verschweißung oder Verlötung verbundenen Metallblechen bestehenden Verdampfers vorzuschlagen, welches flexibel an beliebigen Stellen partielle Vergrößerungen vorsehen läßt und in allen üblichen Verfahren zur Herstellung solcher, aus verschweißten Platinen bestehenden Verdampfer an­ wendbar ist und welches mit einem geringen Aufwand an Maschinen­ technik und Formwerkzeugen durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst. Weitergehende vorteilhafte Ausbildungen und Anwendungen des Ver­ fahrens sind in Unteransprüchen vorhan­ den.

Bei dem Verfahren werden nach dem bereits genannten ersten Aus­ formen der Kühlmittelkanäle die zu partiellen Vergrößerung des Kanalquerschnittes vorgesehenen Bereiche des Kühlmittelkanales einer Erwärmung unterzogen und der Kühlmittelkanal erneut mit einem Innendruck beaufschlagt, welcher ein zweites partielles Ausformen eines oder beider Metallbleche bewirkt. Hierdurch ist es möglich, durch gezielte über Wärmeeinbringung erfolgende Fe­ stigkeitsveränderung der Werkstoffe unter gleichzeitiger Beauf­ schlagung der Kühlkanäle mit Innendruck partielle und genau in Ausdehnung und Länge steuerbare Aufweitungen von einzelnen Ab­ schnitten des Kühlkanales zu erreichen.

Durch die nicht erwärmten umgebenden Querschnitte, die hierbei die Haltefunktion des sonst unbedingt notwendigen Außenwerk­ zeuges übernehmen, ergibt sich eine höchst einfache und effek­ tive Verfahrensweise, die höchst flexibel auch für Kleinserien, ja sogar für Einzelversuche und Prototypenherstellung geeignet ist.

Insbesondere eignet sich das Verfahren in vorteilhafter Weise für Verdampferplatinen, die nach dem sogenannten Rollbond-Ver­ fahren hergestellt sind und während ihrer gesamten Fertigung nicht auf Außenwerkzeuge angewiesen sind, die etwa die Form der Kühlmittelkanäle als Ausfräsungen enthielten.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß für die partiellen Auf­ weitungen nicht auf das altbekannte Formverfahren innerhalb von Werkzeugen ausgewichen werden muß, was die Herstellung mit dem Rollbond-Verfahren für solche Anwendungszwecke unwirtschaftlich machen würde. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise und deren Flexibilität zur Anwendung bei jedem Verfahren ist hier eine Möglichkeit geschaffen, auch weiterhin ohne umgebende Form­ werkzeuge Aufweitungen partiell durchzuführen.

Zur Steuerung des jeweiligen Aufweitungsgrades bzw. zur Be­ schränkung der Aufweitung auf die eine oder die andere Blechseite ist es vorteilhaft, daß die zur partiellen Vergrößerung des Kanalquerschnittes vorgesehenen Bereiche des Kühlmittelka­ nales einer nur auf der Außenseite eines Metallbleches einwir­ kenden Erwärmung unterzogen werden.

Ist die Verdampferplatine aus Metallblechen gleicher Festigkeit hergestellt, schwächt man mit dieser Ausbildung insbesondere eines der beiden Bleche, so daß eine partielle Aufweitung durch eine Überdehnung dieses Bleches erfolgt, während das andere Blech weiterhin seine Abstützfunktion behält und nur unwesent­ lich zusätzlich gedehnt wird.

Weiter optimiert werden kann diese Ausbildung dadurch, daß die beiden Metallbleche aus unterschiedlichen Metallen oder Metalle­ gierungen mit zueinander unterschiedlichen Festigkeiten beste­ hen. Damit kann die Stützwirkung des einen oder anderen Bleches erhöht oder erniedrigt werden und die jeweilige Aufweitung auf eine oder auf beide Seiten in bestimmten prozentualen Anteilen verteilt werden.

Insbesondere dann, wenn die zur partiellen Vergrößerung des Kanalquerschnittes vorgesehenen Bereiche des Kühlmittelkanales eine auf der Außenseite des aus einem Metall oder aus einer Me­ tallegierung höherer Festigkeit bestehenden Bleches einwirken­ den Erwärmung unterzogen werden, läßt sich der Effekt erreichen, daß das Blech höherer Festigkeit nur wenig, das Blech niedrige­ rer Festigkeit jedoch mehr gedehnt und damit der Kanalquer­ schnitt zum Bereich des Bleches niedriger Festigkeit verschoben wird. Dies hat Vorteile in Bezug auf spätere Biegungen oder in Bezug auf die zukünftige Einbausituation.

Vorteilhafterweise ist die Platine so aufgebaut, daß das eine niedrige Festigkeit aufweisende Metallblech aus Reinaluminium und das andere, eine höhere Festigkeit aufweisende Metallblech aus einer Aluminiumlegierung besteht. Dadurch werden zum einen die notwendigen Temperaturen sehr gering und fein abstimmbar in den Bereich unterhalb von 400°C gelegt und gleichzeitig eine Beeinflußbarkeit der Festigkeit des Aluminiums durch die Zugabe von Legierungselementen bei einem der Metallbleche vorgesehen.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Aluminiumlegierung beinhaltet max. 25 Gew.-% Zirkonium (Zr) und als Rest Aluminium.

Durch das in der Gitterstruktur des Aluminiums eingebundene Zir­ konium verschiebt sich die "Erweichungstemperatur" um ca. 40°C nach oben, so daß ein für die Steuerbarkeit der Ausbildung von Kanälen auf der einen oder auf der anderen Blechseite nötiger sicherer Abstand zwischen den Weichpunkten der beiden Aluminium­ bleche erreicht wird.

In diesem Zusammenhang erfolgt vorteilhafterweise die auf die Außenseite der Aluminiumlegierung einwirkende Erwärmung bis zu einer Mindesttemperatur von 230°C. Damit erhält man die verfah­ renssichere Querschnittsvergrößerung der Kühlmittelkanäle in der Art, daß die Aluminiumlegierung bezogen auf den Kanaldurchmes­ ser um 10%, das Reinaluminium bezogen auf den Durchmesser um 40% ausgedehnt wird.

Auf besonders einfache Weise läßt sich die Erwärmung dadurch erreichen, daß die Kanalquerschnitte im Bereich der partiellen Vergrößerung als Widerstandsleiter eines Stromkreises ausgebil­ det sind.

Bei dieser Art der Verfahrensausbildung wird der Anfang und das Ende des jeweils aufzuweitenden partiellen Bereiches mit strom­ führenden Polschuhen versehen, wodurch der Blechbereich zwischen den Polschuhen bis auf eine durch Pyrometer überprüfbare Tempe­ ratur erwärmt wird und das Innendruckaufweiten erfolgt.

Ein angelegter Mindestdruck von 6 bar für die zweite Ausformung zur partiellen Vergrößerung des Kanalquerschnittes ergibt in vorteilhafter Weise eine zügige, aber nicht unkontrolliert er­ folgende Aufweitung bei einer entsprechenden Erwärmung und ver­ hindert dadurch Überdimensionale Materialausdünnungen.

In vorteilhafter Weise kann das Innendruckumformen dadurch un­ terstützt werden, daß lediglich im Bereich der partiellen Ver­ größerung ein Hilfswerkzeug angelegt wird, was beide Metall­ bleche stützt und den Materialfluß bestimmbar hält.

Bei geringen Aufweitungen genügt es, die Abstützung lediglich in den miteinander verbundenen Bereichen der Metallbleche sicherzu­ stellen und damit ein Aufreißen des bereits vorher fertigge­ stellten metallischen Verbundes der Metallbleche zu verhindern.

Ein nach diesem Verfahren ausgebildeter Verdampfer für ein Kom­ pressorkühlgerät, welcher einen oder mehrere Kühlräume eines Kühlgerätes jeweils einseitig begrenzt oder mehrseitig um­ schließt, weist die partiellen Erweiterungen des Kühlmittel­ kanalquerschnittes in den Bereichen auf, die außerhalb der Kühl­ räume oder in Übergangsbereichen zwischen Kühlräumen sich befin­ den.

Hierdurch wird in ungewollten Bereichen des Kühlgerätes bzw. in Rändern oder Ecken des Kühlraumes sowie ein Abkühlen von Iso­ liermaterialien zwischen den einzelnen Kühlräumen verhindert.

Eine ebenso vorteilhafte Ausbildung des Verdampfers besteht da­ rin, daß auch im Bereich von Biegungen oder Abkantungen der Ver­ dampferplatine partielle Erweiterungen des Kühlmittelkanalquerschnittes vorhanden sind. Diese können bei einer Verdampferpla­ tine, die beispielsweise einen Kühlraum von vier Seiten um­ schließt, jeweils über die gesamte Breite der Platine in allen in der Biegung liegenden Kanalquerschnitten vorhanden sein.

Letztlich ergeben sich Vorteile, wenn die partiellen Erweite­ rungen des Kühlmittelkanalquerschnittes im Bereich der Kanal­ anschlüsse am Kühlmitteleinlaß oder am Kühlmittelauslaß vorhan­ den sind. In diesen Bereichen ist üblicherweise eine Kapillar­ leitung für das komprimierte Kühlmittel durch den inneren Be­ reich des Kühlmittelkanales geführt, so daß zur Abfuhr des Kühl­ mittels lediglich eine Ringquerschnitt um diese Kapillare herum existiert. Um die hierdurch vorhandene Querschnittsverringerung zu kompensieren, läßt sich in besonders vorteilhafter Weise der Verdampfer so ausbilden, daß diese Bereiche mit partiellen Er­ weiterungen versehen sind.

Anhand eines Ausführungsbeispieles in Form eines mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestellten Verdampfers soll die Erfin­ dung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren her­ gestellte Verdampferplatine vor dem Einbau in ein Kühlgehäuse,

Fig. 2 eine vergrößerte Ausführung des Schnittes A-B der Fig. 1,

Fig. 3 eine in einem Kühlgehäuse eingebaute Verdamp­ ferplatine.

In der Fig. 1 erkennt man eine Verdampferplatine 1 mit un­ terschiedlichen Kühlflächen 2 und 3 sowie mit im weiteren Einbauverfahren im Bereich der Biegungen liegenden Übergangs­ stück 4 und einem Verbindungssteg 5.

Innerhalb der Verdampferplatine 1 verläuft mäanderförmig ein Kühlmittelkanal 6.

Die Fig. 2 zeigt einige vergrößerte Abschnitte des Kühlmittelkanals 6, einmal im Bereich der Verbindungsstege 5 im Bereich der später im Kühl­ raum befindlichen Platine 1. Hierbei sind Abschnitte 7 und 8 des Kühlmittelkanals 6 mit dem erfindungsmäßen Verfahren partiell er­ weitert und weisen einen wesentlich größeren Querschnitt auf, als die im Bereich der späteren Innenraum-Kühlfläche liegenden Abschnitte 9 und 10.

Hierdurch wird, wie bereits geschildert, eine Unterkühlung der Stegbereiche verhindert und die maximale Kühlleistung innerhalb der später im Kühlraum liegenden Platinenteile nutzbar.

Die Fig. 3 zeigt eine andere Verdampferplatine 11, welche inner­ halb eines schematisch dargestellten Kühlraumes 12 angeordnet ist und gegen die Umgebung mit Hilfe einer Gehäuseisolierung 13 abgedichtet ist.

Auch diese Verdampferplatine 11 weist gekrümmte Stegbereiche 14, 15 und 16 auf, die schließlich außerhalb des Kühlraumes 12 über eine Rohrleitung 17 mit einem Kompressor 18 verbunden sind.

Auch hier zeigen die Stegbereiche 14, 15 und 16 wieder einen größeren Kühlmittelkanalquerschnitt, der etwa den in der Fig. 2 darge­ stellten Querschnitten 7 und 8 entspricht. In der Verdampferpla­ tine 11 ist lediglich eine einseitige Aufweitung vorgesehen, welche dadurch einen den Querschnitten 9 und 10 entsprechenden Kühlmittelkanal 6 beinhaltet.

Auch hier entsteht wieder der Vorteil, daß in gekrümmten Berei­ chen keine Querschnittsverengung und damit keine zu starke Un­ terkühlung stattfindet. Somit wird die Kompressorleistung zu einem besonders hohen Anteil am Verdampfer nutzbar.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines aus mindestens zwei mitein­ ander metallisch fest in Form einer Verschweißung oder Verlötung miteinander verbundenen Metallblechen bestehenden Verdampfers mit partiell vergrößerten und unterschiedlichen Kanalquerschnit­ ten für ein Kompressorkühlgerät, wobei zunächst zur Bildung ei­ nes zwischen den Metallblechen mäanderförmig verlaufenden Kühl­ mittelkanales gleichmäßigen Querschnittes Teilbereiche der mit­ einander verbundenen Metallbleche durch Innendruck zu Kanälen ausgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem ersten Ausformen der Kühlmittelkanäle (6) die zur par­ tiellen Vergrößerung des Kanalquerschnittes vorgesehenen Bereiche des Kühlmittelkanales (6) einer Erwärmung unterzogen werden und der Kühlmittelkanal (6) erneut mit einem Innendruck beaufschlagt wird welcher ein zweites, partiell begrenztes Ausformen eines oder beider Metallbleche bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur partiellen Vergrößerung des Kanalquerschnittes vor­ gesehenen Bereiche des Kühlmittelkanal (6) einer nur auf der Außenseite eines Metallbleches einwirkenden Erwärmung unterzogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur partiellen Vergrößerung des Kanalquerschnittes vor­ gesehenen Bereiche des Kühlmittelkanales einer auf der Außenseite des aus einem Metall oder aus einer Metallegierung höherer Fe­ stigkeit bestehenden Bleches einwirkenden Erwärmung unterzogen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallblech aus Reinaluminium und das andere Metallblech aus einer eine höhere Festigkeit aufweisenden Aluminiumlegierung besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung zu maximal 0,25 Gew.-% aus Zirkonium (Zr) und im Rest aus Aluminium besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Außenseite der Aluminiumlegierung einwirkende Erwärmung bis zu einer Mindesttemperatur von 330°C erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung dadurch erfolgt, daß die Kanalquerschnitte im Bereich der partiellen Vergrößerung als Widerstandsleiter eines Stromkreises ausgebildet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die zweite Ausformung zur partiellen Vergrößerung des Kanal­ querschnittes mit einem Mindestdruck von 6 bar erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung des eine niedrigere Festigkeit aufweisenden Bleches durch ein Hydraulikmedium erfolgt.