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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher, der einen einen Einlass und/oder einen Auslass sowie einen Rohrboden ausbildenden Wärmetauscherkasten und eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren, deren Enden in jeweils eine Aufnahmeöffnung des Rohrbodens gesteckt und darin abgedichtet fixiert sind, umfasst. Der Wärmetauscher ist insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise als sogenannter Hauptkühler, vorgesehen, wobei jedoch auch alle weiteren Gas-Flüssigkeits- oder Gas-Gas-Kühler entsprechend ausgebildet sein können.
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In einem Hauptkühler eines Kraftfahrzeugs wird Abwärme, die von einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs erzeugt wird, an diesen durch- und umströmende Umgebungsluft übertragen.
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Wärmetauscher, die als Hauptkühler eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sind, sind in der Regel als Rohrkühler und insbesondere als Flachrohrkühler ausgebildet. Bei einem solchen (Flach-)Rohrkühler sind zumeist zwei längliche Wärmetauscherkästen vorgesehen, die in Richtung ihrer Längserstreckungen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei sich eine Mehrzahl von (ggf. als Flachrohre ausgebildete) Wärmetauscherrohre zwischen den Wärmetauscherkästen erstrecken und mit ihren offenen Enden in die Wärmetauscherkästen münden, wodurch eine Kühlflüssigkeit, die über einen in einen der Wärmetauscherkästen integrierten Einlass dem Wärmetauscher zugeführt wurde und die über einen in einen der Wärmetauscherkästen integrierten Auslass wieder abgeführt werden soll, die Wärmetauscherrohre durchströmen kann, um durch einen Wärmeübergang auf die Wärmetauscherrohre umströmende Umgebungsluft gekühlt zu werden. Um diesen Wärmeübergang von der Kühlflüssigkeit auf die Kühlluft zu verbessern ist in der Regel weiterhin vorgesehen, die Wärmetauscherrohre mit sogenannten Lamellen zu versehen, bei denen es sich um flächige Elemente aus einem gut Wärme leitenden Werkstoff, insbesondere Aluminium, handelt, deren Funktion ein Abführen von Wärmeenergie von den Wärmetauscherrohre und ein verbessertes Übertragen der Wärmeenergie an die Umgebungsluft infolge einer Vergrößerung der Wärme übertragenden Fläche des Wärmetauschers ist. Die Lamellen können beispielsweise in Form von Wellblechen ausgebildet sein, die jeweils zwischen zwei benachbarten Wärmetauscherrohren angeordnet sind und diese miteinander verbinden, wodurch zusätzlich die strukturelle Stabilität des Wärmetauschers erhöht wird.
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Derartige Wärmetauscher sind auch infolge der relativ geringen Anzahl (beispielsweise kleiner zwanzig) an Wärmetauscherrohren relativ einfach herstellbar dementsprechend kostengünstig. Insbesondere kann für die Herstellung eines solchen Wärmetauschers vorgesehen sein, sämtliche Komponenten mittels eines Gestells in der vorgesehenen Endposition zueinander zu positionieren, wobei in den vorgesehenen Verbindungsstellen zwischen den Komponenten bereits ein Lot vorhanden ist, und die zueinander positionierten Komponenten in einen Lötofen zu überführen, um das Lot temporär aufzuschmelzen, wodurch Lötverbindungen ausgebildet werden. Problematisch bei einem derart hergestellten Wärmetauscher kann jedoch das Erreichen einer ausreichenden Haltbarkeit der teilweise auch abdichtenden Lötverbindungen hinsichtlich einer Thermowechselbeanspruchung, der ein solcher Wärmetauscher im Betrieb ausgesetzt ist, sein.
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Aus der
EP 1 061 322 A2 ist ein als Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine genutzter Wärmetauscher bekannt, der in Flachrohrbauweise ausgebildet ist. Bei diesem sind die Enden der Wärmetauscherrohre in entsprechende Aufnahmeöffnungen der Rohrböden der Wärmetauscherkästen eingesteckt und darin abdichtend stoffschlüssig fixiert. Zusätzlich ist vorgesehen, auf der eine Innenseite des jeweiligen Wärmetauscherkastens darstellenden Seite der Rohrböden eine Schicht aus einem Elastomer aufzubringen, wodurch die Rohrböden thermisch von der die Wärmetauscherkästen durchströmenden heißen Ladeluft isoliert werden sollen. Dadurch soll eine möglichst gleichmäßige Erwärmung der Komponenten des Wärmetauschers erzielt werden können, wodurch wiederum die Thermowechselfestigkeit der stoffschlüssigen Verbindungen verbessert werden soll.
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Die
US 2002/0162648 A1 offenbart ebenfalls einen Wärmetauscher in Flachrohrbauweise. Bei diesem erfolgt eine Abdichtung der in entsprechende Aufnahmeöffnungen der Rohrböden der Wärmetauscherkästen eingesteckten Wärmetauscherrohre mittels eines elastisches Materials, insbesondere Silikon, das zumindest in denjenigen Spalten, die zwischen den die Aufnahmeöffnungen begrenzenden Flächen der Rohrböden und den angrenzenden Abschnitten der Außenseiten der Wärmetauscherrohre ausgebildet sind, angeordnet sind. Das elastische Material kann dabei in Form eines vorgeformten Dichtelements aus bereits ausgehärtetem Material ausgebildet sein. Ebenso besteht die Möglichkeit, dieses in nicht-ausgehärteter Form auf die Außen- oder Innenseite der Rohrböden aufzubringen und aushärten zu lassen. Durch das elastische Material soll eine Relativbeweglichkeit der Wärmetauscherrohre bezüglich der Rohrböden erreicht werden, wodurch unterschiedliche thermisch bedingte Längungen kompensiert werden können, ohne dass dies zu Undichtigkeiten führen soll.
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Wärmetauscher in der beschriebenen (Flach-)Rohrbauweise sind zwar vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar, weisen jedoch im Hinblick auf die erforderliche Baugröße und/oder im Hinblick auf den Strömungswiderstand für insbesondere die diese durchströmende Umgebungsluft eine relativ schlechte spezifische Kühlleistung auf. Eine diesbezüglich bessere spezifische Kühlleistung haben dagegen sogenannte Mikrokanalwärmetauscher, bei denen die Wärmetauscherrohre vergleichsweise kleine Querschnittsabmessungen von beispielsweise weniger als zwei Millimeter im Außendurchmesser aufweisen und in einer großen Anzahl von beispielsweise mehr als 10.000 (bei einer Verwendung als Hauptkühler eines Kraftfahrzeugs) vorgesehen sind. Es ist offensichtlich, dass die Herstellung eines solchen Mikrokanalwärmetauschers aufgrund der großen Anzahl an Wärmetauscherrohren aufwändig und folglich teuer ist. Problematisch ist dabei häufig insbesondere die Abdichtung der einzelnen Wärmetauscherrohre in den von den Rohrböden der Wärmetauscherkästen ausgebildeten Aufnahmeöffnungen.
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Ein Mikrokanalwärmetauscher ist beispielsweise aus der
US 2012/0211158 A1 bekannt. Bei diesem weisen die Rohrböden der Kühlerkästen eine Sandwichstruktur bestehend aus mindestens zwei Schichten auf, wobei die Schichten mindestens einen Zwischenraum ausbilden, in den ein fließfähiges Verbindungsmittel, beispielsweise Lot oder ein aushärtbarer Klebstoff, eingebracht wird. Das Verbindungsmittel verteilt sich sowohl innerhalb des Zwischenraums als auch in den Spalten, die zwischen den Wärmetauscherrohren und den Flächen, die die für die Aufnahme der Wärmetauscherrohre vorgesehenen Aufnahmeöffnungen der Rohrböden begrenzen, wodurch diese Spalte abgedichtet und die Wärmetauscherrohre mit den Rohrböden verbunden werden. In einer Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, sowohl auf die Oberweite also auf die Unterseite der Rohrböden eine zusätzliche Schicht aus einem aushärtbaren Klebstoff aufzubringen.
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Bei dem Mikrokanalwärmetauscher gemäß der
US 2012/0211158 A1 ist vorgesehen, dass die Enden der Wärmetauscherrohre bezüglich der Rohrböden der Wärmetauscherkästen einen Überstand aufweisen und folglich in die mit dem Wärmetauschfluid befüllten Innenräume der Wärmetauscherkästen hineinragen. Dies führt zu einer ungünstigen Umlenkung der Strömungen des Wärmetauschfluids beim Überströmen zwischen den Wärmetauscherkästen und den Wärmetauscherrohren, was mit einem an dieser Stelle nicht gewollten relativ großen Strömungswiderstand einhergeht.
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Schließlich ist aus der
WO 2015/063169 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers bekannt, bei dem die einzelnen Wärmetauscherrohre endseitig mit einer durch Spritzgießen ausgebildeten Umfangskontur versehen werden, die insbesondere quaderförmig ausgebildet sein kann, wobei diese Umfangskonturen ermöglichen, eine Vielzahl der Wärmetauscherrohre in flexibler Weise durch ein Aufeinanderstapeln zu einem Wärmetauscher zu kombinieren, wobei die dann miteinander verbundenen Umfangskonturen Rohrböden für Wärmetauscherkästen ausbilden.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur kostengünstigen Herstellung eines insbesondere als Mikrokanalwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauschers anzugeben, wobei sich der Wärmetauscher zudem durch einen relativ geringen Strömungswiderstand für ein Überströmen eines Wärmetauschfluids zwischen dem oder den Wärmetauscherkästen und den Wärmetauscherrohren auszeichnen soll.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher, der mindestens einen einen Einlass und/oder einen Auslass sowie einen Rohrboden aufweisenden Wärmetauscherkasten (vorzugsweise zwei Wärmetauscherkästen) und eine Mehrzahl von Wärmetauscherrohren, deren Enden in jeweils eine Aufnahmeöffnung des Rohrbodens des oder der Wärmetauscherkästen gesteckt und darin abgedichtet fixiert sind, umfasst, sieht vor, dass die Wärmetauscherrohre so weit in die Aufnahmeöffnungen gesteckt werden, dass deren Enden einen Überstand zu dem (jeweiligen) Rohrboden ausbilden, und anschließend der Rohrboden auf der den überstehenden Enden der Wärmetauscherrohre zugewandten Seite mit einem Vergussmaterial beschichtet wird. In einem anschließenden Verfahrensschritt kann ein Aushärten des Vergussmaterials vorgesehen sein, um eine abdichtende Verbindung zwischen dem Rohrboden und den Wärmetauscherrohren auszubilden. Ein solches gattungsgemäßes Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Vergussmaterial ausgebildete freie (beziehungsweise von der beschichteten Seite des Rohrbodens abgewandte) Oberfläche und/oder die Enden der Wärmetauscherrohre nachbearbeitet wird/werden, um einen Überstand der Wärmetauscherrohre bezüglich des Vergussmaterials zu verringern oder zu entfernen und/oder um von dem Vergussmaterial bedeckte Rohröffnungen der Wärmetauscherrohre freizulegen.
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Mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Wärmetauscher hergestellt werden, bei dem die Wärmetauscherrohre in vorteilhafter Weise mittels einer Vergussmasse abdichtend mit dem Rohrboden des oder jedes Wärmetauscherkastens verbunden werden, was schnell und einfach durchführbar ist. Vereinfacht wird dieses Vorgehen noch dadurch, dass das Vergussmaterial auf diejenige Seite des Rohrbodens aufgebracht wird, die in dem abschließend hergestellten Wärmetauscher den Innenraum des entsprechenden Wärmetauscherkastens begrenzt. Diese Seite des Rohrbodens kann gut zugänglich sein, wodurch beispielsweise auch das Aufbringen des Vergussmaterials vereinfacht wird. Durch die Nachbearbeitung der von dem Vergussmaterial ausgebildeten Oberfläche und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre wird ein Überstand der Enden der Wärmetauscherrohre bezüglich des Vergussmaterials vermieden oder zumindest verringert, wodurch sich ein relativ geringer Strömungswiderstand für ein Überströmen eines Wärmetauschfluids, insbesondere einer Wärmetauschflüssigkeit, zwischen dem (jeweiligen) Wärmetauscherkasten und den Wärmetauscherrohren ergibt.
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Ein besonders vorteilhaftes Überströmen zwischen dem oder den Wärmetauscherkästen und den Wärmetauscherrohren kann erreicht werden, wenn die Stirnseiten (der entsprechenden Enden) der Wärmetauscherrohre mit der Oberfläche des Vergussmaterials bündig abschließen, so dass in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein entsprechendes Nachbearbeiten vorgesehen ist.
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Als „Vergussmaterial“ wird erfindungsgemäß ein Material verstanden, durch das eine lückenlose Schicht erzeugt werden kann, in die die Endabschnitte der Wärmetauscherrohre, die den Überstand bezüglich des Rohrbodens darstellen, lückenlos eingebettet werden können. Ein solches Vergussmaterial kann in zumindest einem Bearbeitungszustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere flüssig oder pastös sein, um durch ein entsprechendes Fließverhalten, vorzugsweise ausschließlich schwerkraftbedingt, gegebenenfalls jedoch auch unter der Ausübung eines Drucks auf das Vergussmaterial und/oder durch die Erzeugung von Schwingungen, die angestrebte Lückenlosigkeit (d.h. keine eine Undichtheit bewirkende Zwischenräume ausbildend) der aus dem Vergussmaterial ausgebildeten Schicht zu erreichen. Dabei ist nicht erforderlich, dass das Vergussmaterial bereits beim Aufbringen auf den Rohrboden einen flüssigen oder pastösen Zustand aufweist. Vielmehr kann beispielsweise auch vorgesehen sein, das Vergussmaterial in Form von Feststoffpartikeln aufzubringen und beispielsweise durch eine Temperaturbeeinflussung temporär in den flüssigen oder pastösen Zustand zu überführen.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Vergussmaterial lediglich in einer Schichtstärke auf die entsprechende Seite des Rohrbodens des oder der Wärmetauscherkästen aufgebracht wird, die geringer als der Überstand zumindest einiger, gegebenenfalls sämtlicher der Wärmetauscherrohre bezüglich des Rohrbodens ist, so dass das Nachbearbeiten primär dazu dienen kann, einen Überstand dieser Wärmetauscherrohre bezüglich des Vergussmaterials zu verringern oder zu entfernen. Gegebenenfalls kann dabei zusätzlich vorgesehen sein, die von dem Vergussmaterial ausgebildete Oberfläche zu glätten, was sich ebenfalls vorteilhaft auf eine Strömung eines Wärmetauschfluids innerhalb des entsprechenden Wärmetauscherkastens auswirken kann.
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Ebenfalls besteht die Möglichkeit, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das Vergussmaterial in einer Schichtstärke auf die entsprechende Seite des Rohrbodens des oder der Wärmetauscherkästen aufzubringen, die größer als der Überstand zumindest einiger, gegebenenfalls sämtlicher der Wärmetauscherrohre ist, so dass das Nachbearbeiten ausschließlich oder primär dazu dienen kann, von dem Vergussmaterial bedeckte Rohröffnungen der Wärmetauscherrohre freizulegen.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauscherrohre mit einem im Wesentlichen gleichen Überstand in die Aufnahmeöffnungen des Rohrbodens eingesteckt werden und das Vergussmaterial in einer Schichtdicke aufgebracht wird, die annähernd diesem Überstand entspricht, wodurch der Aufwand für das Nachbearbeiten der Schicht aus dem Vergussmaterial und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre auf ein geringes Maß reduziert werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Nachbearbeiten der von dem Vergussmaterial ausgebildeten Oberfläche und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre derart erfolgten, dass die gesamte Oberfläche des Vergussmaterials in einer (vorzugsweise nicht-gekrümmten) Ebene liegt, wobei insbesondere auch die Stirnseiten der entsprechenden Enden der Wärmetauscherrohre in dieser Ebene angeordnet sein können (d.h. es wird ein bündiger Übergang zwischen der freien Oberfläche der von dem Vergussmaterial ausgebildeten Schicht und den Stirnseiten der Wärmetauscherrohre erzielt). Ein derartiger Wärmetauscher kann sich nicht nur durch ein besonders vorteilhaftes Strömungsverhalten für ein Wärmetauschfluid innerhalb des oder der Wärmetauscherkästen und beim Überströmen in die oder aus den Wärmetauscherrohren auszeichnen, sondern insbesondere auch durch eine einfache Nachbearbeitung.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Vergussmaterial vor dem Nachbearbeiten ausgehärtet wird. Dadurch kann sich das Nachbearbeiten vereinfachen und insbesondere auch vorgesehen sein, dass dieses materialabtragend, beispielsweise durch Schleifen und/oder Fräsen, erfolgt. Ein Nachbearbeiten kann jedoch auch vor einem Aushärten des Vergussmaterials erfolgen, beispielsweise durch ein Verstreichen des Vergussmaterials in einem fließfähigen Zustand, insbesondere mit dem Ziel des Freilegens von zuvor durch das Vergussmaterial bedeckten Rohröffnungen der Wärmetauscherrohre und/oder einem Glätten der von dem Vergussmaterial ausgebildeten freien Oberfläche. Weiterhin ist ein Nachbearbeiten des Vergussmaterials auch mittels spanloser Verfahren, beispielsweise mittels Wasser-Strahlschneiden, möglich.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass ein Vergussmaterial genutzt wird, das nach dem Aushärten einen im Wesentlichen steifen beziehungsweise nicht-elastischen Zustand aufweist. Hierfür eignet sich beispielsweise duroplastische Kunststoffe (z.B. „K-Epoxidharz). Eine Verbindung zwischen dem oder den Rohrböden und den Wärmetauscherrohren mittels eines solchen Vergussmaterials kann sich insbesondere auf die strukturelle Festigkeit des Wärmetauschers positiv auswirken und/oder eine Nachbearbeitung, insbesondere eine materialabtragende Nachbearbeitung, vereinfachen. Alternativ kann aber auch eine Verwendung eines Vergussmaterials vorgesehen sein, das nach dem Aushärten einen definierten elastischen Zustand aufweist, so dass dieses in definierter Weise eine insbesondere thermisch bedingte Relativbeweglichkeit zwischen dem oder den Rohrböden und den Wärmetauscherkästen bei gleichzeitig weiterhin gewährleisteter abdichtender Verbindung ermöglicht. Hierfür kann beispielsweise eine Verwendung von thermoplastischen Kunststoffen als Vergussmaterial vorgesehen sein.
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Eine Herstellung eines Wärmetauschers gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren kann besonders einfach und somit kostengünstig erfolgen, wenn, wie vorzugsweise vorgesehen ist, die Wärmetauscherrohre ausschließlich mittels des Vergussmaterials und vorzugsweise ausschließlich mittels einer einzigen Schicht des auf die entsprechende Seite des Rohrbodens aufgebrachten Vergussmaterials mit dem Rohrboden des oder der Wärmetauscherkästen verbunden werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Wärmetauscherrohre ergänzend durch andere Maßnahmen, beispielsweise durch ein Verschweißen, Verlöten oder Verkleben, an dem Rohrboden zu fixieren. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, um eine korrekte Positionierung der Wärmetauscherrohre bezüglich des Rohrbodens während des Aufbringens des Vergussmaterials sicherzustellen. Da ein Abdichten der Wärmetauscherrohre in den Aufnahmeöffnungen des Rohrbodens ausschließlich oder zumindest primär mittels des Vergussmaterials erfolgen soll, können diese alternativen Verbindungsmaßnahmen derart in vereinfachter Form vorgesehen werden, dass mittels diesen keine ausreichende Dichtwirkung sichergestellt werden kann. Dadurch kann sich der Zusatzaufwand für die ergänzenden Verbindungsmaßnahmen und folglich der Herstellungsaufwand im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens insgesamt in akzeptablen Grenzen halten.
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Ein wesentlicher Vorteil des Aufbringens des Vergussmaterials auf der den überstehenden Enden der Wärmetauscherrohre zugewandten Seite des Rohrbodens besteht in der guten Zugänglichkeit, weil eine solche nicht durch die Wärmetauscherrohre selbst behindert wird. Besonders vorteilhaft kann eine solche Zugänglichkeit sein, wenn der oder die Wärmetauscherkästen zumindest zweiteilig ausgebildet sind und neben einem Rohrboden zumindest noch ein Gehäuse aufweisen, die im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens erst nach dem Nachbearbeiten der freien Oberfläche der von dem Vergussmaterial ausgebildeten Schicht und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre miteinander verbunden werden. Ein solches Verbinden des Rohrbodens mit dem Gehäuse des (jeweiligen) Wärmetauscherkastens kann beispielsweise unter Verwendung von mechanischen Verbindungsmitteln, beispielsweise Rastverbindungen oder durch Umformen auszubildende, formschlüssig wirkende Verbindungselemente, insbesondere jeweils unter Verwendung eines zwischen dem Rohrboden und dem Gehäuse angeordneten Dichtelements, erfolgen. Ebenso vorteilhaft kann ein Verbinden des Rohrbodens mit dem Gehäuse stoffschlüssig durch insbesondere ein Verkleben, Verschweißen oder Verlöten erfolgen.
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Die gute Zugänglichkeit derjenigen Seite des Rohrbodens, auf die das Vergussmaterial aufgebracht wird, und damit auch der aus dem Vergussmaterial ausgebildeten Schicht mit den darin eingebetteten Enden der Wärmetauscherrohre kann zudem in vorteilhafter Weise ermöglichen, diese Einbettung der Wärmetauscherrohre und auch die Schicht des Vergussmaterials selbst auf mögliche Lücken und damit potentielle Undichtigkeiten im Betrieb des Wärmetauschers zu überprüfen und, sofern solche Lücken gefunden werden, diese durch eine weitere Nachbearbeitung zu verschließen. Demgemäß kann in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass zumindest die Verbindung des Vergussmaterials mit den Wärmetauscherrohren und/oder dem Rohrboden auf Dichtigkeit geprüft und undichte Stellen nachträglich abgedichtet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in einer besonders vorteilhaften Weise auch eine relativ einfache und somit kostengünstige Herstellung eines Mikrokanalwärmetauschers, bei dem eine Vielzahl (beispielsweise mindestens 1000, gegebenenfalls auch mindestens 10.000) Wärmetauscherrohre in dazugehörige Aufnahmeöffnungen des Rohrbodens des (jedes) Wärmetauscherkastens eingesteckt und darin abgedichtet fixiert werden müssen, weil ein solches Abdichten und Fixieren durch das Aufbringen des Vergussmaterials kollektiv und nicht individuell für die einzelnen Wärmetauscherrohre erfolgen kann.
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Ein solcher Mikrokanalwärmetauscher kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die größte Querschnittsabmessung (bei einer vorzugsweise vorgesehenen kreisrunden Querschnittsform: der Durchmesser) der Aufnahmeöffnungen maximal 2 mm, vorzugsweise maximal 1 mm beträgt. Die größte äußere Querschnittsabmessung der Wärmetauscherrohre (zumindest in den für das Einstecken in die Aufnahmeöffnungen vorgesehenen Endabschnitten) sollte dabei vorzugsweise nur geringfügig kleiner als diejenige der Aufnahmeöffnungen sein, wobei zudem die Querschnittsformen der Aufnahmeöffnungen und der (Endabschnitte der) Wärmetauscherrohre vorzugsweise identisch sein sollten, um einerseits ein relativ problemloses Einstecken der Wärmetauscherrohre in die Aufnahmeöffnungen zu gewährleisten und andererseits die zwischen den Wärmetauscherrohren und den die Aufnahmeöffnungen begrenzenden Flächen des Rohrbodens ausgebildeten Spalte möglichst klein zu halten, was sich vorteilhaft auf die Abdichtung dieser Spalte auswirken kann. Ein Schritt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann demnach auch ein Einbringen entsprechend dimensionierter Aufnahmeöffnungen in den Rohrboden des (jedes) Wärmetauscherkastens und ein Bereitstellen entsprechend dimensionierter Wärmetauscherrohre sein.
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Ein Mikrokanalwärmetauscher, wie er vorzugsweise im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird, kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass die Wärmetauscherrohre nicht durch sogenannte Lamellen miteinander verbunden sind
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Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in schematischer Darstellung:
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1: Komponenten eines herzustellenden Wärmetauschers nach einem ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers;
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2a: die Komponenten des herzustellenden Wärmetauschers nach einem zweiten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers;
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2b: die Komponenten des herzustellenden Wärmetauschers nach einem zu dem Schritt gemäß der 2a alternativen Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers;
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3: die Komponenten des herzustellenden Wärmetauschers nach einem dritten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers; und
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4: die Komponenten des Wärmetauschers nach einem vierten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers.
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Die 1 zeigt Komponenten eines mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellenden Wärmetauschers. Bei diesen Komponenten handelt es sich um einen Rohrboden 10, der einen Teil eines mehrteiligen Wärmetauscherkastens 14 des herzustellenden Wärmetauschers (vgl. 4) darstellen wird, sowie um Abschnitte von einer Vielzahl von Wärmetauscherrohren 12. Die Wärmetauscherrohre 12 weisen sowohl eine (über der Längserstreckung konstante) kreisförmige Innen- als auch Außenquerschnittskontur auf und sind in im Querschnitt kreisförmige Aufnahmeöffnungen, die in einem vorausgegangenen Verfahrensschritt in den Rohrboden 10 eingebracht wurden, eingesteckt worden. Dabei erfolgte ein Einstecken der Wärmetauscherrohre 12 so weit, dass sich ein Überstand ihrer dem Rohrboden 10 zugeordneten Enden bezüglich dieses Rohrbodens 10 ergibt.
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In den Zeichnungen sind nur ein Rohrboden 10 oder Wärmetauscherkasten 14 sowie nur jeweils ein Abschnitt der Wärmetauscherrohre 12 dargestellt. Der Wärmetauscher soll jedoch zwei Wärmetauscherkästen 14 und folglich auch zwei Rohrböden 10 aufweisen, wobei die beiden Enden der Wärmetauscherrohre 12 jeweils in einen der Wärmetauscherkästen 14 münden und hierzu in Aufnahmeöffnungen der dazugehörigen Rohrböden 10 eingesteckt wurden. Die konstruktive Ausgestaltung des nicht dargestellten Wärmetauscherkastens und dessen Herstellung entspricht derjenigen des dargestellten Wärmetauscherkastens 14.
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Nach dem Einstecken der Wärmetauscherrohre 12 in die Aufnahmeöffnungen der Rohrböden 10 wird diejenige Seiten der Rohrböden 10, die den überstehenden Enden der Wärmetauscherrohre 12 jeweils zugewandt ist, mit einem Vergussmaterial 16 beschichtet. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Vergussmaterial 16 in einer Schichtstärke auf die entsprechende Seite der Rohrböden 10 aufgebracht wird, die größer als der Überstand der Enden der Wärmetauscherrohre 12 bezüglich der Rohrböden 10 ist, wodurch sich zumindest teilweise ein Überdecken der von den Stirnseiten der Wärmetauscherrohre 12 begrenzten Rohröffnungen 18 ergibt, wie dies in der 2a dargestellt ist. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, das Vergussmaterial 16 in einer Schichtstärke auf die entsprechende Seite der Rohrböden 10 aufzubringen, die kleiner als der Überstand der Enden der Wärmetauscherrohre 12 bezüglich der Rohrböden 10 ist, woraus zunächst ein Überstand der Enden der Wärmetauscherrohre 12 bezüglich der Schicht aus dem Vergussmaterial 16 resultiert (vgl. 2b).
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Anschließend ist ein Aushärten des Vergussmaterials 16 vorgesehen, wodurch die Wärmetauscherrohre 12 abdichtend mit den Rohrböden 10 verbunden werden. Ein solches Aushärten kann beispielsweise mittels einer Temperaturbeeinflussung durch eine Zufuhr von Wärmeenergie beschleunigt werden.
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Danach erfolgt ein Nachbearbeiten der Enden der freien Oberflächen der von dem Vergussmaterial 16 ausgebildeten Schichten und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre 12. Dieses Nachbearbeiten erfolgt vorzugsweise materialabtragend, beispielsweise durch Schleifen oder Fräsen, und ist infolge der guten Zugänglichkeit der aus dem Vergussmaterial 16 ausgebildeten Schichten und den darin eingebetteten Enden der Wärmetauscherrohre 12 relativ einfach und folglich kostengünstig möglich. Ziel des Nachbearbeitens ist es, möglichst glatte und in jeweils einer Ebene liegende freie Oberflächen für die aus dem Vergussmaterial 16 ausgebildeten Schichten zu erreichen, wobei zudem die Stirnseiten der entsprechenden Enden der Wärmetauscherrohre 12 bündig mit den freien Oberflächen der dazugehörigen Schichten aus dem Vergussmaterial 16 angeordnet sein sollen (vgl. 3). Dies soll einerseits eine gute Einbindung der Wärmetauscherrohre 12 in das Vergussmaterial 16 und damit eine gute strukturelle Festigkeit und eine gute Abdichtung der Verbindung der Wärmetauscherrohre 12 mit den noch fertigzustellenden Wärmetauscherkästen 14 gewährleisten. Andererseits soll dadurch ein möglichst geringer Strömungswiderstand für eine Strömung eines Wärmetauschfluids beim Überströmen zwischen den Wärmetauscherrohren 12 und den Wärmetauscherkästen 14 realisiert werden.
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An das Nachbearbeiten der Schichten aus dem Vergussmaterial 16 und/oder der Enden der Wärmetauscherrohre 12 kann sich eine Dichtigkeitsprüfung anschließen, bei der geprüft wird, inwieweit es bei dem fertig gestellten Wärmetauscher zu einem Austritt von Wärmetauschfluid in die Umgebung über die Verbindungen zwischen den Rohrböden 10 und den Wärmetauscherrohren 12, die durch die Einbettung der Enden der Wärmetauscherrohre 12 in das Vergussmaterial 16 ausgebildet wurden, kommen würde. Werden dabei Stellen ermittelt, an denen solche Undichtigkeiten auftreten, können diese nachbearbeitet werden, beispielsweise in dem entsprechende Lücken mit dem gleichen Vergussmaterial 16, das auch für die Beschichtung der Rohrböden 10 genutzt wurde, oder mit einem anderen Füllmaterial gefüllt werden. Auch dieses Nachbearbeiten ist aufgrund der guten Zugänglichkeit der Schichten aus dem Vergussmaterial 16 und den darin eingebetteten Enden der Wärmetauscherrohre 12 relativ einfach möglich.
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Nachdem eine vollständige Dichtigkeit der Verbindungen zwischen den Rohrböden 10 und den Wärmetauscherrohren 12 festgestellt werden konnte, kann in einem abschließenden Verfahrensschritt jeweils ein Gehäuse 20 der Wärmetauscherkästen 14 mit dem dazugehörigen Rohrboden 10 verbunden werden, um die beiden Wärmetauscherkästen 14 zu komplettieren (vgl. 4). Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eines der Gehäuse 20 einen Einlass 22 für ein Wärmetauschfluid, das für eine Durchströmung des Wärmetauschers vorgesehen ist, ausbildet, während das andere Gehäuse 20 einen Auslass für dieses Wärmetauschfluid aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rohrboden
- 12
- Wärmetauscherrohr
- 14
- Wärmetauscherkasten
- 16
- Vergussmaterial
- 18
- Rohröffnung
- 20
- Gehäuse
- 22
- Einlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1061322 A2 [0005]
- US 2002/0162648 A1 [0006]
- US 2012/0211158 A1 [0008, 0009]
- WO 2015/063169 A1 [0010]
