EP0660064B1

EP0660064B1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: EP0660064B1
Application number: EP94118838A
Authority: EP
Inventors: Herbert Dr. Damsohn; Albert Schmitz
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 1998-05-27
Anticipated expiration: 2014-11-30
Also published as: DE59406079D1; EP0660064A3; ES2116515T3; DE4343825A1; EP0660064A2; US5749414A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers.

Die Rohr-Bodenverbindungen für Wärmetauscher, insbesondere für die Kühler von Kraftfahrzeugmotoren, aber auch für Kondensatoren, Verdampfer oder Ladeluftkühler, sind immer mit gewissen Problemen behaftet, weil die Abmessungen von Rohren und Rohrböden aus Raum- und Gewichtsgründen möglichst klein sein sollen und weil die in die Rohrböden eingefügten Rohrenden zum einen mechanisch festsitzen müssen und zum anderen aber auch die notwendige Dichtheit erzielt werden muß, um Verluste des Wärmetauschmediums zu vermeiden. Für Wärmetauscher 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 Abdichtvorgang 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 Reinigungsvorgang mit umweltunverträglichen Mitteln, sowie danach den Vorgang der Silikonisierung.

Bekannt ist es auch, die in Durchzügen des Rohrbodens eingefügten Rohrenden mechanisch aufzuweiten und eine Gummidichtung vorzusehen. Hier treten Probleme durch das Einreißen der aufzuweitenden Rohrenden und durch verschobene Dichtungen auf, insbesondere wenn keine runden Rohrquerschnitte vorliegen. Hier gestaltet sich die Abdichtung besonders schwer.

Ein Wärmetauscher der eingangs genannten Art ist aus der FR-A 2 121 757 bekannt, wo eine Möglichkeit geschildert ist, zylindrische Rohre in Rohrböden von Wärmetauschern dadurch einzuschweißen, daß in die Öffnungen der Rohrböden oder, wenn die Rohre bis zum einen Ende der Rohrböden durchgesteckt sind, in Erweiterungen der Rohre, eine rotierend gehaltene Elektrode einwirkt, die eine Lichtbogenschweißung vornimmt und das geschmolzene und in der Regel zusätzlich zugeführte Material dann zu einer Schweißnaht formt, die sowohl in die Innenwandung des Rohres als auch in die Oberfläche des Rohrbodens ausläuft. Die dort verwendeten Rohrböden besitzen aber eine Stärke, die wesentlich mehr als das Zehnfache der Dicke der Rohrwandung beträgt. Solche Lichtbogenschweißungen würden sich bei dünneren Rohrböden, insbesondere wenn sie aus Aluminium bestehen, nicht durchführen lassen.

Aus der DE 30 36 427 A1 ist schließlich ein Laserstrahl-Reflexionssystem bekannt, mit dem es möglich ist, einen aus einer Spiegelanordnung bestehenden Laserstrahlkopf zu drehen und dadurch eine kreisrunde Schweißnaht mit beliebigem Durchmesser herzustellen. Auch dort ist jedoch nur eine Anwendung auf eine Rohr-Bodenverbindung gezeigt, bei der der Rohrboden um Größenordnungen größer ist als die Wandstärke des Rohres.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Forderungen nach mechanischem Halt und Dichtheit der Rohr-Bodenverbindung erfüllt sind, auch wenn die Abmessungen von Rohren und Rohrböden aus Gewichtsgründen nur sehr klein sind. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers angegeben werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die Merkmale des Patentanspruchs 1, beziehungsweise des Patentanspruchs 7 vorgesehen.

Durch diese Ausgestaltung wird es möglich, nur durch einen Arbeitsgang sowohl den notwendigen mechanischen Halt als auch die erforderliche Dichtheit zu erreichen. Zusätzliche Arbeitsvorgänge 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 relativ dünnen Rohrböden zu verschweißen. Der Rohrboden selbst braucht keine Durchzüge mehr aufzuweisen. Es ist lediglich notwendig, die Öffnungen im Rohrboden entsprechend genau an den Rohrquerschnitt anzupassen. Schließlich stellt die erfindungsgemäß hergestellte Schweißnaht auch keinen Widerstand für die Strömung im Wäremtauscher dar, weil kein Rohrüberstand wie beim Stand der Technik mehr vorliegt. Dadurch kann auch Rohrmaterial eingespart werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur Herstellung eines Wärmetauschers nach der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Öffnungen 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 eingeschoben werden, daß sie bündig zu der an den Sammelraum angrenzenden Seite 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 entlanggeführt.

Für die Herstellung ist es auch sehr vorteilhaft, wenn der Fügespalt zwischen den Rohrenden und den zugeordneten Öffnungen des Rohrbodens ringsum kleiner als 0,1mm ist. Die Laserschweißung 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 Rchrboden eines Kühlers für einen Kraftfahrzeugmotor mit eingeschweißten 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 Rohr-Bodenverbindung für den als Kühler für Kraftfahrzeugmotoren dienenden Wärmetauscher zwischen mehreren, in an sich bekannter 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 Rohrdoden (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 zugewandten 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 strömungstechnisch 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 Rohrbodens (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 gewählt 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 gesamten Umfanges des Endes des Rohres (1) von der Seite des Salnmenraumes 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 Winkelhalbierene zwischen der Unterseite (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 außerordentlich gute Festigkeit. Es wäre auch möglich, mehrere Rohre gleichzeitig durch mehrere Laser, oder - weil das Lochbild im Rohrboden ein regelmäßiges Muster darstellt - durch Strahlteilung mit dem Rohrboden zu verschweißen.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere für einen Kühler für Kraftfahrzeugmotoren, mit einem von einem Wärmetauschmedium durchströmten Rohrblock mit parallel zueinander verlaufenden Rohren (1), die mindestens mit einem Ende in einem an einen Sammelraum angrenzenden Rohrboden (2) gehalten und mit diesem dicht verbunden sind, wobei die in den Rohrboden (2) eingeschobenen Rohrenden durch eine längs ihres gesamten Umfanges verlaufende Schweißnaht (3) mit dem Rohrboden verschweißt sind, deren Innenkontur (6) bündig in die Rohrinnenwandung (1a) und in die in das Innere des Sammelraumes weisende Seite (2a) des Rohrbodens (2) übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) als Flachrohre ausgebildet sind, und, wie der Rohrboden (2), aus Aluminium bestehen und daß die Schweißnaht (3) eine Laserschweißnaht ist, die bis in einen Bereich des Rohres (1) reicht, der im Abstand zu der vom Sammelraum abgewandten Seite (2b) des Rohrbodens (2) liegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht (3) gemessen unter einem Winkel von 45° am Schnittpunkt zwischen der Rohraußenwandung und der Rohrbodenunterseite (2b) eine Dicke (a) aufweist, die größer ist als die Stärke (s) der Rohrwandung.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur (6) der Schweißnaht (3) abgerundet ist, so daß eine Art Einlauftrichter an der Rohrmündung entsteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) einen ovalen bzw. elliptischen Querschnitt besitzen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) als Mehrkammerprofile mit flachem Querschnitt ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach Anspruch 1 oder einem der anderen Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet 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) verlaufen, und daß dann die Laserschweißung durch einen entlang des Umfanges der Rohrenden geführten Laserstrahl erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fügespalt (f) zwischen den Rohrenden und den zugeordneten Öffnungen (7) des Rohrbodens (2) ringsum kleiner als 0,1 mm ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung unter Schutzgas erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung mit einem gepulsten ND-YAG-Laser erfolgt.