DE102008035358A1

DE102008035358A1 - Wärmetauscher mit Sammelrohr und Sammelrohr sowie Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102008035358A1
Application number: DE102008035358A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dipl.-Ing. Borst (FH); Christoph Schiebel; Frank Dr. rer. nat. Vetter
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-04
Also published as: US8474517B2; US20100025027A1

Abstract

Wärmetauscher, insbesondere Kondensator oder Gaskühler, mit einem eine Wand aufweisenden Sammelrohr, das durch Umformung eines einzigen Metallbandes herstellbar ist, das in seinem Boden wenigstens eine Reihe von Öffnungen besitzt, in denen zwei Schmal- und zwei Breitseiten aufweisende Wärmetauscherrohre mit ihren Enden befestigt sind. Das Sammelrohr weist wenigstens zwei etwa auf der Mittellängsachse aneinander angrenzende Kammern sowie eine durch die Längsränderstreifen des Metallbandes gebildete Verstärkung des Bodens zwischen den Wärmetauscherrohren auf. Um die Innendruckstabilität zu verbessern und auch um die Kosten zu reduzieren, wird erfindungsgemäße vorgesehen, dass sich die aus den Längsränderstreifen gebildete Verstärkung wenigstens über 1/3 der Fläche des Bodens erstreckt. Ferner werden ein entsprechendes Sammelrohr und ein Herd mittels Einrollens der Längsränderstreifen hergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Kondensator oder Gaskühler, mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Sammelrohr für den oben genannten Wärmetauscher und ein Herstellungsverfahren dafür.
Ein Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff ist aus der Druckschrift Nr. WO 02/079708 A2 bekannt. Hier ist das Profil des Sammelrohres vorteilhaft durch Umformung eines einteiligen Metallbandes hergestellt, wie beispielsweise in 1, 6A und 11A dargestellt wird. Ungünstig bezüglich der Druckfestigkeit, insbesondere bei Verwendung als Gaskühler für CO₂-Klimaanlagenkreisläufe, erscheinen die kurzen Anbindungen der Längsränderstreifen des Metallbandes an den Boden zu sein, wie insbesondere aus 14A und 14B gut ersichtlich ist. Siehe hierzu auch die Druckschrift JP 05-026592 , 8. Die dadurch erreichbare geringe Verstärkung des Bodens ist für viele Anwendungen nicht stabil genug.
Auch der in der deutschen Patentanmeldung Nr. DE 10 2007 039 756 A1 gezeigte Behälter für Hochdruckkältemittel-Wärmeübertrager ist einteilig aus einem Metallband hergestellt, mit innen liegenden Aussteifungen des Behälters, sodass der Behälter in mehreren aufeinander folgenden Präge- und Tiefziehschritten gefertigt werden muss.
Ebenfalls ein Sammelrohr zeigt die deutsche Patentanmeldung mit der Nr. DE 103 02 412 A1 : Das Profil dieses Sammelrohres ist einteilig hergestellt, wie beispielsweise in den 2, 5 und 7 gezeigt wird. Damit kann ein kostengünstiger Herstellungsprozess ermöglicht werden. Allerdings ist es erforderlich, eine größere Materialdicke für das Profil bzw. für das Metallband zu wählen, um die Festigkeit des Sammelrohres unter den für Kondensatoren und insbesondere für Gaskühler typischen hohen Betriebsdrücken zu gewährleisten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen bezüglich Innendruckbeständigkeit und Kosten für Fertigung und Materialaufwand verbesserten Wärmetauscher darzustellen.
Die erfindungsgemäße Lösung bezüglich des Wärmetauschers erfolgt durch den Einsatz der Merkmale des Anspruchs 1. Die Ansprüche 2 bis 12 enthalten weiterbildende Merkmale des Wärmetauschers.
Gemäß der Erfindung wird der Boden des Sammelrohres zwischen den Wärmetauscherrohren zur Steigerung der Innendruckbeständigkeit verstärkt, indem die Längsränderstreifen des Metallbandes sich innen an der Kontur des Bodens, über wenigstens 1/3 der Fläche des Bodens, vorzugsweise wenigstens über 50% bis 70% der Gesamtfläche anschmiegen und somit in dem durch die Öffnungen für die Wärmetauscherrohre geschwächten Bereich durch Darstellung mindestens der doppelten Wandstärke verstärken. Als Boden im Sinne der Erfindung ist ungefähr der in Längsrichtung laufende streifenartige Bereich am Sammelrohr zu verstehen, der den Öffnungen für die Wärmetauscherrohre zugeordnet ist und sich etwa von der einen bis zur anderen Schmalseite der Wärmetauscherrohre bzw. der Öffnungen erstreckt. Dabei wird durch diese Art der Verstärkung nicht nur die Innendruckbeständigkeit gesteigert, sondern auch die für das Löten erforderliche Formsteifigkeit verbessert. Die oben genannten 50% bis 70% des Bodens, über den sich die Längsränderstreifen anschmiegen, sind ein bevorzugter Bereich. Selbstverständlich kann sich bei etwa rechteckiger Ausführung des Querschnitts der Kammern des Sammelrohres auch ein Bereich von etwa 70% bis 90% der Fläche des Bodens ergeben.
Das erfindungsgemäße Sammelrohr ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die aus den Längsränderstreifen gebildete Verstärkung wenigstens über 1/3 der Fläche des Bodens erstreckt.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für das Sammelrohr ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Längsränderstreifen eingerollt werden und so an die Innenseite des Bodens angelegt werden, dass sie wenigstens 1/3 der Fläche des Bodens verstärken, vorzugsweise jedoch deutlich mehr als 1/3.
Das Profil des Sammelrohres ist einteilig aus einem metallischen Band, bevorzugt aus Aluminiumband hergestellt, wobei das Band einseitig oder beidseitig lotplattiert sein kann. Um beste Beständigkeit gegen die hohen Innendrücke insbesondere im Betrieb als Gaskühler für CO₂-Kraftfahrzeugklimanlagen zu gewährleisten, weisen die beiden Kammern des Sammelrohr-Profils eine annähernde Kreisform auf: Anzustreben ist die für Innendruckbeanspruchung ideale Kreisform, die hier zur Verringerung der Bauhöhe des Sammelrohres in zwei einzelne, aber benachbarte und miteinander verbundene Kreisformen aufgelöst ist.
Dabei sind beide Längsränderstreifen des endlosen Metallbandes so nach innen geformt, dass sich zwei Überlappungsbereiche der nach innen gerollten längsseitigen Enden des Metallbandes mit zwei im Randbereich der Wärmetauscherrohre liegenden Abschnitten ergeben. Dabei schmiegen sich die nach innen gerollten Längsränderstreifen des Metallbandes an den Boden beziehungsweise an die Wand an. Das Profil des Sammelrohres besteht also aus zwei der idealen Kreisform fast entsprechenden Formen, die untereinander etwa entlang der Mittellängsachse des Sammelrohres und etwa im Randbereich der Wärmetauscherrohre mit dem Boden des Sammelrohres verbunden sind. Im Gegensatz zu bekannten Ausführungen verbessern die erfindungsgemäßen, aus den Längsränderstreifen gebildeten, Verstärkungen die Innendruckbeständigkeit wesentlich, da sie sich über den größten Teil des Bodens erstrecken. Dadurch wird bei verringerter Materialdicke die bestmögliche Innendruckbeständigkeit erreicht. Dieser Vorteil liegt beispielsweise bei der offenbarten Druckschrift WO 02/079708 A2 nicht vor, da hier die Längsränderstreifen des Metallbandes sich jeweils lediglich über etwa die dreifache Materialstärke des Metallbandes an den Bodenbereich anschmiegen und damit verbunden sind. Das zu kühlende Medium wird durch Wärmetauscherrohre geführt, wobei diese Wärmetauscherrohre beispielsweise als Mehrkammerrohre mit zwei Schmalseiten und zwei Breitseiten aus extrudierten Aluminiumprofilen mit mehreren innen liegenden Kanälen dargestellt werden können. Die Mehrkammerrohre werden in die Öffnungen im Boden des Sammelrohres gesteckt, wobei die Enden der Mehrkammerrohre etwa bis zur inneren Oberfläche der nach innen geformten Längsränder reichen. Auch können die Mehrkammerrohre aus zwei Hälften gefügt werden.
Zur Sicherstellung einer bestmöglichen Verlötung der Überlappungsbereiche, um höchstmögliche Innendruckbeständigkeit zu erreichen, werden die korrespondierenden Oberflächen der Überlappungsbereiche auf eine besondere Art vorbehandelt: Es hat sich erwiesen, dass durch eine mechanische Aufrauung der Oberflächen ein besonders gleichmäßiges und sicheres Fließen des Lotes im Bereich der Überlappungen erzielt wird. Diese örtlich begrenzte Oberflächenbehandlung wird vor der Umformung des Metallbandes zum Profil des Sammelrohres durchgeführt. Zur Umformung des endlosen Metallbandes werden rotationssymmetrische rotierende Umformwerkzeuge eingesetzt, zusätzlich wird das endlose Metallband vor der vorgenannten Umformung gelocht und ausgestanzt.
Selbstverständlich wird das Sammelrohr an beiden Stirnseiten mit Verschlussdeckeln komplettiert.
Es folgt die Beschreibung der Erfindung anhand der vorliegenden Figuren in zwei Ausführungsbeispielen. Die Beschreibung enthält weitere Merkmale und deren Vorteile. Die Figuren zeigen in teilweise schematisierter Form:
1: Einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher;
2: Eine vergrößerte Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
3: Einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Sammelrohr;
4: Einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Sammelrohr mit einem Wärmetauscherrohr;
5: Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sammelrohres;
6: Eine Ansicht des Metallbandes woraus das erfindungsgemäße Sammelrohr hergestellt wird;
7 und 7A: Ansichten der Umformfolgen des Sammelrohres;
8: Eine Ansicht des Metallbandes für das zweite Ausführungsbeispiel des Sammelrohres;
9: Eine Ansicht des Wärmetauscherrohres;
In 1 ist eine Ansicht eines Wärmetauschers, der in diesem Ausführungsbeispiel ein Gaskühler ist, gezeigt. Der Wärmetauscher besitzt Wärmetauscherrohre 2 mit zwei Schmalseiten 21 und zwei Breitseiten 22, die als Mehrkammerrohre ausgebildet sind und nicht dargestellte luftseitige Rippen zwischen den Mehrkammerrohren sowie zwischen den äußersten Mehrkammerrohren und den abschließenden Seitenteilen. Die Wärmetauscherrohre 2 sind mit ihren Enden 20 in eine Reihe von Öffnungen 12 in den Sammelrohren 1 gesteckt und dort mittels Löten dicht verbunden. Die Sammelrohre 1 sind mit nicht dargestellten Verschlussdeckeln und Anschlussstücken vervollständigt.
Die 2 zeigt die Ausbildung der Verstärkung 15 im Bodenbereich 11 des Sammelrohres 1, die zu verbesserter Innendruckbeständigkeit des Wärmetauschers führt. Die Längsränderstreifen 5 des Metallbandes sind so nach innen geformt, dass zwischen den Wärmetauscherrohren 2 im Bodenbereich 11 des Sammelrohres 1 zu sätzliche Verstärkungen 15 gebildet werden, die sich über den größten Bereich des Bodens 11 erstrecken. Dabei ist ein schmaler Bereich 14 entlang der Mittellängsachse 23 ohne Verstärkung ausgebildet. Diese Verstärkungen 15 in Form von wenigstens doppelter Wandstärke tragen auch zu einer gesteigerten Formsteifigkeit während des Lötprozesses bei.
Die 3 zeigt vergrößert im Querschnitt das eine Sammelrohr 1 und wie die Längsränderstreifen 5 innerhalb der annähernd kreisförmigen Kammern 13 im Boden 11 durch Anschmiegen an die innere Wand 10 die erfindungsgemäßen Verstärkungen 15 bewirken. In 4 ist zusätzlich zum Querschnitt des Sammelrohres das Ende 20 eines Wärmetauscherrohres 2 in Strichlinien dargestellt. Es ist hieraus ersichtlich, wie die Schmalseiten 21 in der Nähe der Längsränder 50 des Metallbandes liegen, wobei die Längsränderstreifen 5 die Verstärkungen 15 bilden. Das Ende des Wärmetauscherrohres 2 liegt also etwa auf dem Niveau der Verstärkungen 15 oder ragt in die Kammern 13 hinein. Die Längsränder 50 des Metallbandes sind natürlich ein Teil der beiden Längsränderstreifen 5 des Metallbandes. Das Metallband zur Herstellung der Sammelrohre eines Gaskühlers kann beispielsweise etwa 1,5 mm dick sein. Die verstärkte Fläche des Bodens 11 liegt in diesem Ausführungsbeispiel etwa bei oberhalb von 50% der Gesamtfläche.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des Sammelrohres 1 mit einer Wand 10 und zwei Kammern 13 ist in 5 vereinfacht dargestellt. Die Verstärkungen 15 werden hier durch eine mindestens dreifache Wandstärke dargestellt, wobei die dreifache Wandstärke durch Faltungen 6 hergestellt wird. Das Herstellen der Faltungen 6 an den Längsränderstreifen ist der erste Umformschritt des Metallbandes. Eine Faltung 6 ist eine Umbiegung des Längsrandstreifens 5 um etwa 180°, siehe 8. Hier sind die Längsränder 50, im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, näher zur Mittellängsachse 23 bzw. zu der Grenze zwischen den Kammern 13 angeordnet. Im zweiten Ausführungsbeispiel mag die verstärkte Fläche des Bodens 11 bei oberhalb von 80% der Gesamtfläche liegen, wie mit Blick auf die 5 etwa eingeschätzt werden kann.
Das Metallband zur Herstellung des Sammelrohres 1, das in den 1 bis 4 zu sehen ist, ist als Abwicklung in 6 dargestellt, mit einer Reihe von Öffnungen 12 zur Aufnahme der Wärmetauscherrohre 2. Die Ausstanzungen an den Längsränder streifen 5 sind symmetrisch zur Mittellängsachse 23 des Metallbandes angeordnet, um ein Verziehen der Metallbandes zu verhindern. Die genannten Ausstanzungen können geringfügig breiter als die Öffnungen 12 ausgeführt werden, um einen sicheren Sitz der Wärmetauscherrohre 2 in den Öffnungen 12 zu erzielen. Weitere Ausstanzungen oder Verschwächungen sind am Metallband nicht vorgenommen, um beste Innendruckbeständigkeit und beste Formsteifigkeit zu gewährleisten. Die Bereiche zwischen den Öffnungen 12 für die Wärmetauscherrohre 2 sind durchgängig unverletzt. In Strichpunktlinie sind zwei Bereiche 24 nahe den Längsrändern 50 auf der Rückseite des Metallbandes gezeichnet, in denen die Oberfläche des Metallbandes mechanisch aufgeraut wird, damit durch die somit erzielte örtlich bessere Kapillarwirkung ein günstigerer Lotfluss während des Lötprozesses bewirkt wird. Die Qualität der Lötverbindungen der korrespondierenden Oberflächen des Metallbandes kann damit wiederholgenau verbessert werden, die Ausschussrate wird also verringert. Denselben Zweck erfüllt der aufgeraute Bereich 25 auf der Vorderseite längs der Mittellängsachse 23 des Metallbandes, in der Figur in Strichlinie gezeichnet.
Die Umformstufen des Metallbandes vom ebenen Band bis zum Profil des Sammelrohres 1 sind in 7 und 7A dargestellt, beginnend in 7 von oben nach unten und fortgesetzt in 7A von oben nach unten. Zur kontinuierlichen Umformung des Metallbandes mittels Einrollens der Längsstreifenränder 5 werden wenigstens zehn Umformstationen mit rotationssymmetrischen rotierenden Umformwerkzeugen (nicht gezeigt) verwendet, um Abweichungen der Ist-Kontur des Profils des Sammelrohrs von der Soll-Kontur so gering wie möglich zu halten. Beim Einrollen greifen Einrollwalzen von oberhalb und unterhalb des Metallbandes an. In den entsprechenden Umformstufen besitzen die Einrollwalzen ein umfangsseitiges Profil, welches den dargestellten Formen in den einzelnen Umformstufen entspricht. Das Metallband wird im Zuge des Einrollens in seinem Mittelabschnitt bis zum Erreichen der vorletzten Umformstufe (7A, 2. Abbildung von unten) mittels der erwähnten Einrollwalzen auch gehalten bzw. geführt. Durch das Einrollverfahren können passgenaue Teile bei geringer Ausschussrate gefertigt werden.
8 zeigt die Ansicht des Metallbandes für eine Variante des Sammelrohres: Hier sind zusätzlich Ausstanzungen 26 eingebracht, um das Sammelrohr 1 gemäß 5 darstellen zu können.
Ein für den Wärmetauscher verwendetes Wärmetauscherrohr 2 ist in 9 dargestellt: Das Wärmetauscherrohr 2 ist aus zwei Hälften 27 und 28 aufgebaut, die beispielsweise als gewalzte Aluminiumprofile kostengünstig mit sehr hoher Genauigkeit hergestellt werden können. Die innen liegenden Fortsätze jeweils einer Hälfte 27 und 28 werden mit den zugeordneten Fortsätzen 29 der anderen Rohrhälfte 28 verlötet, um ausreichend Innendruckbeständigkeit zu erreichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 02/079708 A2 [0002]
- JP 05-026592 [0002]
- DE 102007039756 A1 [0003]
- DE 10302412 A1 [0004]
- WO 02079708 A2 [0011]

Claims

Wärmetauscher, insbesondere Kondensator oder Gaskühler, mit einem eine Wand (10) aufweisenden Sammelrohr (1), das durch Umformung eines einzigen Metallbandes herstellbar ist, das in seinem Boden (11) wenigstens eine Reihe von Öffnungen (12) besitzt, in denen zwei Schmal – und zwei Breitseiten (21, 22) aufweisende Wärmetauscherrohre (2) mit ihren Enden (20) befestigt sind und das wenigstens zwei etwa auf der Mittellängsachse (23) aneinander angrenzende Kammern (13) sowie eine durch die Längsränderstreifen (5) des Metallbandes gebildete Verstärkung (15) des Bodens (11) zwischen den Wärmetauscherrohren (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die aus den Längsränderstreifen (5) gebildete Verstärkung (15) wenigstens über 1/3 der Fläche des Bodens (11) erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung (15) als doppelte oder mehrfache Dicke der Wand (10) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach den Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfache Wanddicke mittels einer oder mehrerer Faltung/en (6) der Längsränderstreifen (5) des Metallbandes herstellbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Längsränder (50) des Metallbandes in der Nähe der Schmalseiten (21) der Wärmetauscherrohre (2) liegen.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein schmaler, im Bereich der Mittellängsachse (23), laufender Streifen (14) des Bodens (11) ohne Verstärkung (15) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkung (15) als zwei parallele Streifen (16, 17) darstellt, die links und rechts des Bereiches der Mittellängsachse (23) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Längsränder (50) des Metallbandes etwa in der Nähe der Mittellängsachse (23) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung (15) bzw. die Längsränderstreifen (5) eine bogenartige Kontur besitzt/besitzen und sich an die bogenartige Kontur der Wand (10) anschmiegt/anschmiegen.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung (15) an der Innenseite des Bodens (11) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (11) zwischen den Öffnungen (12) keine weiteren Durchbrüche aufweist beziehungsweise durchgängig ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (20) der Wärmetauscherrohre (2) etwa auf dem Niveau der Verstärkungen (15) liegen oder sich bis in die angrenzenden Kammern hinein erstrecken.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verstärkte Fläche des Bodens (11) vorzugsweise über 50% der Gesamtfläche liegt.
Sammelrohr mit einer Wand für einen Wärmetauscher, das durch Umformung eines einzigen Metallbandes herstellbar ist, das wenigstens zwei etwa auf der Mittellängsachse (23) aneinander angrenzende Kammern (13) und eine Reihe von Öffnungen (12) im Boden (11) aufweist, in denen zwei Schmal (21) – und zwei Breitseiten (22) aufweisende Wärmetauscherrohre (2) zu befestigen sind und das eine durch die Längsränderstreifen (5) des Metallbandes gebildete Verstärkung (15) des Bodens (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkung (15) wenigstens über 1/3 der Fläche des Bodens (11) erstreckt.
Sammelrohr nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den Überlappungsbereichen des Metallbandes entlang der Mittellängsachse (23) und am Boden (11) die korrespondierenden Oberflächen des Metallbandes eine geeignete größere Oberflächenrauheit im Vergleich zu den nicht überlappenden Bereichen des Metallbandes besitzen.
Verfahren zur Herstellung eines Sammelrohres aus einem einzigen, zwei Längsränderstreifen (5) aufweisenden Metallband, in das zunächst Öffnungen (12) und Ausschnitte eingestanzt werden, die im Boden (11) des Sammelrohres zu liegen kommen und das so umgeformt wird, dass zwei etwa an der Mittellängsachse (23) des Sammelrohres aneinander angrenzende Kammern (13) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Längsränderstreifen (5) eingerollt werden und so an die Innenseite des Bodens (11) angelegt werden, dass sie wenigstens 1/3 der Fläche des Bodens (11) verstärken.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsränderstreifen (5) vor dem Einrollen gefaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Einrollen Kammern (13) mit etwa rundem bis ovalem Querschnitt erzeugt werden.