DE4435111A1 - Flachrohrverflüssiger für Kraftfahrzeugklimaanlagen und Herstellungsverfahren und Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flachrohrverflüssiger aus Aluminium für Kraftfahrzeugklimaanlagen mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen eines Flachrohrverflüssigers mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 gemäß Anspruch 6, wobei dieses Verfahren insbesondere zum Herstellen eines Flachrohrverflüssigers gemäß Anspruch 1 bestimmt ist. Schließlich betrifft die Erfindung auch Vorrichtungen zum Ausführen des Verfahrens gemäß Anspruch 20.

Beim Hartlöten von Flachrohrverflüssigern der hier in Frage stehenden Art hat man früher hygroskopische Fluoride und Chloride (F-LH1) als Flußmittel eingesetzt, um die Oxidschicht am Aluminium zu lösen und den Lotfluß zu verbessern. Derartige Flußmittel wurden in wäßriger Lösung bzw. Suspension aufgebracht, so daß man auch Lötspalte überbrücken konnte. Derartige Flußmittel sind jedoch auch nach dem Lötvorgang sehr korrosiv und müssen sorgfältig durch Waschen entfernt werden. Das Waschen mit Wasser bietet an der Außenseite der Flachrohrverflüssiger keine großen Probleme. In den Innenbereichen der Flachrohrverflüssiger kann es jedoch zu Rückständen kommen, wenn die Flachrohrverflüssiger solche mit parallelen Flachrohranordnungen sind, die mit Strömungsumkehr geschaltet sind. Daher hat sich dieses Lötverfahren eigentlich nur bei den früher verwendeten Flachrohrverflüssigern bewährt, bei denen die Flachrohre meanderförmig gebogen sind und keine Strömungstoträume im Flachrohrverflüssiger bilden. Die Flachrohrverflüssiger, auf die sich die Erfindung bezieht, weisen darüber hinaus eine Vielzahl von Lötstellen auf, während die Verflüssiger mit meanderförmig gebogenen Flachrohren jeweils nur an deren Ende eine Verlötung aufweisen.

Man ist daher in der letzten Zeit dazu übergegangen, solche Flußmittel einzusetzen, welche nach dem Hartlötvorgang an dem Flachrohrverflüssiger verbleiben können, mit der Vorstellung, daß sie dann dort nicht mehr korrosiv sind. Derartige Flußmittel werden auf der Basis nicht hygroskopischer Fluoride (F-LH1) Hauptbestandteil KAlF in verschiedener Zusammensetzung angeboten, wobei insbesondere das Flußmittel bekannt ist, das unter dem Handelsnamen "Nocolok" (eingetragenes Warenzeichen) angeboten wird. Als wesentlicher Vorteil dieser Art der Hartlötung wird angesehen, daß nachträgliches Entfernen des Flußmittels nicht mehr erforderlich sein soll. Dieses soll vielmehr so im Wärmetauschersystem verbleiben, wie dies etwa eingebettete Quarzteilchen sein würden. Als wesentlicher Vorteil wird die geringe Umweltbelastung angesehen, die bei den hygroskopischen Flußmitteln sonst in recht erheblichem Maße bei deren Auswaschen auftritt. Wie bei dem vorgenannten bekannten System mit wasserlöslichen Flußmitteln kann man weiterhin Lötspalte überbrücken. Darüber hinaus ist das Flußmittel auf Basis von KAlF nunmehr inert gegenüber üblichen inneren Wärmetauschfluiden eines Flachrohrverflüssigers aus Aluminium für Kraftfahrzeugklimaanlagen wie beispielsweise dem jetzt im allgemeinen verwendeten chlorfreien R 134 a. Es ist daher unkritisch, wenn dieses Flußmittel innerhalb des bei der Erfindung zugrundeliegenden Wärmetauschersystems verbleibt, bei dem es viele innere Lötstellen gibt.

Es hat sich jedoch zwischenzeitlich gezeigt, daß die Korrosionsunempfindlichkeit derartiger Flußmittel nur unter bestimmten Bedingungen tatsächlich gegeben ist, wie etwa bei Anwendung einer Opferanode oder dann, wenn die äußere und die innere Oberfläche des Wärmetauschersystems frei von elektrolytischen Einwirkungen gehalten wird. Diese Bedingung kann man, wie gesagt, im Innenraum des Flachrohrverflüssigers und des damit verbundenen Kreislaufes des inneren Wärmetauschmediums der notwendigerweise elektrolytfrei sein muß, gewährleisten.

Bei Flachrohrverflüssigern für Kraftfahrzeugklimaanlagen kann man in der Praxis ausschließen, daß die Außenoberfläche mit Wasser und Salzen aus der Umgebung kontaminiert wird, welche dann zusammen mit Wasser elektrolytbildend wirken. Dies ist besonders kritisch, weil Klimaanlagen ja bekanntlich nur saisonal und im hier vorliegenden Fall nur in der warmen Jahreszeit in Betrieb sind und die Flachrohrverflüssiger in der übrigen Jahreszeit dann kontinuierlichen Korrosionseinflüssen bei der jeweils herrschenden Außentemperatur ausgesetzt sind. Schließlich verhindert verbleibendes KAlF auch die sonst häufig angestrebte kataphoretische Lackierung, weil das Flußmittel nicht elektrisch leitfähig ist.

Man hat daher schon in Betracht gezogen, die Hartlötung überhaupt ohne Verwendung von Flußmittel durchzuführen. Hierbei hat man insbesondere an die sogenannte Hartlötung unter Vakuum gedacht. Es muß dabei jedoch eine Evakuierung bis in Bereiche von 10^-6 torr erzeugt werden, was von vornherein einen sehr großen Aufwand bedeutet. Darüber hinaus setzt dieses Lötverfahren voraus, daß alle vorkommenden Lötspalte so eng sind, daß sie materiell aneinander anliegen. Diese Bedingung ist wegen der auftretenden Toleranzen insbesondere nicht an und in Umgebung der Sammler erfüllt. Schließlich benötigt man eine eigene Art der Legierungszusammensetzung der Hartlotbeschichtung der einzelnen Aluminiumteile, und zwar unter Verwendung einer auf Basis Aluminium aufbauenden Legierung mit Magnesiumanteil. Das Magnesium dampft bei der Löttemperatur aus und reißt dabei die Oxidschicht des Aluminiums aus. Außerdem wirkt das abgedampfte Magnesium sauerstoffbindend in der verbliebenen Restatmosphäre des Vakuums. Trotzdem hat sich gezeigt, daß diese Technik zu einer nur ungleichmäßigen Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht des Aluminiums führt. Außerdem kommt es zu einer an sich zum Schutz des hartgelöteten Aluminiums erwünschten spontanen Neuoxidierung. Diese ist jedoch wiederum ungleichmäßig, so daß aufwendige Nachbearbeitungsschritte wie Chromatierung oder Lackierung oder beides zusammen erforderlich werden

Obwohl es sich bei den Flachrohrverflüssigern aus Aluminium für Kraftfahrzeuge bei dem hohen Verarbeitungsgrad von Kraftfahrzeugklimatisierungseinrichtungen inzwischen um einen ausgesprochenen Massenartikel handelt, hat man die obengenannten Probleme bisher nicht überzeugend lösen können, obwohl alle Beteiligten fieberhaft daran arbeiten. Vielmehr haben sich in der letzten Zeit Pressemitteilungen gehäuft, daß gerade bei der jetzt in großer Breite konventionellen Verwendung von Flußmitteln auf Basis von KAlF doch noch zu erheblichen, und sei es auch nur lokalen, Korrosionsschäden im System kommt. Besonders als nachteilig wird dabei in der Öffentlichkeit weniger noch die geringe Lebensdauer der Klimaanlagen als die Gefahr des Entweichens der immer noch fluorhaltigen inneren Wärmetauschmedien wie dem genannten R 134 a angesehen.

Bei dem üblichen Einsatz von KAlF-haltigen haftfähigen Flußmitteln hat man bisher auch schon eine Optimierung dahingehend angestrebt, daß man das Flußmittel in größerer Quantität im Sammlerbereich aufbrachte, um dort auch toleranzbedingte größere Lötspalte beim Hartlöten überbrücken zu können, während man dasselbe Flußmittel in kleinerer Quantität in den Bereichen des Netzes aus Flachrohren und Zickzacklamellen aufbrachte, wobei jetzt auch schon angewandter Einspannung des Paketes aus Flachrohren und Zickzacklamellen, von vornherein nur kleine Lötspalte vorhanden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Weg aufzuzeigen, welcher alle obenerwähnten Nachteile vermeiden soll.

Der seiner Art nach grundsätzlich neue Grundgedanke der Erfindung besteht darin, in dem relativ unkritischen Bereich des Netzes aus Flachrohren und Zickzacklamellen gänzlich auf irgendeine Art von Flußmitteln zu verzichten und das am Aluminium haftenbleibende Flußmittel, wie etwa das erwähnte Flußmittel auf Basis von KAlF nur dort einzusetzen, wo es relativ unkritisch ist, aber die dort toleranzbedingten relativ großen Lötspalte überbrücken kann. Die Erfindung baut dabei auch auf einer bisher nicht zur Auswirkung gekommenen Erfahrung auf, daß ein Auswaschen von Flußmitteln, egal welcher Art, in dem sehr engen Netz der Flachrohre und Zickzacklamellen außerordentlich aufwendig und sehr häufig nur unvollständig ist, so daß dann sehr häufig noch eine korrosive Restgefahr verbleibt. Das gilt wie gesagt auch bei den Flußmitteln auf Basis KAlF, die an sich als antikorrosiv angepriesen werden. Da diese Flußmittel andererseits nicht wasserlöslich sind, können sie nur höchst aufwendig aus dem genannten Netz von Flachrohren und Zickzacklamellen entfernt werden, wie beispielsweise unter Verwendung von Säuren, beispielsweise Salpetersäure oder Laugen, beispielsweise Natronlauge. Der Einsatz derartiger Mittel bei großtechnischer Herstellung der erfindungsgemäßen Flachrohrverflüssiger ist wiederum aus Umweltgründen außerordentlich problematisch.

Selbst wenn man derartige Lösungsmittel im Bereich der Sammler außen einsetzen würde, würde man gegenüber der herkömmlichen Technik bereits eine wesentliche Verbesserung erreichen, was die erforderliche Quantität der Lösungsmittel angeht. Es hat sich jedoch sogar gezeigt, daß man unter Einsatz physikalischer Mittel während einer Abschreckphase nach dem Hartlöten des Flachrohrverflüssigers sogar gänzlich um die Anwendung chemischer Lösungsmittel herumkommen kann, indem man etwa beispielsweise eine Art Sandstrahlverfahren mit Glaskügelchen oder auch nur die Anwendung eines Wasserstrahls unter hohem Druck vornimmt. Die im Sammlerbereich im Anschluß an die Lötspalte beispielsweise zungenartig dauerhaft verbleibenden Rückstände des dort an der Innenwandfläche des Wärmetauschers weitgehend haftenbleibenden Flußmittels sind in der Umgebung des inneren Wärmetauschmediums unkritisch und werden darüber hinaus in wesentlich kleinerer Quantität als bisher auftreten, so daß auch eine Restwanderung von etwa nicht haftenden prozentualen kleineren Bestandteilen nicht mehr zu einer ernsthaften Gefährdung der kleinen Querschnitte in den einzelnen Kanälen der Flachrohre oder am Expansionsventil kommt.

Die vollständige Entfernung des an sich haftenden Flußmittels von der Außenseite des Flachrohrverflüssigers stellt das Optimum dar. Man erreicht durch die Erfindung aber auch bereits dann Vorteile, wenn man die an sich weitgehend inerten Reste von haftenbleibendem Flußmittel noch wie bisher an der Außenfläche des Wärmetauschers im Sammlerbereich beläßt, zum Beispiel, wenn man keine Nachbehandlung durch kataphoretische Lackierung in Betracht zieht.

Dadurch, daß im Bereich des Netzes aus Flachrohren und Zickzacklamellen von vornherein kein Flußmittel zum Einsatz kommt, erübrigt sich a priori auch jede Besorgnis, durch irgendwelche Nachbehandlungsschritte doch restliches Flußmittel nicht aus diesem Netz entfernen zu können. Vielmehr sind insoweit Nachbehandlungsschritte gänzlich entbehrlich, so daß nur beispielsweise eine unmittelbare anschließende Lackierung auch kataphoretischer Art im Bereiche des Netzes ohne weiteres möglich ist. Wie gesagt, kann man im übrigen die Art des Umgangs mit den Außenbereichen am Sammler und in dessen Nähe von den Anforderungen abhängig machen und benötigt dabei auch im Falle schärfster Anforderungen nur relativ einfache Nachbehandlungsmaßnahmen, insbesondere physikalischer Art.

Es ist an sich bekannt, nach DE A1 42 32 018 an einem Sammler ein Anschlußrohr und/oder mindestens einen Halter auch mittels Aluminiumhartlot anzulöten, welches dann allerdings nicht von einer Plattierung des Grundmaterials Aluminium des Wärmetauschers gebildet zu sein braucht. Hier kann man, da es sich um die relativ unkritischen Sammlerbereiche handelt, auch im Rahmen der Erfindung wie bisher verfahren.

Es ist daher grundsätzlich möglich, im Rahmen der Erfindung auch rohrartig einteilige Sammler zu verwenden. Diese erfordern jedoch relativ hohen Plattierungsaufwand. Außerdem machen sie es nötig, die jeweils erforderliche Trennwand durch einen Schlitz im Sammler von außen her zur Verlötung einzustecken, welcher der vollen lichten Weite des Sammlers entspricht und daher relativ großen Aufwand beim erneuten Verschließen erfordert. Die Erfindung ist demgegenüber aber auch anwendbar bei solchen Flachrohrverflüssigern, bei denen wie im Falle der Fig. 13 und 15 EP-A1-0 521 489 bei einem in Umfangsrichtung zweiteiligen Sammler entweder überhaupt kein Schlitz in der Mantelfläche des Sammlers oder nur ein so kleiner Schlitz vorhanden ist, wie man ihn zur mechanischen Fixierung und gegebenenfalls zusätzlich zur Einbringung von Flußmittel benötigt. Wenn überhaupt kein Schlitz vorhanden ist (Fig. 15 der EP-A1-0 521 489), kann man von außen das erforderliche Flußmittel immer noch durch den Lötspalt zwischen Rohrboden und ergänzender Schale des Sammlers einbringen. Dies schließt nicht aus, im Rahmen der Erfindung auch zweiteilige Sammler mit großem Schlitz im Sinne von Fig. 14 der schon genannten EP-A1-0 521 489 einzusetzen. Jedenfalls kann man unter Verwendung der Mehrteiligkeit des Sammlers mit einer Plattierung nur an dem den Rohrboden bildenden Teil auskommen, ohne daß die ergänzende Schale mit Lot beschichtet ist.

Es erscheint auch vorteilhaft, daß man das Material für die Plattierung des Aluminiums und damit auch für das ganze bei der Erfindung zum Einsatz kommende Grundmaterial wie bisher ausgelegt werden kann, wie Anspruch 5 zeigt. Dabei verwendet man zweckmäßig bei den Zickzacklamellen eine Legierung, bei der x=5 ist, während man im Sammlerbereich wie bisher beispielsweise x=10 wählt.

Mittels der Verfahren nach den Ansprüchen 6-10 läßt sich die Erfindung durchführen und lassen sich insbesondere auch die Flachrohrverflüssiger mindestens gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und insbesondere gemäß Anspruch 1 herstellen. Durchführungsart und Vorteile der genannten Verfahren sind bereits im Zusammenhang mit den Eigenschaften der erfindungsgemäßen Flachrohrwärmetauscher besprochen und bedürfen keiner Wiederholung.

Bisher hat man beim Hartlöten mittels Flußmittel zunächst die Löttemperatur von typischerweise 590 bis 605°C allmählich aufgeheizt und dann in einer anschließenden Kühlzone eine allmähliche Abkühlung vorgenommen, wobei diese Kühlzone zunächst an einen Muffelofen anschließenden Kühltunnel und dann anschließend von einer Zone gebildet wurde, während der der austretende Flachrohrverflüssiger mit Luft angeblasen wurde. Innerhalb des Muffelofens und des unmittelbar anschließenden Kühltunnels hat man auch schon hier zur Vermeidung von unerwünschter Oxidation mit einem Schutzgas, typischerweise N₂, gearbeitet, welches in einen mittleren Bereich der Tunnelanlage in Richtung zu beiden Ausgängen fließend eingeblasen wird. Die Länge derartiger Muffelösen mit anschließendem Kühltunnel ist sehr groß, typischerweise etwa 15-20 m lang. Die Verweildauer des Flachrohrverflüssigers in dieser Tunnelzone beträgt typischerweise etwa 15 Minuten. Nach der Erfindung ist bei Übernahme dieser Parameter dann vorzugsweise vorgesehen, daß nach dem Austritt aus dem Tunnelsystem eine gezielte starke Abschreckung mittels Flüssigkeit, typischerweise Wasser, erfolgt. Dies bietet den Vorteil, zum einen eine gleichmäßige, den fertigen Flachrohrverflüssiger schützende neue Oxidschicht auf der Oberfläche, insbesondere der äußeren Oberfläche, des Aluminiums zu erzeugen und zum anderen Flußmittelreste im äußeren Sammlerbereich leicht physikalisch unter Ausnutzung der Kontraktion des Aluminiums beim Abschrecken absprengen zu können.

Weiterhin macht die Erfindung vorteilhaft davon Gebrauch, daß sich wegen seiner kleineren spezifischen Masse das Netz aus Flachrohren und Zickzacklamellen schneller im Lötofen erhitzt als der Sammlerbereich. Dies ermöglicht es, die Ultraschallschweißung in dem genannten Netz zeitlich früher vornehmen und zu Ende führen zu können, ehe die konventionelle Verlötung im später auf Hartlöttemperatur kommenden Sammlerbereich durch Schwingungseinwirkung des Ultraschallgebers nachteilig zu beeinflussen, was ungünstigstenfalls zu Störungen, insbesondere bei etwas weiteren toleranzbedingten Lötspalten führen könnte (vgl. Anspruch 19).

Es ist übliche Praxis, auch bei Verwendung eines Flußmittels das Netz aus Flachrohren und Zickzacklamellen mittels eines Spannrahmens so zusammenzuspannen, daß die Lötspalte minimal sind und vielmehr eine möglichst innige materielle Berührung der miteinander zu verlötenden Flächen gegeben ist. Man hat dabei auch schon in der Spannung einstellbare Spannrahmen verschiedener Bauart verwendet. Vorteilhaft hat sich auch bisher schon gezeigt, daß der Spannrahmen beispielsweise aus V4A-Stahl, der in der Heizzone beim Löten nicht korrodiert, einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizient als Aluminium hat, so daß während der Aufheizung des Netzes auf die Löttemperatur vom Spannrahmen eine ständig steigende Spannkraft auf das genannte Netz ausgeübt wird. Dadurch kann man auch, wenn im Rahmen der Erfindung überhaupt kein Flußmittel in dem genannten Netz beim Verlöten zur Anwendung kommt, eine einwandfreie Flächenberührung der miteinander zu verlötenden Teile sicherstellen. Im Rahmen der Erfindung bedeutsam ist, daß man den Spannrahmen oder eine andere vergleichbare Spanneinrichtung so gewichts- und formmäßig auswählt, daß der Spannrahmen zusammen mit dem genannten Netz die Eigenfrequenz einnehmen kann, die man während der Ultraschallschweißung anregen möchte, um optimale Schweißergebnisse erhalten zu können.

Nun ist diese Eigenfrequenz im allgemeinen anders als die eines Ultraschallgebers wie etwa eines Konverters. Es ist daher schon bekannt, einem derartigen Ultraschallgeber jeweils einen sogenannten Booster anzuschließen, der durch seine Materialwahl und Formgebung eine Wandlerfunktion übernimmt. Diese Wandlerfunktion kann auch frequenzbedingt sein. Von noch größerer Bedeutung ist diese Wandlerfunktion dann, wenn man zwar Ultraschallgeber passender Anregungsfrequenz hat, aber die Amplitude ändern möchte. Mittels eines solche Boosters wird dann ein Schwingkopf des Ultraschallgebers angeregt, der beispielsweise unmittelbar auf die Einheit aus Spannrahmen und Netz einwirken kann. Vorzugsweise wird jedoch in den Anregungsweg noch ein Element einer Transporteinrichtung des Flachrohrwärmetauschers durch den Lötofen eingezogen, wobei sich besonders ein Metallgeflecht oder -netzwerk als Förderband eignet. Man kann dann durch entsprechende Einstellung eines fixen Ultraschallgeberkopfes oder besser eines von vornherein einstellbaren den Anpreßdruck auf das Förderband nach Wahl einstellen. Es reicht aber aus, wenn das in den Schwingungsanregungsweg einbezogene Förderband gleitend über den jeweils mehr oder minder in den Ofen hineinragenden Schwingkopf bewegt wird. Allgemein kann man durch lose Ankopplung zwischen Schwingkopf und Förderband einerseits und Förderband sowie Einheit aus Spannrahmen und Flachrohrwärmetauscher, andererseits eine solche einstellbare lose Ankopplung erreichen, daß man mit relativer Unabhängigkeit von den Anregungsbedingungen optimale Verhältnisse im Bereich der Hartlötung erreicht. Wenn dort die Lottemperatur der Plattierung der Zickzacklamellen erreicht wird und diese Plattierung dabei in den flüssigen Zustand übergeht, wirkt die Oxidhaut des Aluminiums immer noch als die Flüssigkeit zusammenhaltende Hülle, die an sich erst bei höheren Temperaturen schmelzen würde. Die Einwirkung des Ultraschalls läßt diese Umhüllung platzen und ermöglicht so eine innige Verlötung des nunmehr frei werdenden flüssigen Lotes mit dem jeweils benachbarten Flachrohr, welches seinerseits ja nicht mit einer Hartlotbeschichtung versehen zu sein braucht und im Normalfall auch nicht ist.

Vorrichtungsmäßig gemäß Anspruch 20 ist herausragendes Merkmal der Erfindung, daß ein sonst konventioneller Lötofen, wie der übliche Muffelofen, von außen her durch Ultraschallgeber durchsetzt ist, wobei mindestens ein Schwingkopf eines Ultraschallgebers erforderlich ist, aber auch mehrere eingesetzt werden können. Man kann dann von außen den Anpreßdruck durch mehr oder minder tiefen Eingriff des Schwingkopfes in den Ofen einstellen, wobei bei Verwendung des metallischen Förderbandes, welches früher schon erörtert wurde, dabei auch der Grad der losen Kopplung wählbar ist. Um zu vermeiden, daß ferner die Hitze während der Aufheizstrecke des Lötvorgangs im Muffelofen nachteilige Einwirkungen auf die teilweise elektronischen und ebenfalls häufig temperaturempfindlichen Elemente der Ultraschallgebereinrichtung hat, ist diese nach außen hin über eine gewisse Strecke durch Mantelkühlung vor Überhitzungseinwirkungen geschützt. Das Ausmaß dieser zur Sicherung vorgesehenen Kühlung hängt, wie gesagt, auch von der Bauart ab. Soweit der erwähnte Booster aus Titan besteht, was eine vorzugsweise Anwendung findende Auslegung ist, mögen die Verhältnisse etwas anders sein, als bei anderen Anordnungen, die sich beispielsweise im Wärmeleitvermögen unterscheiden.

Um sicherzustellen, daß beim Flußmittelaufbringen ausschließlich der Sammler mit allen Lötspalten mit Flußmittel benetzt wird und keine Flußmittelspritzer in das Wärmetauschernetz aus Flachrohren und Zickzacklamellen kommen, wird nach Anspruch 25 eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der beide Sammler des Flachrohrverflüssigers durch ein Förderband unter einem Flußmittelträufler so transportiert werden, daß über die gesamte Längserstreckung des Sammlers der Flußmittelstrahl auf der Mitte des Sammlers auftrifft.

Durch eine über die Konstruktion des Träuflers vorgegebene feste Höhe der Flüssigkeitssäule wird eine konstante Austrittsgeschwindigkeit, die unabhängig von allen Parametern der Kinematik der Flußmittelumwälzung ist, erreicht.

Dies ist erforderlich, da bei zu geringer Austrittsgeschwindigkeit das Flußmittel nicht über den gesamten Sammler mit allen Lötspalten verteilt wird und bei zu hoher Geschwindigkeit Flußmittelspritzer auf das Netz aus Flachrohren und Zickzacklamellen gelangen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen noch mehr erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Flachrohrverflüssiger in Strömungsrichtung der Außenluft im fahrenden Kraftfahrzeug;

Fig. 2 im vergrößerten Maßstab einen Querschnitt durch den Anschlußbereich eines Sammlers und eines Flachrohres;

Fig. 3a u. 3b im unverlöteten und verlöteten Zustand im nochmals vergrößertem Maßstab den Anschlußbereich einer Zickzacklamelle an die Außenwand eines Flachrohres;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen zum Ultraschallhartlöten dienenden Muffelofen;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Ofen gemäß Fig. 4 mit unmittelbar anschließendem Tunnel und zugeordnetem Temperaturverlaufdiagramm, einmal bezogen auf das Netzwerk von Flachrohren und Zickzacklamellen und das andere mal bezogen auf den Sammlerbereich;

Fig. 6 eine Darstellung der Zuordnung des Ultraschallgebers mit den Elementen der Schallanregung bis zu dem im Lötofen befindlichen Flachrohrwärmetauscher;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Flußmittelträuflers und des auf dem Förderband in Querrichtung geführten Flachrohrverflüssigers.

Der im ganzen in Fig. 1 ersichtliche Flachrohrverflüssiger aus Aluminium für Kraftfahrzeugklimaanlagen weist eine Reihe zueinander paralleler Flachrohre 2 auf, welche mit ihren Flachseiten einander zugekehrt sind und deren Querschnitt in nicht dargestellter Weise in eine Reihe nebeneinanderliegender Innenkanäle unterteilt ist. Zwischen den einander zugewandten Flachseiten der Flachrohre 2 sind sandwichartig Zickzacklamellen 4 eingeschachtelt. Die Flachrohre 2 weisen nebeneinanderliegende Enden 6 auf, die jeweils in einen Schlitz 8 (vgl. Fig. 2) im Rohrboden 10 eines Sammlers 12 eingesteckt sind. Es sind an den beiden Enden der Anordnungen der Flachrohre 2 zwei Sammler 12 angeordnet. Der eine von ihnen, der auch die Anschlüsse 14 und 16 für den Ein- und den Austritt des inneren Wärmetauschfluids trägt, weist eine zentrale Trennwand 18 auf. Das innere Wärmetauschfluid strömt somit von Strömungseinlaß 14 durch die an der eingangsseitigen Hälfte des mit den Anschlüssen versehenen Sammlers angeschlossenen Flachrohre 2 in den anderen Sammler und von dort zurück zum Auslaß 10.

Beide Sammler 12 sind ferner mit als Halter 20 zum Einbau im Kraftfahrzeug dienenden Laschen versehen.

An den beiden Enden der Sammler 12 ist jeweils eine Abschlußwand 22 im Sammler angeordnet, die im Sammler genauso wie die Trennwand 18 montiert sein kann.

Wie aus Fig. 2 ferner ersichtlich ist, ist der Sammler 12 aus zwei Teilen in Umfangsrichtung zusammengesetzt, und zwar aus dem bereits erwähnten Rohrboden 10 und einer Ergänzungsschale 24.

Zwischen den jeweiligen Flachrohren 2 einerseits und dem Rohrboden 10 andererseits ist ein Lötspalt 26 ausgebildet. Ein weiterer Lötspalt ist zwischen der Ergänzungsschale 24 sowie dem Anschlußrohr 14 oder 16 ausgebildet.

Ein weiterer Lötspalt besteht zwischen dem Rohrboden 10 und der Ergänzungsschale 24, und zwar genaugenommen je ein Lötspalt zu beiden Seiten der Flachrohre 2. Fernerhin besteht ein Lötspalt zwischen der Sammlerinnenfläche einerseits und der Trennwand 18 oder der in gleicher Weise befestigten Abschlußwand 22. Diese anhand von Fig. 2 angesprochenen Lötspalten können relativ groß geraten, da die beteiligten Teile relativ große gegenseitige Toleranzen zeigen.

Schließlich kommt es zu einer Verlötung zwischen Zickzacklamellen 4 und den Flachrohren 2, wie es in Fig. 3a in noch nicht verlötetem Zustand und Fig. 3b im verlöteten Zustand dargestellt ist.

Mit Ausnahme der Lötverbindung zwischen dem Rohr 14 oder 16 einerseits und der Ergänzungsschale 24 andererseits, wo ein eigener Hartlotring 28 außen oberhalb des Lötspaltes im noch nicht verlöteten Zustand nach Darstellung von Fig. 2 aufgelegt ist, kommt es über eine jeweils beidseitige Hartlotplattierung mindestens eines beteiligten Teiles zur Verlötung.

Als Grundmaterial, welches plattiert wird, wird relativ reines Aluminium verwendet, wie beispielsweise nach der amerikanischen Norm die Typen AA 3102 und 3003. Die Plattierung erfolgt dadurch, daß das Grundmaterial und zu beiden Seiten aufgebrachte Blöcke des Plattierungsmaterials gemeinsam flach ausgewalzt werden. Das als Hartlot wirkende Plattierungsmaterial hat einen deutlichen Anteil von S1. Der potentielle Anteil x (vgl. Anspruch 5) setzt dabei je nach den Erfordernissen den Schmelzpunkt herab, damit das Aluminiumhartlot bereits zu einem die Hartlötung ermöglichenden Flüssigkeitszustand kommt, ehe das Grundmaterial Gefahr läuft, seinerseits zu erweichen. Jede Plattierungsschicht hat etwa 1/10 der Dicke des Basismaterials im Fertigungszustand.

Insbesondere beidseitig mit dem genannten Hartlot plattiert sind folgende Bauelemente: der Rohrboden 10, die zentrale Trennwand 18, die Abschlußwände 22 sowie die Zickzacklamellen 4. Die anderen Bauelemente können auch dem reinen Basismaterial bestehen. In Fig. 3b ist veranschaulicht, wie nach dem Hartlöten das ursprüngliche Plattierungsmaterial der Lamelle 4 gegen die benachbarte Flachseite des Flachrohres 2 als Hartlot 30 verlaufen ist. Entsprechende Verläufe erhält man an den anderen Lötspalten oder Lötstellen (Lötring 28).

Die als Hartlot dienenden Plattierungsschichten sind der Einfachheit halber mit Ausnahme von Fig. 3a nicht dargestellt, wo die betreffende Plattierungsschicht 32 beidseitig von der Grundschicht 34 zu erkennen sind. Bei den anderen beidseitig plattierten Elementen sind die Verhältnisse analog.

Die Hartlötung, und zwar sowohl die Ultralötung des Netzes aus Flachrohren 2 und Zickzacklamellen 4 als auch die ein haftendes Flußmittel auf der Basis KAlF verwendete Verlötung im Bereich der Sammler 12 erfolgt in einem Muffelofen 34, durch den der hartzuverlötende Flachrohrwärmetauscher in dessen Längsrichtung aus einem Edelstahlnetz bestehenden endlosen Förderband 36 transportiert wird, dessen eines Drum durch den Muffelofen läuft und dessen anderes Drum außerhalb des Muffelofens zurückläuft. Die Führung des Förderbandes 36 erfolgt dabei über Umlenkrollen 38, von denen eine angetrieben ist.

Rechtwinklig zur Anordnung der Sammler 12 ist das Netz aus Flachrohren 2 und Zickzacklamellen 4 von einem ebenfalls aus Edelstahl bestehenden Spannrahmen 40 gehalten, dessen Spannkraft einstellbar ist und sich beim Aufheizvorgang wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von auf Eisen basierendem Material und von auf Aluminium basierendem Material verstärkt. Es reicht dabei aus, in der ursprünglichen Montage das Netz aus Flachrohren und Zickzacklamellen mit losem Preßsitz einzulegen. Selbst dann erhält man überall, wo dies erforderlich ist, eine feste Verpressung zwischen den Flachseiten der Flachrohre 2 und den Umlenkscheiteln der Zickzacklamellen 4, wie dies in den Fig. 3a und 3b als linienförmige Anlage veranschaulicht ist. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß die Zickzacklamellen selbst insbesondere im warmen Zustand eine gewisse Nachgiebigkeit besitzen, welche die materielle Anlegung der aneinanderzulötenden Flächen fördert. Es empfiehlt sich dabei, den Spannrahmen so zu verstreben und gegebenenfalls bei Verstellbarkeit zu führen, daß die Spannkraft über die ganze Breite des Bereichs zwischen den beiden Sammlern gleichmäßig aufgebracht wird.

Der Spannrahmen selbst wird zweckmäßigerweise aus Hohlprofilen gebildet, wie dies in Fig. 4 durch Darstellung von Kastenprofilen zeichnerisch verdeutlicht ist. Die Querversteifung dieser Kastenprofile und gegebenenfalls zugleich deren Verstellbarkeit zueinander wird durch weitere Kastenprofile oder C-Profile gebildet, die rechtwinklig zu den Kastenprofilen verlaufen, welche die eigentliche Einspannfunktion haben. Diese Querversteifungen sind dabei unterhalb des Netzwerkes aus Flachrohren und Zickzacklamellen angeordnet und dienen zugleich zur sockelartigen Auflagerung der Einheit aus Spannrahmen 40 und Flachrohrwärmetauscher auf dem Förderband 36. Wegen der losen Auflage ist dabei die Koppelung ebenfalls lose und nicht etwa fixiert.

In der Zone, in der innerhalb des Muffelofens 34 die Ultraschallverlötung des Netzwerkes aus Flachrohren 2 und Zickzacklamellen 4 erfolgt, greift durch eine Öffnung 42 im Boden 44 des Muffelofens 34 eine Anordnung aus zwei Schwingköpfen 46 von der Außenseite des Muffelofens aus in dessen Innenraum ein. Die Schwingköpfe 46 sind jeweils über einen Booster 48 mit einem Ultraschall aussendenden Schwingungserzeuger 50 (oder Konverter) gekoppelt, wobei wiederum eine lose Koppelung zwischen dem jeweiligen Schwingkopf 46 und dem Förderband 36 besteht. Das Ausmaß der losen Kopplungen kann man durch Einstellung der Eingrifftiefe dieser Ultraschall erzeugenden Gesamteinrichtung einstellen. Schwingungserzeuger, Booster und Schwingköpfe können aneinander befestigt sein.

Der Verfahrensablauf der Hartlötung ist anhand des Längsschnittes gemäß Fig. 5 der Einrichtung nach Fig. 4 verdeutlicht.

Man erkennt, daß die im Schnitt nach Fig. 4 vorgesehene Anordnung an der Stelle längs der Achse des Muffelofens 34 vorgesehen ist, wo gemäß dem strichpunktierten Diagramm bereits das Hartlot der Plattierung der Zickzacklamellen flüssig wird, während die Verflüssigung des Hartlots der Plattierungen der anderen erwähnten Elemente erst gemäß der ausgezogen dargestellten Kurve später erfolgt, und zwar etwa dort, wo im Längsschnitt das Schutzgas N₂ in den Muffelofen 34 eingeblasen wird, um dann in beiden Längsrichtungen des Muffelofens vorwärts und rückwärts zu strömen. Dementsprechend reicht die Aufheizzone im Muffelofen bis zu dem Bereich, wo mittels des Flußmittels die Verschweißung im Bereich der Sammler erfolgt, während die Hartlotschicht im Netz zwischen Flachrohren und Zickzacklamellen bis dahin flüssig gehalten wird. Daran schließt sich in axialer Verlängerung des Muffelofens als Baukörper unmittelbar ein in seiner Mantelfläche mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagter Kühltunnel 54 an. Nach dem Austritt des Flachrohrwärmetauschers, bei dem das Hartlot bereits erstarrt ist, wird er durch eine von Flüssigkeit normalerweise Wasser über Sprühdüsen 56 beaufschlagte Abschreckzone geführt, und zwar zur Wärmeentkopplung auf einem weiteren umlaufenden anschließenden Förderband 58, das wiederum durch Umlenkrollen 60 geführt ist, von denen eine angetrieben ist. Dieses Förderband kann wiederum metallisch sein, z. B. aus Edelstahl, ohne daß die Anforderungen hier temperaturmäßig so kritisch sind, wie innerhalb des Muffelofens 34 und mit Abstrichen auch noch im Kühltunnel 54.

Fig. 6 zeigt die elastische Aufhängung des Schwingungserzeugers am Knotenpunkt 62, bei dem die stehende Welle auf dem Booster 48 einen Nulldurchgang hat. Um eine definierte Anlage zwischen Förderband 36 und Schwingungskopf 46 auch bei deformiertem Förderband 36 zu erhalten, wird das Förderband 36 zunächst über einen Keil 64 angehoben, um dann noch gleitend über den Schwingkopf 46 geführt zu werden, der geringfügig über den Keil 46 in den Muffelofen hineinragt. Um Schwingungsbrüche zu vermeiden, ist der Schwingungserzeuger über eine weitere elastische Entkoppelung 64 am Boden 44 des Muffelofens 34 befestigt.

Da sowohl die Gummientkopplung bei der elastischen Aufhängung 62 als auch der Schwingungserzeuger 50 temperaturempfindlich sind, ist der Booster mit einer Mantelkühlung 66 versehen, durch den gasförmiger Stickstoff im Gegenstrom zum Temperaturgradienten des Boosters geführt wird.

Der Stickstoff tritt unterhalb des Bodens 44 aus und verhindert so ein Eindringen von Umgebungsluft in den Muffelofen 34, auch wenn dieser nicht unter Überdruck steht.

Der Schwingungserzeuger ist zur Abführung der elektrischen Energie zusätzlich mit einer umhüllenden Luftkühlung versehen, die ebenfalls auch mit Stickstoff betrieben werden kann.

Der Flußmittelträufler 70 nach Fig. 7 wird über den Zulauf 72 gefüllt. Durch die Austrittshöhe des Überlaufs 74, der mindestens den dreißigfachen Querschnitt des Zulaufs 72 hat, wird weitgehend unabhängig vom Förderstrom der Flußmittelwälzpumpe eine konstante statische Höhe y des Flußmittelstandes im Träufler eingestellt. Der Ausstrittsstrahl des Zulaufes 72 wird so tangential in den Flußmittelträufler 70 geführt, daß durch die Strömung einerseits ein Absetzen der Flußmittelsuspension im Träufler 70 vermieden und andererseits kein pulsierender Staudruck auf das Austrittsrohr 76 gelangt, der zu unerwünschten Geschwindigkeitsänderungen führt. Im Austrittsrohr 76 wird über eine Reinigungseinrichtung 78 ein Ansetzen von festem Flußmittel verhindert und somit ein konstanter Querschnitt garantiert.

Um das Spritzen des Flußmittelstrahles 78 zu vermeiden, ist das Ende des Austrittsrohres im geringen Abstand zum Sammler 12 fixiert.

Durch eine Führung 80 wird der im Spannrahmen vormontierte Flachrohrverflüssiger so durch das Förderband 36 transportiert, daß der Flußmittelstrahl 78 direkt auf der Mitte des Sammlers 12 auftrifft.

Claims (25)

1. Flachrohrverflüssiger aus Aluminium für Kraftfahrzeugklimaanlagen, bei dem die Flachrohre (2) mit mindestens einer Strömungsumkehr zwischen zwei Sammlern (12) parallel zueinander angeordnet sind und zwischen sich
sandwichartig eingeschachtelte Zickzacklamellen (4) als Verrippung tragen, wobei
die Flachrohre (2) jeweils in einen Schlitz (8) im Rohrboden (10) des jeweiligen Sammlers (12) eingreifen,
in mindestens einem Sammler (12) mindestens eine Trennwand (18) zur Unterteilung in ein- und austrittseitige Sammlerabschnitte eingesetzt ist,
an den Sammlern (12), den Zickzacklamellen (4) und der jeweiligen Trennwand (18) jeweils eine außenseitige und eine innenseitige Plattierung (32) mit einem Hartlot (30) auf Aluminiumbasis aufgebracht ist,
die Verbindungen an den Lötspalten (26) zwischen dem Sammler (12) und den Flachrohren (2) sowie der jeweiligen Trennwand (18) sowie zwischen den Flachrohren (2) und den Zickzacklamellen (4) über die Plattierungen hartgelötet sind
und ein Flußmittel für das Hartlöten, das zum Haften am Flachrohrverflüssiger nach dem Hartlöten vorgesehen und mindestens gegenüber dem inneren Wärmetauscherfluid des Flachrohrverflüssigers sowie gegenüber Wasser unlöslich ist, am Flachrohrverflüssiger haftet, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel nur im Sammlerbereich des Flachrohrverflüssigers im Anschluß an die Lötstelle (26) angeordnet ist.

2. Flachrohrverflüssiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Sammler (12) ein Anschlußrohr (14, 16) und/ oder mindestens ein Halter (20) durch ein von der Plattierung (32) unabhängiges Hartlot (28) auf Aluminiumbasis angelötet ist.

3. Flachrohrverflüssiger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler (12) in Umfangsrichtung mehrteilig aus Rohrboden (10) und Ergänzungsschale (24) zusammengesetzt ist und nur der Rohrboden (10) mit der beidseitigen Plattierung (32) versehen ist.

4. Flachrohrverflüssiger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Trennwand (18) in einen Schlitz im Rohrboden (10) eingepreßt, der kleiner als der Innendurchmesser des Sammlers (12) bemessen ist.

5. Flachrohrverflüssiger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot eine Al-Six-Legierung mit x=5 bis 12 ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Flachrohrverflüssigers mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, insbesondere zum Herstellen eines Flachrohrverflüssigers nach Anspruch 1, wobei das Flußmittel auf dem Sammler aufgebracht und mittels des Flußmittels die an den Sammler anschließenden Teile mit dem Sammler hart verlötet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachrohre und die Zickzacklamellen flußmittelfrei mittels Ultraschall unter direktem Kontakt der Plattierung der Zickzacklamellen mit den Flachrohren hartgelötet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6 zum Herstellen eines Flachrohrverflüssigers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Hartlöten das Flußmittel von der Außenseite des Sammlers physikalisch entfernt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entfernen des Flußmittels ein Teilchen - und/oder ein Flüssigkeitsstrahl verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrahl zugleich als Abschreckmittel im noch heißen Zustand des Sammlers im Temperaturbereich von 100° bis 350°C verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls Wasser verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des hartgelöteten Netzes aus Flachrohren und Zickzacklamellen im noch heißen Zustand im Temperaturbereich von 100° bis 350°C abgeschreckt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem das Netz aus Flachrohren und Zickzacklamellen während des Hartlötens mittels eines Spannrahmens zusammengepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannrahmen als Schwingungsüberträger der Ultraschallschwingung auf das Netz verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannrahmen und das Netz als Einheit mit gemeinsamer Eigenfrequenz der Ultraschallschwingung verwendet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fördereinrichtung, insbesondere ein Bandförderer, als Schwingungsüberträger der Ultraschallschwingung verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung eingangsseitig mit mindestens einem Schwingkopf des Ultraschallgebers und ausgangsseitig mit dem Spannrahmen schwingungsmäßig gekoppelt ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits der jeweilige Schwingkopf und die Fördereinrichtung und andererseits diese und der Spannrahmen nur lose über Druckkräfte schwingungsmäßig gekoppelt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsamplitude und/oder die Schwingungsfrequenz durch Anpassung von Masse und Form eines Resonators zwischen Ultraschallgeber und Schwingkopf gewandelt wird bzw. werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkopf des Ultraschallgebers auf eine Längsschwingungsamplitude zwischen 5 und 50 µm, vorzugsweise 10 bis 20 µm eingestellt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 18, bei dem der Flachrohrverflüssiger zum Hartlöten durch eine Heizzone bewegt wird, in der er auf die Löttemperatur aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung des Netzes aus Flachrohren und Zickzacklamellen mittels Ultraschall vorgenommen wird, wenn die Plattierung der Zickzacklamellen fließfähig geworden ist, jedoch ehe das Hartlot im Bereich des Sammlers fließfähig ist.

20. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 19 mit einem Muffelofen (34), durch den der Flachrohrverflüssiger zum Hartlöten bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schwingkopf (46) des Ultraschallgebers (50) durch einen begrenzten Längenabschnitt des Muffelofens von außen in diesen hineinragt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingriffstiefe des Schwingkopfs (46) in dem Muffelofen (34) einstellbar ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, bei der ein metallisches Förderband (36) durch den Muffelofen (34) hindurchgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Förderband (36) gleitbar über den Schwingkopf (46) geführt ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkopf (46) und gegebenenfalls mindestens teilweise auch der Schwingungserzeuger (50) mantelgekühlt (66) sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei der sich der Muffelofen (34) in einen Kühltunnel fortsetzt und bei der sowohl der Muffelofen als auch der Kühltunnel von einer Schutzgasatmosphäre gegen Oxydation beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühltunnel (54) eine von Wasser beaufschlagte Abschreckzone (Sprühdüsen (56)) nachgeordnet ist.

25. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche A 6 bis A 19 zum Aufbringen der Flußmittelsuspension auf den Sammler (12), dadurch gekennzeichnet, daß der im Spannrahmen (40) gehaltene komplett vormontierte Flachrohrverflüssiger durch eine Führung auf dem Förderband so unter einem Träufler durch das Förderband transportiert wird, daß der Träufler ausschließlich den Sammler (12) benetzt und daß die Austrittsgeschwindigkeit der Flußmittelsuspension aus dem Träufler über die statische Flüssigkeitssäule konstant gehalten wird.