EP1227291B1 - Wärmetauscher und Herstellungsverfahren - Google Patents

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EP1227291B1 EP01127879A EP01127879A EP1227291B1 EP 1227291 B1 EP1227291 B1 EP 1227291B1 EP 01127879 A EP01127879 A EP 01127879A EP 01127879 A EP01127879 A EP 01127879A EP 1227291 B1 EP1227291 B1 EP 1227291B1
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flat
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Bernhard Lamich
Viktor Brost
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Modine Manufacturing Co
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0219—Arrangements for sealing end plates into casing or header box; Header box sub-elements
    • F28F9/0221—Header boxes or end plates formed by stacked elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49373—Tube joint and tube plate structure

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for motor vehicles with a rib - flat tube block, consisting of flat tubes with ribs arranged therebetween, with deformed ends of the flat tubes leading into opposite collection or deflection boxes and with the longitudinal sides of the deformed ends with one another and with the narrow sides at the connection edges the collection or deflection boxes are connected by means of soldering; the ends of the flat tubes have at least one separating cut, which divides the ends of the flat tubes into two parts; at least one of the separated parts of each flat tube has a bend transversely to the longitudinal direction, which leads to a connecting surface between the longitudinal side of the flat tube and the longitudinal side of the part of the adjacent flat tube; the collection or deflection boxes extend with their connection edges over the turn, Furthermore, the invention relates to a production method for the heat exchanger.
  • the heat exchanger and the method are the subject of the patent applications DE 100 19 268.8 and DE 100 60 006.9. If such a heat exchanger is used as a coolant cooler, the small diameter of the flat tubes is relatively small, often in the range of less than 2 mm, so that the two parts resulting from the separating cut, which serve the solder connection with the connection edges of the collecting or deflection boxes , also form very small surfaces, which lead to partially unsatisfactory solder joints. For example, from FIGS. 4 and 6 of DE 195 43 986 A1 it can be seen that the large diameter of the deformed ends of the flat tubes is reduced to such an extent that the collecting or deflecting boxes are significantly narrower than the ribbed flat-tube block.
  • the object of the present invention is to eliminate or mitigate the above disadvantages.
  • the ends of the flat tubes are doubly graded within its forming section, wherein the gradation is made by means of an upsetting and Aufweitvorganges, so that the small diameter of the flat tube expands and the large diameter of the flat tube is reduced, and wherein the other gradation can be produced by the separating cut and the bending of at least one of the separated parts.
  • the manufacturing method according to the invention provides, in connection with the preamble of claim 5, that the ends of the flat tubes are subjected to an upsetting and widening operation prior to separation or in one operation, wherein the small diameter of the flat tubes expands and the large diameter of the flat tubes is reduced, and that the at least one separating cut is mounted within the Umformabêtes in the narrow sides of the ends of the flat tubes.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge mit einem Rippen - Flachrohr - Block, bestehend aus Flachrohren mit dazwischen angeordneten Rippen, wobei umgeformte Enden der Flachrohre in gegenüberliegende Sammel - oder Umlenkkästen münden und mit den Längsseiten der umgeformten Enden untereinander sowie mit den Schmalseiten an den Verbindungsrändern der Sammel - oder Umlenkkästen mittels Löten verbunden sind; die Enden der Flachrohre weisen mindestens einen Trennschnitt auf, der die Enden der Flachrohre in zwei Teile aufteilt; mindestens eines der aufgetrennten Teile eines jeden Flachrohres besitzt quer zur Längsrichtung eine Abbiegung, die zu einer Verbindungsfläche zwischen der Längsseite des Flachrohres und der Längsseite des Teils des benachbarten Flachrohres führt; die Sammel - oder Umlenkkästen reichen mit ihren Verbindungsrändern bis über die Abbiegung hinweg,
    Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für den Wärmetauscher.
  • Der Wärmetauscher und das Verfahren sind Gegenstand der Patentanmeldungen DE 100 19 268.8 und DE 100 60 006.9.
    Wird ein solcher Wärmetauscher als Kühlmittel - Kühler verwendet, ist der kleine Durchmesser der Flachrohre relativ gering, oftmals im Bereich von weniger als 2 mm, so daß die durch den Trennschnitt entstandenen zwei Teile, die der Lötverbindung mit den Verbindungsrändern der Sammel - oder Umlenkkästen dienen, ebenfalls sehr kleine Flächen ausbilden, die zu teilweise unbefriedigenden Lötverbindungen führen.
    Beispielsweise aus den Fig. 4 und 6 der DE 195 43 986 A1 ist zu erkennen, daß der große Durchmesser der umgeformten Enden der Flachrohre soweit verkleinert ist, daß die Sammel - oder Umlenkkästen deutlich schmaler sind als der Rippen - Flachrohr -Block. Würde der große Durchmesser nicht so stark verkleinert werden, käme es auch dort verstärkt zu Problemen hinsichtlich der Lötverbindung. Ferner würde sich der Abstand zwischen den Flachrohren bzw. die Höhe der dazwischen angeordneten Rippen zwangsläufig weiter verringern, was hinsichtlich der Konstruktionsfreiheit Einschränkungen mit sich bringt.
    Mithin entstehen Nachteile, insbesondere wenn in einem bestimmten Anwendungsfall die Netztiefe, bzw. die Tiefe des Rippen - Rohr - Blocks sehr gering sein soll, beispielsweise im Bereich von 20 bis 30 mm, weil dann die Sammel - oder Umlenkkästen so schmal sind, daß sie zu einem unerwünscht hohen Druckverlust im Kühlmittel führen.
    Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, die vorstehenden Nachteile zu beseitigen oder abzuschwächen.
    Erfindungsgemäß ist dazu bei dem Wärmetauscher vorgesehen, daß die Enden der Flachrohre innerhalb ihres Umformungsabschnitts zweifach abgestuft sind, wobei die eine Abstufung mittels eines Stauch - und Aufweitvorganges hergestellt ist, sodass der kleine Durchmesser der Flachrohr erweitert und der grosse Durchmesser der Flachrohr verkleinert wird, und wobei die andere Abstufung durch den Trennschnitt und die Abbiegung mindestens eines der aufgetrennten Teile herstellbar ist.
    Das Herstellungsverfahren sieht im Zusammenhang mit dem Oberbegriff des Anspruchs 5 erfindungsgemäß vor, daß die Enden der Flachrohre vor dem Auftrennen oder in einem Arbeitsgang mit dem Auftrennen einer Stauch - und Aufweitoperation unterzogen werden, wobei der kleine Durchmesser der Flachrohre erweitert und der große Durchmesser der Flachrohre verkleinert wird, und daß der mindestens eine Trennschnitt innerhalb des Umformabschnittes in den Schmalseiten der Enden der Flachrohre angebracht wird.
  • Die Erfindung führt zu folgenden Vorteilen. Weil die Enden der Flachrohre zunächst umgeformt, dann aufgetrennt und danach mindestens eines der abgetrennten Teile abgebogen wird, kann mit der maßlichen Gestaltung der Abbiegungen der Abstand zwischen den Flachrohren und damit der Auswahlbereich für geeignete Rippen wesentlich erweitert werden.
    Außerdem ergeben sich an den Enden der Flachrohre breitere Schmalseiten und damit wird sich die Lötqualität der Schmalseiten mit den Verbindungsrändern der Sammel - oder Umlenkkästen verbessern.
    Die Erfindung gewährleistet die Verwendung der Wärmetauscher auch für Kühlmittel - Luft - Kühler, die Flachrohre mit sehr kleinen Abmessungen ihrer kleinen Durchmesser aufweisen, weil auch bei derartigen Wärmetauschern genügend Lötflächen erzeugt werden können. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch auch beispielsweise für luftgekühlte Ladeluftkühler mit Vorteilen anwendbar.
    Insbesondere wird durch die Erfindung - durch die Kombination von Stauch - und Aufweitoperation mit Trenn - und Abbiegevorgang - erreicht, daß auch Wärmetauscher mit geringer Tiefe des Kühlnetzes also sehr schmale Wärmetauscher Sammel - oder Umlenkkästen aufweisen können, die nicht schmaler sein müssen als die Tiefe des Kühlnetzes. Damit wird der Druckabfall im Kühlmittel nicht so stark ausfallen wie beim Stand der Technik.
    Insbesondere ist das deshalb erreicht worden, weil die Aufweitoperation geringer sein kann, d. h. nicht so große Umformgrade aufweist als beim Stand der Technik, was bedeutet, daß nicht so große Einengungen am Übergang des Umformabschnittes zum Flachrohr vorhanden sind. Das führt zu einer deutlichen Verringerung des Druckverlustes.
    Weil der Umformgrad geringer sein kann, kann auch die Tiefe des Umformabschnittes und die Länge des Trennschnittes am jeweiligen Ende des Flachrohres vergrößert werden, wodurch die Vielfalt konstruktiver Möglichkeiten wesentlich erweitert wird.
    Letztlich ist die Anbringung des Trennschnitts, falls das in einem separaten Arbeitsschritt erfolgen soll, einfacher geworden, weil die Schmalseiten der Flachrohrenden vorher verbreitert wurden.
    Weitere Merkmale sind Inhalt der Unteransprüche, auf die hiermit verwiesen wird. Außerdem gehen Merkmale und Wirkungen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor, die möglicherweise auch als wesentlich angesehen werden müssen. Dazu wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen.
    • Fig. 1 Teil -Seitenansicht des Wärmetauschers;
    • Fig. 2 Schnitt B - B von Fig. 1 mit Einzelheit "U";
    • Fig. 3 Schnitt C - C von Fig. 1 mit Einzelheit "V";
    • Fig. 4 Teil -Seitenansicht des Wärmetauschers ohne Sammelkasten;
    • Fig. 5 Schnitt A - A aus Fig. 4 mit Einzelheit "W";
    • Fig. 6 Perspektivische Ansicht des Endzustandes des Flachrohrendes;
    • Fig. 7 Perspektivische Ansicht der Vorstufe des Flachrohrendes;
    • Fig. 8 2. Ausführungsbeispiel in einer Teil-Seitenansicht;
    • Fig. 9 3. Ausführungsbeispiel in einer Teil -Seitenansicht;
    • Fig. 10 4. Ausführungsbeispiel;
    • Fig. 11 Perspektivische Ansicht einer 5. Ausführung;
    • Fig. 12 wie Fig. 11, zusammengebaut;
    Der Rippen - Flachrohr - Block des Wärmetauschers 1 besteht aus Flachrohren 2 und dazwischen angeordneten Wellrippen 3. Die Teilansicht in der Fig. 1 zeigt lediglich einen Sammelkasten 5. Es versteht sich, daß der andere Sammelkasten 5 an den gegenüberliegenden Enden 4 der Flachrohre 2 identisch angeordnet ist. Sämtliche Teile dieses Ausführungsbeispiels bestehen aus Aluminium und sind nach Bedarf mit Lot plattiert. Die Sammelkästen 5 sind von einfachster Gestalt, so daß ihre Herstellung sehr kostengünstig mit bekannten Verfahren der Umformtechnik möglich ist. Jeder Sammelkasten 5 hat zwei Verbindungsränder 7, mit denen er die Schmalseiten 11 der Flachrohre 2 an den Enden 4 im Umformabschnitt 12 (Fig. 6) übergreift. Im Ausführungsbeispiel aus den Fig. 1 bis 7 sind die Enden 4 der Flachrohre 2 innerhalb ihres Umformungsabschnitts 12 an beiden Längsseiten 6 zweifach abgestuft, wobei die eine Abstufung 13 mittels eines Stauch - und Aufweitvorganges und die andere Abstufung 14 mittels eines einzigen Trennschnitts 8, durch beide Schmalseiten 11 der Flachrohre 2 und durch die Abbiegung 9 beider Teile 2a; 2b hergestellt ist. Die Breite B der Sammelkästen 5 entspricht der Tiefe T des Kühlnetzes, was aus der Fig. 3 zu erkennen ist und auch aus der Fig. 5 hervorgeht, die das Kühlnetz ohne Sammelkasten 5 zeigt. Deshalb handelt es sich bei dem Wärmetauscher dieses Ausführungsbeispiels um einen Kühlmittel - Luft - Kühler, der eine relativ geringe Tiefe T des Kühlnetzes besitzt, die etwa 25 mm beträgt. Ferner besitzt dieser Flachrohre 2, deren kleiner Durchmesser d weniger als 2 mm groß ist.
    Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch Fig.1, der etwa im Bereich der ersten Abstufung 13 der Enden 4 der Flachrohre 2 angeordnet ist bzw. kurz oberhalb der Abstufung 13. Die Abstufung 13 entsteht im Ergebnis des Stauch - und Aufweitvorganges. Die Fig. 3 zeigt einen anderen Schnitt durch Fig. 1, der kurz oberhalb der zweiten Abstufung 14 bzw. durch die Verbindungsflächen 10 verläuft, die durch die aneinander anliegenden Längsseiten 6 benachbarter Flachrohrenden 4 gebildet sind. Die Abstufung 14 entsteht im Ergebnis der Abbiegung 9 der Teile 2a und 2b.
    Der Umformgrad des Stauch - und Aufweitvorganges ist deutlich geringer als bei bekannten Wärmetauschern, d. h. der große Durchmesser D des Flachrohres 2 ist wesentlich weniger reduziert worden und der kleine Durchmesser d ist deutlich geringer erweitert worden. Deshalb könnte ohne Probleme der Umformabschnitt 12 auch tiefer in das Flachrohr 2 hinein reichen als es in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist. Dadurch würden dann noch größere Flächen für die Lötverbindung zwischen den Schmalseiten 11 und den Verbindungsrändern 7 entstehen. Das Ergebnis des beschriebenen Verfahrensschrittes (Aufweitvorgang) ist in der Fig. 7 gezeigt. Die Abbildung zeigt ferner bereits den in den Ausführungsbeispielen einzigen Trennschnitt 8, der mittig in den Schmalseiten 11 des Flachrohres 2 und zwar innerhalb des Umformabschnitts 12 angebracht wird. Der Trennschnitt ist deutlich kürzer als der Umformabschnitt 12. Danach werden, wie die Fig. 6 zeigt, die beiden Teile 2a und 2b abgebogen und die Abstufung 14 wird ausgebildet.
    In Fig. 8 wurde der Umformungsabschnitt 12, wie auch in Fig. 7 gezeigt, symmetrisch zum Flachrohr 2 ausgebildet. Anschließend wurde, wie beschrieben, der einzige Trennschnitt 8 angebracht, wonach das Teil 2a abgebogen wurde und das Teil 2b unverformt bleibt.
    Eine ähnliche Abwandlung zeigt die Fig. 10, bei der im Unterschied zur Fig. 8 der Umformabschnitt 12 asymmetrisch zum Flachrohr 2 ausgebildet worden ist.
    Die Fig. 9 zeigt ebenfalls einen asymmetrischen Umformabschnitt 12, jedoch sind dort beide Teile 2a und 2b abgebogen worden.
    Die maßliche Gestaltung der Abstufungen 13, 14 und die Tiefe des Umformabschnitts 12 kann sich bei den gezeigten Varianten unterscheiden. Deshalb erschließen sich dem Konstrukteur weitreichende Möglichkeiten der Gestaltung der Wärmetauscher. Die Abstufungen 13, 14 führen zu einem sanften Übergang für das Kühlmittel beim Eintritt in die Flachrohre 2. Deshalb tragen sie zur Senkung des Druckverlustes bei.
    Die Fig. 11 und 12 betreffen eine Weiterbildung, in der die Verbindungsränder 7 der Sammelkästen 5 durch vierseitige Rahmen 15 ersetzt wurden. Der Rahmen besitzt Längs - und Querseiten 16, 17 und wird über die Enden 4 der Flachrohre 2 geschoben und an den Enden 4 in einer Lötoperation gemeinsam mit allen anderen Teilen verbunden. Diese Weiterbildung ermöglicht die Verwendung von Sammelkästen 5 aus Kunststoff. Der Rahmen 15 hat einen U-förmigen Querschnitt, wie die Fig. 11 und 12 zeigen, der zur Aufnahme und mechanischen Befestigung des Randes des nicht gezeigten Sammelkastens 5 dient. Dazu werden Laschen 18 umgebogen, die den Sammelkasten 5 fest und dicht im Rahmen 15 halten können.
  • Ferner bieten sich andere Abwandlungen an, bei denen mehrere Trennschnitte 8 vorgenommen werden. Dabei entstehen dann nicht nur die Teile 2a und 2b sondern noch mindestens ein drittes Teil. Das dritte Teil ist ein mittleres Teil und bleibt unverformt. Darüber hinaus kann der Trennschnitt 8 auch durch einen Ausschnitt in beiden Schmalseiten 11 ersetzt werden. Zu diesen hier nicht gezeigten Abwandlungen wird auf die weitere nicht vorveröffentlichte Anmeldung DE 100 60 006.9 verwiesen, deren gesamter Inhalt als auch an dieser Stelle offenbart gelten soll. Diese Abwandlungen sind besonders für luftgekühlte Ladeluftkühler von Interesse.

Claims (6)

  1. Wärmetauscher (1) für Kraftfahrzeuge mit einem Rippen (3) - Flachrohr (2) - Block, bestehend aus Flachrohren (2) mit dazwischen angeordneten Rippen (3), wobei umgeformte Enden (4) der Flachrohre (2) in gegenüberliegende Sammel - oder Umlenkkästen (5) münden und mit den Längsseiten (6) der umgeformten Enden (4) untereinander sowie mit den Schmalseiten (11) an den Verbindungsrändern (7) der Sammel - oder Umlenkkästen (5) mittels Löten verbunden sind; die Enden (4) der Flachrohre (2) weisen mindestens einen Trennschnitt (8) auf, der die Enden (4) der Flachrohre (2) in zwei Teile (2a; 2b) aufteilt; mindestens eines der Teile (2a, 2b) eines jeden Flachrohres (2) besitzt quer zur Längsrichtung eine Abbiegung (9), die zu einer Verbindungsfläche (10) zwischen der Längsseite (6) des Flachrohres (2) und der Längsseite (6) des Teils (2a; 2b) des benachbarten Flachrohres (2) führt; die Sammel - oder Umlenkkästen (5) reichen mit ihren Verbindungsrändern (7) bis über die Abbiegung (9) hinweg,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Enden (4) der Flachrohre (2) innerhalb ihres Umformungsabschnitts (12) an mindestens einer Längsseite (6) zweifach abgestuft sind, wobei die eine Abstufung (13) mittels eines Stauch - und Aufweitvorganges hergestellt it, sodass der kleine Durchmesser (d) der Flachrohre (2) erweitert und der grosse Durchmesser (D) der Flachrohre verkleinert wird, und wobei die andere Abstufung (14) durch den mindestens einen Trennschnitt (8) und die Abbiegung (9) mindestens eines der Teile (2a; 2b) hergestellt ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Trennschnitt (8) in beiden Schmalseiten (11) kürzer ist als die Tiefe des Umformabschnitts (12).
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformabschnitt (12) symmetrisch oder asymmetrisch zum jeweiligen Flachrohr ausgeführt ist
  4. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Trennschnitt (8) in Richtung des großen Durchmessers (D) der Flachrohre (2), vorzugsweise parallel und mittig zwischen deren Längsseiten (6) angeordnet ist und die eine Abstufung (13) etwa am Beginn des Umformabschnittes (12) und die zweite Abstufung (14) etwa oberhalb des Endes des Trennschnitts (8) angeordnet ist, wo sie in die Verbindungsfläche (10) zwischen den Längsseiten (6) benachbarter Enden (4) der Flachrohre (2) übergeht.
  5. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Rippen (3) - Flachrohr (2) - Block mit den Sammel - oder Umlenkkästen (5) gleichzeitig verlötet wird, wobei zuvor die Enden (4) der Flachrohre (2 aufgetrennt werden und mindestens eines der nach dem Auftrennen entstandenen zwei Teile (2a; 2b) eines jeden Endes (4) der Flachrohre (2) quer zur Längsrichtung der Flachrohre (2) abgebogen wird, um mit der Längsseite (6) des benachbarten Flachrohres (2) eine Verbindungsfläche (10) zu bilden, daß dann die Sammel - oder Umlenkkästen (5) mit ihren Verbindungsrändern (7) über den Rippen - Flachrohr - Block geschoben und die Verbindungsränder (7) mit den Schmalseiten (11) der aufgetrennten Enden (4) der Flachrohre (2) verbunden werden,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Enden (4) der Flachrohre (2) vor dem Auftrennen oder in einem Arbeitsgang mit dem Auftrennen einer Stauch - und Aufweitoperation unterzogen werden, wobei der kleine Durchmesser (d) der Flachrohre (2) erweitert und der große Durchmesser (D) der Flachrohre (2) verkleinert wird, und daß der mindestens eine Trennschnitt (8) innerhalb des Umformabschnittes (12) in den Schmalseiten (11) der Enden (4) der Flachrohre (2) angebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der große Durchmesser (D) der Flachrohre so weit verkleinert wird, bis die Tiefe (T) des Rippen - Flachrohr - Blocks etwa übereinstimmt mit der Breite (B) der Sammel - oder Umlenkkästen (5).
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