DE69900986T2

DE69900986T2 - Wärmetauscherverteilerblock mit verbesserter lötbarkeit

Info

Publication number: DE69900986T2
Application number: DE69900986T
Authority: DE
Inventors: Antonio Baldantoni; W. Cagle
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1998-05-05
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2019-04-29
Also published as: EP1076802B1; US6154960A; WO1999057501A1; ES2173746T3; EP1076802A1; DE69900986D1; JP2002513910A; KR20010043366A; ATE214153T1; BR9910224A; CN1308720A; AU4138099A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen wärmetauscherverteilerblock, der ausgelegt ist für die Befestigung durch Hartlöten an einem Wärmetauscherverteiler, indem man den Verteilerblock so orientiert, dass eine Längsachse desselben im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Verteilers verläuft, wobei der Verteilerblock sich zusammensetzt aus einer längsausgerichteten Oberfläche, die im Wesentlichen parallel zu den Längsachsen des Verteilerblocks und des Verteilers verläuft, aus einer zweiten Oberfläche des Verteilerblocks, und aus einer Durchlassöffnung in der zweiten Oberfläche des Verteilerblocks, wobei die Durchlassöffnung konfiguriert ist, um einen Anschlussstutzen aufzunehmen, und der Verteilerblock konfiguriert ist, um an dem Anschlussstutzen befestigt zu werden.
Wärmetauscher für die Anwendung bei Autos besitzen typischerweise Rohre, die zwischen einem Paar von Verteilern miteinander verbunden sind. Die Zubehörteile für die Einlass- und Auslassöffnungen werden an einem oder an den beiden Verteilern befestigt, mit welchen Leitungen für die Zuführung und die Rückführung eines Kühlfluids hin zu und weg von dem Wärmetauscher verbunden sind. Mit Einlass/Auslass versehene Verteilerblöcke werden oft verwendet als eine Alternative zu Verbindungsstücken, wobei ein Verteilerblock in typischer Weise durch Hartlöten mit einem jeden Verteiler verbunden wird. Ein Anschlussstutzen kann durch Hartlöten an dem Block befestigt werden, um eine zuverlässigere Verbindung für das Fluid zwischen dem Block und einer anderen Komponente des Wärmetauschersystems zu liefern.
Fig. 1 zeigt einen Verteilerblock 10, der gemäß dem Stand der Technik so konfiguriert ist, dass er einen Flansch 12 für das Montieren des Blocks 10 an einem (nicht gezeigten) Verteiler beinhaltet sowie eine Durchlassöffnung 14 zur Aufnahme eines (nicht gezeigten) Anschlussstutzens. Solch ein Block konnte im Handel besorgt werden von Hydro Aluminium Adrian Inc., 1607 East Maumee Street in Adrian MI 49221. In Übereinstimmung mit der gängigen Praxis und nach einer geeigneten Vorbereitung des Blocks 10, des Rohres und des Verteilers wird der Flansch 12 des Blocks 10 an den Verteiler angepasst, wobei das Rohr in der Durchlassöffnung 14 angeordnet wird und der Block 10 alsdann durch Hartlöten an das Rohr und an den Verteiler angebracht wird, dies im Verlauf von einem Hartlötzyklus, der in einem Ofen vollzogen wird. Während angemessene Hartlötungen mit den Verteilerblöcken des in Fig. 1 gezeigten Typs erzielt werden können, wäre eine verbesserte Hartlötbarkeit, die durch eine gleichmäßigere Hartlötung zwischen dem Block 10, dem Rohr und dem Verteiler gekennzeichnet wäre, wünschenswert.
Gemäß der hier vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetauscherverteilerblock gemäß der Präambel des Anspruchs 1 geliefert, bei welchem sich Rippen von mindestens einer von der längsverlaufenden Oberfläche und von der zweiten Oberfläche des Verteilerblocks aus erstrecken, wobei die Rippen den Wärmeübergang auf den Verteilerblock über Konvektion und über Strahlung fördern, um so die Geschwindigkeit der Erwärmung des Verteilerblocks während des Hartlötens des Verteilerblocks an den Anschlussstutzen und an den Verteiler zu erhöhen; und bei welchem ein Stirnsenker die Durchlassöffnung umgibt, wobei der Stirnsenker so dimensioniert ist, dass er als Reservoir für das geschmolzene Hartlötmetall dient und er das geschmolzene Hartlötmetall daran hindert weg aus dem Anschlussstutzen und hin zu den Rippen zu fließen während des Hartlötens des Anschlussstutzens an die Durchlassöffnung. Die Erfindung verbessert ein Hartlöten zwischen einem Verteilerblock und einem Rohr, wie etwa einem Anschlussstutzen, der den Verteilerblock, was das Fluid anbetrifft, mit einer anderen Komponente des Wärmetauschersystems verbindet. Der Block gemäß der Erfindung erfordert die Erhöhung der Geschwindigkeit des Wärmeübergangs durch Konvektion und durch Strahlung auf den Verteilerblock im Verlaufe des Hartlötens im Innern eines für das Hartlöten bestimmten Ofens, dadurch dass auf der Oberfläche des Verteilerblocks Rippen, Nuten oder ähnliche Elemente vorgesehen werden, welche die Oberfläche auf dem Block erhöhen und welche folglich die Geschwindigkeit der Erwärmung des Blocks in einen Bereich hochheben, der näher bei demjenigen des Rohres liegt. In Wirklichkeit erhöhen die Merkmale der Oberfläche die Geschwindigkeit der Erwärmung des Blocks, um die grundverschiedenen thermischen Massen des Blocks und des Rohres auszugleichen. Gemäß der Erfindung ist gefunden worden, dass solche Merkmale der Oberfläche den Fluss des Hartlötmetalls hin in Richtung auf den Block fördern, Block bei dem man umgekehrt festgestellt hat, dass er die Qualität der resultierenden Hartlötung zwischen dem Block und dem Rohr fördert.
Die Ziele und Vorteile der Erfindung können besser durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung gewürdigt werden.
Fig. 1 zeigt einen Verteilerblock nach dem Stand der Technik mit einer Durchlassöffnung, in welche ein Anschlussstutzen zum Zwecke der Befestigung durch Hartlöten eingeführt werden soll.
Fig. 2 zeigt einen Verteilerblock des in Fig. 1 gezeigten Typs, der aber gemäß dieser Erfindung umgeändert worden ist, um längsverlaufende und seitliche Rippen, eine mit einem Stirnsenker versehene Durchlassöffnung und einen hinterschnittenen Befestigungsflansch einzuschließen.
Fig. 3 zeigt einen Verteilerblock des in Fig. 1 gezeigten Typs, der aber gemäß dieser Erfindung umgeändert worden ist, um einen zylindrischen Vorsprung einzuschließen, der die Durchlassöffnung umgibt.
Fig. 4 stellt einen Kurvenverlauf dar, der die verbesserte Geschwindigkeit der Erwärmung bei einem Verteilerblock anzeigt, der gemäß dieser Erfindung konfiguriert worden ist, dies im Vergleich zu einem Verteilerblock nach dem Stand der Technik, der gemäß der Fig. 1 konfiguriert worden ist.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungen von Verteilerblöcken 110 und 210 des in Fig. 1 gezeigten Typs, die aber gemäß dieser Erfindung umgeändert worden sind, um die Bildung einer verbesserten Verbindung durch Hartlöten zwischen den Blöcken 110 und 210 und einem Anschlussstutzen 124 (Fig. 2) zu fördern, dies als Ergebnis der Erhöhung der Geschwindigkeit der Erwärmung der Blöcke 110 und 210 in einen Bereich hinein, der etwas näher bei dem Bereich der Erwärmung des Anschlussstutzens 124 liegt. Die Vergrößerungen der Oberfläche sind auch vorzugsweise so ausgebildet, dass der Fluss und die Zurückhaltung der geschmolzenen Hartlötlegierung an den Verbindungsstellen zwischen den Blöcken 110 und 210 und einem Rohr 124 verbessert werden. Während die spezifische Beschreibung vorzugsweise unter Bezugnahme auf das Hartlöten eines Anschlussstutzens 124 erfolgt, könnten ähnliche Vergrößerungen der Oberfläche zum Einsatz gebracht werden, um vergrößerte Hartlötverbindungen zwischen den Verteilerblöcken 110 und 210 und anderen Komponenten des Verteilers mit einer kleineren thermischen Massen zu erhalten.
Fig. 2 ist eine in Einzelteile aufgelöste Zeichnung, die den Verteilerblock 110 und einen Anschlussstutzen 124, sowie den Verteiler 126 und einen vorgeformten Hartlötring 132 zeigt. Der Block 110 ist gemäß dieser Erfindung umgeändert worden, um längsverlaufende Rippen 116 quer über die gegenüberliegenden längsverlaufenden Oberflächen des Blocks 110 aufzuweisen, sowie seitliche Rippen 128 quer über eine seitliche Endoberfläche des Blocks 110. Die gezeigten Rippen 110 und 128 sind durch Nuten 118 und 130 begrenzt, die jeweils in den Oberflächen des Blocks 110 gebildet worden sind, obwohl man vorhersagen kann, dass die Rippen 116 und 128 nicht kaum auf eine andere Weise hätten gebildet werden können. Weiterhin kann sich die Gestalt der Rippen 116 und 128 sowie diejenige der Nuten 118 und 130 von der dargestellten Form unterscheiden. Die Nuten 118 sind vorzugsweise bereits in der extrudierten Grundform enthalten, die für die Herstellung des Blocks 110 verwendet wird, während die seitlichen Rippen 128 vorzugsweise gebildet werden, indem die Nuten 130 maschinell in die Oberfläche des Blocks 110 in der Nähe der Durchlassöffnung eingearbeitet werden. Die Rippen 116 und 128 fördern den Wärmeübergang durch Konvektion und durch Strahlung auf den Block 110 in der Atmosphäre eines Hartlötofens, wodurch die Geschwindigkeit der Erwärmung des Blocks 110 in einen Bereich herangebracht wird der näher bei derjenigen des Rohres 124 liegt, der in der Durchlassöffnung 114 angeordnet wird und dann durch Hartlöten an dem Block 110 befestigt wird. Obwohl die Rippen 116 und 128 so dargestellt sind, als ob sie zusammen auf dem Block 110 zum Einsatz kämen, kann man voraussehen, dass geeignete Ergebnisse auch für solche Verteilerblöcke erzielt werden könnten, die nur mit einem der beiden Sätze an Rippen 116 oder 128 ausgerüstet sind.
Der Block 110 nach Fig. 2 ist ferner unter Zuhilfenahme eines Stirnsenkers 120 umgeändert worden, der die Durchlassöffnung 114 umgibt. Der Stirnsenker 120 ist vorzugsweise so dimensioniert, dass er als Reservoir für geschmolzenes Hartlötmetall im Verlaufe des Hartlötzyklus dient und dass er ebenfalls dazu dient das geschmolzene Hartlötmetall davon abzuhalten weg aus dem Rohr/Verbindungsblock und hin zu den Rippen 116 und 128 zu fließen, die während des Vorganges des Hartlötens heißer als der Block 110 und das Rohr 124 sind, dies als ein Ergebnis ihrer geringen thermischen Masse und des vergrößerten Wärmeüberganges durch Konvektion und durch Strahlung hin zu den Rippen 116 und 128. Die Fähigkeit des Stirnsenkers 120 zu verhindern, dass geschmolzenes Hartlötmetall weg aus dem Rohr/Verbindungsblock und hin zu den seitlichen Rippen 128 fließt, ist besonders kritisch wegen der räumlichen Nähe der seitlichen Rippen 128 zu der Durchlassöffnung 114. Der Stirnsenker 120 kann auch dazu dienen, den Hartlötring 132 aufzunehmen, der vor dem Hartlötvorgang um das Rohr 124 herum angeordnet wird und danach im Verlauf des Hartlötzyklus als Quelle für Hartlötmetall dienen kann.
Schließlich zeigt der in Fig. 2 dargestellte Block 110 eine derartige Umänderung, dass er einen hinterschnittenen Befestigungsflansch 112 mit einschließt, der sich von dem Flansch 12 der Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass die Schlitzanordnung des Flansches 12 in der unmittelbaren Umgebung der Durchlassöffnung 114 fehlt, wie aus einem Vergleich der Fig. 1 und 2 ersehen werden kann. Der hinterschnittene Befestigungsflansch 112 dient dazu, eine schnellere Erwärmung des Rohres/Verbindungsblocks 110 zu fördern, indem eine zusätzliche Oberfläche des Blocks 110 in der Nähe der Durchlassöffnung 114 einem Wärmeübergang durch Konvektion erfährt. Der hinterschnittene Befestigungsflansch 112 hebt auch den Kontakt zwischen dem Verteiler 126 und dem Block 110 in der unmittelbaren Umgebung der Durchlassöffnung 114 auf. Es hat sich herausgestellt, dass, wenn man so verfährt, das geschmolzene Hartlötmetall daran gehindert wird unter dem Einfluss der Schwerkraft weg aus dem Rohr/Verbindungsblock und hin zu dem Verteilerblock 126 gezogen zu werden. Fig. 4 zeigt einen Kurvenverlauf, der die verbesserte Geschwindigkeit der Erwärmung eines Verteilerblocks zeigt, der gemäß der Erfindung umgeändert worden ist. Die Daten auf dieser Kurve wurden während eines Hartlötzyklus gewonnen, bei dem Verteilerblöcke des in den Figuren gezeigten Typs gleichzeitig durch Hartlöten an dem Anschlussstutzen und an den Verteilern befestigt wurden. Die in den Kurvenverläufen gezeigten Temperaturen wurden gemessen neben den Durchlassöffnungen eines modifizierten Blocks, welcher mit längsseitigen Rippen 116, mit einem Stirnsenker 120 und mit einem hinterschnittenen Befestigungsflansch 112 ausgerüstet ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird (Kurve "A" in dem Schaubild), und in einem Block 10 gemäß Fig. 1 nach dem Stand der Technik (Kurve "B" in dem Schaubild). Die Temperatur des Blocks 10 nach dem Stand der Technik bleibt beträchtlich hinter derjenigen von anderen Teilen der Verteileranordnung zurück, einschließlich derjenigen des Anschlussstutzens, dies wegen der relativ großen thermischen Masse des Blocks 10. Im Gegensatz dazu förderten die vergrößerten Oberflächen des gemäß der Erfindung modifizierten Blocks eine wesentlich schnellere Geschwindigkeit der Erwärmung des Blocks rund um die Durchlassöffnung herum und eine längere Dauer des in dem Kurvenverlauf dargestellten Hartlötzyklus, wobei der Stirnsenker 120 das geschmolzene Hartlötmetall daran hinderte weg aus dem Rohr/Verbindungsblock und hin zu den heißeren Rippen 116 zu fließen.
Der in Fig. 3 gezeigte Verteilerblock 210 ist noch eine andere Ausführung dieser Erfindung. Der Block 210 ist wieder von dem in der Fig. 1 gezeigten Typ, aber er ist so abgeändert worden, dass er einen zylindrischen Vorsprung 232 innerhalb eines Stirnsenkers 220 aufweist, der eine Durchlassöffnung 214 umgibt, wobei die beiden letztgenannten im Wesentlichen identisch sind mit dem Stirnsenker 120 und mit der Durchlassöffnung 114 aus der Fig. 2. Außer dass er als Reservoir für geschmolzenes Hartlötmetall während des Hartlötzyklus dient (ähnlich wie bei dem Stirnsenker der Fig. 2), fördert der Vorsprung 232 auch den Wärmeübergang auf das Rohr/den Verbindungsblock, indem die Masse des Blocks 210 in der unmittelbaren Umgebung der Verbindung vermindert werden. Während die Ausführung ohne die anderen Vergrößerungen der Oberfläche gemäß dieser Erfindung gezeigt wird, würde es im Allgemeinen von Vorteil sein, den Vorsprung 232 in Verbindung mit den Rippen 116 und 128 und mit dem hinterschnittenen Befestigungsflansch, wie sie in Fig. 2 gezeigt werden, zu verwenden.
In einer Untersuchung, die zu dieser Erfindung geführt hat, wurden gleichmäßige Hartlötungen zwischen Anschlussstutzen und den gemäß dieser Erfindung konfigurierten Verteilerblöcken vorgenommen. Ein erster Hartlöttest wurde durchgeführt mit einem Verteilerblock, der mit längsseitigen Rippen 116 und mit einem Stirnsenker 120 der Fig. 2 ausgerüstet war, aber ohne die seitlichen Rippen 128 und ohne einen hinterschnittenen Befestigungsflansch 112. Vor dem Hartlöten wurde eine Vorform eines Hartlötrings auf dem Rohr angeordnet und anschließend wurde dieser Ring in dem Stirnsenker 120 aufgenommen, als das Rohr auf den Block montiert wurde. Während des Hartlötens bei etwa 1155º F (etwa 824ºC) entstand ein guter Fluss an Hartlötmetall zwischen dem Block und dem Rohr als ein Ergebnis einer verbesserten und gleichmäßigeren Erwärmung des Blocks und des Rohres. Wenn es erst einmal geschmolzen war, wurde das Hartlötmetall von dem Stirnsenker 120 gehalten und dadurch daran gehindert, weg aus der Verbindung Rohr/Verbindungsblock und hin zu den Rippen 116 zu fließen.
In einem zweiten Hartlöttest wurde ein Verteilerblock, wie er in den Figuren gezeigt wird, so modifiziert, dass er nur längsseitige Rippen 116 und einen hinterschnittenen Befestigungsflansch 112 aufwies. Der Block durchlief eine Hartlötbehandlung, die im Wesentlichen identisch war mit der des ersten Tests, wobei ein Anschlussstutzen eines in der Fig. 2 gezeigten Typs innerhalb der Durchlassöffnung des Blocks durch Hartlöten befestigt wurde. Wieder entstand ein guter Fluss an Hartlötmetall zwischen dem Block und dem Rohr. Ein dritter Hartlöttest wurde durchgeführt mit einem Verteilerblock, der so modifiziert worden war, dass er längsseitige Rippen 116, einen Stirnsenker 120 und einen hinterschnittenen Befestigungsflansch 112 wie in Fig. 2 aufwies. Die verbesserte Qualität der Hartlötung wurde wieder zurückgeführt auf den verbesserten Fluss an Hartlötmetall als ein Ergebnis einer gleichmäßigeren Erwärmung des Blocks und des Rohres.
Während man die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben hat, ist es offensichtlich, dass ein sich auf diesem Gebiet auskennender Experte andere Ausführungsformen annehmen könnte, zum Beispiel könnte sich das besondere Aussehen der Rippen, der Nuten, des Stirnsenkers und der Hinterschneidung von dem unterscheiden, was in den Figuren dargestellt worden ist. Außerdem können diese Umänderungen in anderen als den gezeigten Kombinationen verwendet werden. Dementsprechend sollte es klar sein, dass die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern stattdessen nur gemäß den folgenden Ansprüchen eingegrenzt werden kann.

Claims

1. Wärmetauscherverteilerblock (110, 210), der ausgelegt ist für die Befestigung durch Hartlöten an einem Wärmetauscherverteiler, indem man den Verteilerblock (110, 210) so orientiert, dass eine Längsachse desselben im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Verteilers verläuft, wobei der Verteilerblock enthält:

- eine längsausgerichtete Oberfläche, die im Wesentlichen parallel zu den Längsachsen des Verteilerblocks und des Verteilers verläuft;

- eine zweite Oberfläche des Verteilerblocks;

- eine Durchlassöffnung (114, 214) in der zweiten Oberfläche des Verteilerblocks, wobei die Durchlassöffnung konfiguriert ist, um einen Anschlussstutzen (124) aufzunehmen, und der Verteilerblock (110, 210) konfiguriert ist, um an dem Anschlussstutzen befestigt zu werden;

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Rippen (116, 128) sich von mindestens einer der längsverlaufenden und der zweiten Oberflächen des Verteilerblocks (110, 210) aus erstrecken, wobei die Rippen (116, 128) den Wärmeübergang auf den Verteilerblock (110, 210) durch Konvektion und durch Strahlung fördern, um so die Geschwindigkeit der Erwärmung des Verteilerblocks (110, 210) im Verlaufe des Hartlötens des Verteilerblocks an den Anschlussstutzen und an den Verteiler zu erhöhen;

und,

dass ein Stirnsenker (120, 220) die Durchlassöffnung (114, 214) umgibt, wobei der Stirnsenker (120, 220) so dimensioniert ist, dass er als Reservoir für geschmolzenes Hartlötmetall dient und das geschmolzene Hartlötmetall daran hindert weg aus dem Anschlussstutzen (124) und hin in Richtung auf die Rippen zu fließen während des Befestigens durch Hartlöten des Anschlussstutzens (124) an die Durchlassöffnung (114, 214).

2. Wärmetauscherverteilerblock, wie in Anspruch 1 offenbart, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (116, 128) durch längsverlaufende Nuten (118, 130) begrenzt sind, die mit in die längsseitige Oberfläche des Verteilerblocks (110, 210) hinein extrudiert worden sind.

3. Wärmetauscherverteilerblock, wie in Anspruch 1 offenbart, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerblock einen Befestigungsflansch (112, 212) aufweist, der so konfiguriert ist, dass er mit dem Verteiler ineinander greift zwecks Befestigung des Verteilerblocks an dem Verteiler.

4. Wärmetauscherverteilerblock, wie in Anspruch 3 offenbart, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsflansch (112) in Längsrichtung von der zweiten Oberfläche des Befestigungsblocks (110) entfernt angeordnet ist.

5. Wärmetauscherverteilerblock gemäß irgendeinem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen einen Satz von längsverlaufenden Rippen (116) aufweisen, die sich entlang der längsseitigen Oberfläche erstrecken, sowie einen Satz von seitlichen Rippen (128), die sich entlang der zweiten Oberfläche erstrecken.

6. Wärmetauscherverteilerblock gemäß irgendeinem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Block (210) einen zylindrischen Vorsprung (232) aufweist, der sich im Innern des Stirnsenkers (220) befindet und die Durchgangsöffnung (214) umgibt.