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Die Erfindung betrifft einen Flachrohr-Wärmeübertrager,
insbesondere für
eine Heizungs- oder Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Flachrohr-Wärmeübertragers
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 22.
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In den älteren deutschen Patentanmeldungen
100 49 256.8 und
101 05 201.2 sind verschiedene Flachrohr-Wärmeübertrager,
insbesondere in Serpentinenbauweise, mit Flachrohranschlussstrukturen beschrieben,
bei denen zwei Serpentinen-Flachrohre mit flachseitig gegeneinander
anliegenden Enden in ein jeweiliges Sammelrohr münden, um ein Kältemittel
parallel in die Flachrohre hinein und aus den Flachrohren heraus
zu leiten. Des weiteren sind dort Beispiele von Serpentinen-Wärmeübertragerblöcken gezeigt,
bei denen je zwei benachbarte Mehrkanal-Serpentinenflachrohre mit
flachseitig gegeneinander anliegenden Endabschnitten in ein Umlenkrohrstück münden. Mit
ihrem anderen Ende münden die
Serpentinenflachrohre in ein quergeteiltes Sammelrohrstück, dessen
eine Hälfte
als Verteiler zur Einspeisung des Kältemittels in einen Teil der
Kanäle jedes
Flachrohrs und dessen andere Hälfte
als Sammler fungiert, in den die anderen Kanäle jedes Flachrohrs münden. In
den Umlenkrohrstücken
wird daher das Kältemittel
in Blocktiefenrichtung von den einen in die anderen Kanäle des jeweiligen
Flachrohrs umgelenkt. Zur Herstellung dieser Strukturen zum Anschluss
je zweier benachbarter Serpentinen-Flachrohre an ein Sammelrohrstüek oder
Umlenkrohrstück
werden die beiden Serpentinen-Flachrohre als separate Bauteile vorgefertigt,
mit je einem geradlinigen Flachrohrendteil flachseitig aneinandergelegt
und mit den aneinandergelegten Enden in das Sammel- bzw. Umlenkrohrstück eingefügt und dichtgelötet. Derartige
Flachrohr-Wärmeübertrager
lassen, insbesondere in Hinblick auf die Herstellungskosten, noch
Wünsche
offen.
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Die
EP
0 414 433 offenbart einen Duplex-Wärmeübertrager, der einen Kältemitteldurchfluss
im Kreuzgegenstrom ermöglicht,
indem er aus zwei hintereinander angeordneten flachen Wärmeübertragern,
im folgenden als Blöcke
bezeichnet, mit jeweils zwei Sammelrohren, die über eine Vielzahl von Flachrohren
miteinander verbunden sind, besteht. Die beiden Blöcke sind
mittels Flansch und O-Ring-Abdichtungen miteinander verbunden, wofür sie getrennt
aufgebaut, gespannt, gelötet
und nach dem Löten
miteinander verbunden werden müssen. Ein
derartiger Duplex-Wärmeübertrager
aus zwei Blöcken
ist mit einer Vielzahl von Einzelteilen und einem relativ hohen
Herstellungsaufwand verbunden, so dass die Herstellung teuer ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen
Flachrohr-Wärmeübertrager
der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
einen Flachrohr-Wärmeübertrager
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß wird ein Flachrohr-Wärmeübertrager,
insbesondere für
eine Heizungs- oder Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, mit einer
Mehrzahl von Flachrohr-Elementen und mindestens zwei mit den Flachrohr-Elementen
verbundenen Sammelrohren zur Verfügung gestellt, wobei jeweils
zwei Flachrohr-Elemente miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Dies reduziert
die Zahl der Einzelteile und vereinfacht den Zusammenbau. Dabei
kann ein erfindungsgemäßer Flachrohr-Wärmeübertrager
sowohl als Gaskühler
als auch als Verdampfer verwendet werden.
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Die Flachrohr-Elemente weisen vorzugsweise
zwei Torsionsbereiche auf. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine
einfache Herstellung wobei die einzelnen Flachrohr-Elemente in sich
stabil sind und sich dadurch gut verarbeiten lassen. Der Todraum
lässt sich
dadurch reduzieren, dass je ein Torsionsbereich jedes Flachrohr-Elements
benachbart zu je einem der Sammelrohre angeordnet ist.
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Vorzugsweise sind die Flachrohr-Elemente um
jeweils 90° tordiert,
insbesondere in gegenläufiger
Richtung, was fertigungstechnische Vorteile bietet. Alternativ kann
auch eine Torsion in gleicher Richtung vorgesehen sein, so dass
bei zwei 90°-Drehungen
eine 180°-Drehung
des Kältemittels über die gesamte
Breite des Flachrohr-Wärmeübertragers
erfolgt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind
die Flachrohr-Elemente derart zwischen den Sammelrohren angeordnet
und über
die Sammelrohre miteinander verbunden, dass sie im Gegenstrombetrieb
durchströmbar
sind, wobei in den Sammelrohren Trennwände angeordnet sein können, so dass
innerhalb eines Blocks von zwischen zwei Sammelrohren angeordneten
Flachrohr-Elementen eine Unterteilung möglich ist, und bspw. zwei Blöcke von Sammelrohr-Flachrohr-Elemente-Anordnungen
hintereinander angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird
das Sammelrohr durch einen zu einer Rinne geformten Blechstreifen
gebildet, dessen Ränder
im wesentlichen parallel zu einer Längsmittelebene der Rinne verlaufen
und einen offenen Spalt bilden, der zur Aufnahme der freien Enden
der Flachrohre dient. Dabei können
die Ränder
einen konstanten Abstand oder einen wiederholten parallelen Versatz
(Durchzüge)
haben. Diese Ausgestaltung ermöglicht
es, in einfacher Weise ohne irgendeine spanabhebende Bearbeitung,
Flachrohre untereinander durch das Sammelrohr zu verbinden, wobei
die zum Spalt geformten Ränder
für den
Lötvorgang
geeignete Anlageflächen an
den Flachrohrenden bilden.
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Vorzugsweise kann hierbei der Blechstreifen auf
seiner Innen- und/oder Außenseite
lotplattiert sein, wenn er, worauf noch eingegangen wird, aus einem
Flachmaterial geformt wird. Diese Ausgestaltung bietet dann auch
die Möglichkeit,
den Lötvorgang
zu vereinfachen.
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In Weiterbildung können die
Ränder
des Blechstreifens nach außen
divergieren und so eine Einführschräge für die Flachrohre
bilden, welche den Montagevorgang sehr erleichtert. Der Querschnitt der
Rinne kann in besonders einfacher Weise einem Omega entsprechen.
Es ergibt sich ein stabiler Querschnitt, der sich auch besonders
einfach für
das Einsetzen der Flachrohrenden eignet. Dabei kann der geschlossene
Bereich der Rinne mit Einschnitten zum Einsetzen von Trenn- oder
Abschlusswänden versehen
sein und ebenso mit Öffnungen,
die als Zu- oder Abflussöffnung
für das
Medium dienen können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist
eine Abschlusswand mit einem Schlitz vorgesehen, in den ein oder
mehrere Flachrohre ragen.
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Möglich
ist es aber auch, die vorzusehenden Trenn- oder Abschlusswände mit
Aussparungen zu versehen, die dem Querschnitt der Rinne, vorzugsweise
also dem Omegaquerschnitt, entsprechen und sich in Längsrichtung
auf die Rinnen aufschieben lassen, so dass die Anordnung von Einschnitten,
die gegebenenfalls nachträglich
in dem Sammelrohr vorgesehen werden müssen, nicht notwendig ist,
und die gleichzeitig den Raum zwischen Rippen und Zufuhrrohren gegen
Fehlluft versperren. Es wird später
aber auch noch gezeigt werden, dass solche Einschnitte oder Öffnungen
auch schon vor der Umformung des Blechstreifens zu seiner Rinnenform
durch Einstanzen eingebracht werden können, so dass auch dann eine
spanende Bearbeitung nicht erforderlich ist.
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In Weiterbildung können die
Flachrohre mit um 90° verdrehten
Enden in den Spalt eingesetzt werden, wobei die verdrehten Enden
mehrerer Flachrohre im Inneren der Rinne unmittelbar aneinander
anliegen und so den Abstand der einzelnen Flachrohre festlegen.
Gleichzeitig kann aber auch der Abstand des verdrehten Außenteiles
der Flachrohre vom freien Ende jeweils so gewählt sein, dass der verdrehte
Teil unmittelbar als Anschlag an den den Spalt bildenden Rändern dienen
kann. Auch in Richtung zur Achse der Rinne wird auf diese Weise eine
Ausrichtung der Flachrohre möglich,
ohne dass gesonderte Maßnahmen
getroffen werden müssen. Alternativ
können
die verdrehten Enden der Flachrohre beabstandet voneinander sein.
In diesem Fall liegt nicht ein durchgehender Spalt vor, sondern
es sind Durchzüge
vorgesehen.
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Wie vorher schon angedeutet, ist
es besonders vorteilhaft, zur Herstellung des Sammelrohrs ein Verfahren
vorzusehen, bei dem als Ausgangsmaterial ein mindestens auf einer
Seite lotplattierter flacher Blechstreifen vorgesehen ist, der mit
der lotplattierten Seite nach innen zu der Rinne umgebogen wird,
deren Ränder
mindestens an einer Stelle einen Abstand zueinander haben, der einem
auf die Stärke
von einzuschiebenden Flachrohren abgestimmten Spalt bildet. Eine
solche Herstellung ermöglicht
es auch in einfacher Weise, in dem zunächst noch flachen Blechstreifen
Einstanzungen vorzusehen, welche nach dem Umformen eines solchen
Blechstreifens zu seiner Endform, was beispielsweise in einem Mehrstufen-
oder Folgeverbundpressenwerkzeug geschehen kann, die Einschnitte
zum Einsetzen der Trenn- oder Abschlusswände oder auch der Zu- und Abflussöffnungen
für das
Medium bilden. Die Ausgestaltung kann im übrigen auch so getroffen werden,
dass nach dem Einsetzen der freien Flachrohrenden in den Spalt zwischen
den Rändern
die spätere
Lötstelle
einen gewissen Abstand zum Flachrohrende aufweist, so dass dadurch
vermieden wird, dass durch Kapillarkräfte Lot in die Flachrohrkanäle läuft. Bei
der Herstellung kann vor dem Lötvorgang
zur Dichtlötung zwischen
die Flachrohre auch noch eine Lötfolie
oder ein dünnes
lotbeschichtetes Blech eingelegt werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
wird vorgesehen, dass ein Flachrohr am Flachrohr-Anfang, an einer
ersten Stelle, welche vom Flachrohr-Anfang um die Länge (L1)
beabstandet ist, an einer zweiten Stelle, welche vom Flachrohr-Anfang
um die Länge
(L2) beabstandet ist, und am Flachrohr-Ende um jeweils 90° verdreht
wird, und das Flachrohr in seiner Mitte mit einer Sollrisslinie versehen
und derart gebogen wird, dass beide Hälften des Flachrohres in einem
Endbereich flächig
aufeinander zu liegen kommen, wobei die Wandung des Flachrohres
zumindest teilweise, d.h. am Außenradius,
aufreißt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
werden die beiden Bogenhälften
beim Umfangvorgang geradegebogen und zusammengedrückt, bis
sie sich berüh rend
aneinander liegen. Das direkte gegeneinander Anliegen der beiden
Endabschnitte mit ihrem Flachseiten wirkt formstabilisierend und
raumsparend, insbesondere minimiert diese Maßnahme die Breite bzw. Höhe des Einsteckschlitzes
am Anschlussraumbauteil auf allenfalls geringfügig mehr als die doppelte Dicke
bzw. Höhe
des Flachrohrs.
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Da die beiden über den zusammengedrückten und
außenseitig
aufgerissenen Bogen in das Anschlussraumbeil mündenden Flachrohrfeile bogeninnenseitig
einstückig
miteinander in Verbindung bleiben, ist die Handhabung beim Aufbauen
und Zusammenfügen
dieser Flachrohranschlussstruktur im Vergleich zur Handhabung zweier
separater Flachrohrteile vereinfacht. Ein weiterer Vorteil dieses
Herstellungsverfahrens besteht darin, dass das Öffnen des Rohrbogens am Außenradius
spanlos erfolgt, so dass keine unerwünschten Späne in den Kältemittelkreislauf gelangen
können
bzw. eine Entfernung von Spänen
entfallen kann. Zudem stellt dieses Herstellungsverfahren sehr einfach
eine Anschlagbegrenzung für
die Einstecktiefe der in das Anschlussraumteil eingesteckten Flachrohrteile
zur Verfügung,
indem der sich verbreiternde Übergang
vom zusammengedrückten
Bogen zu den beiden anschließenden
Flachrohrabschnitten als Anschlag für das aufgebrachte Anschlussraumteil
verwendet werden kann, d.h. die Länge des zusammengedrückten Bogenbereichs
wird kleiner gewählt
als die Abmessung des Anschlussraumbauteils in der Flachrohreinsteckrichtung.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
wird als Anschlussraumbauteil ein Sammelrohr verwendet, das einen
gemeinsamen, vorzugsweise über
die gesamte Sammelrohrlänge
durchgehenden Längsschlitz
zum Einstecken mehrerer nebeneinanderliegender Paare von aneinanderliegenden
Flachrohrteil-Endabschnitten aufweist, was das Aufbauen und Zusammenfügen der
Flachrohranschlussstruktur und eines diese verwendenden, gesamten Wärmeübertrager-Flachrohrblocks
weiter erleichtert. Alternativ kann ein Sammelrohr mit Durchzügen verwendet werden.
Zudem ist ein Sammelrohr mit gemeinsamem Längsschlitz für die darin
einzufügenden
Flachrohrstücke
einfacher zu fertigen als ein Sammelrohr mit je einem Einsteckschlitz
für jedes
Flachrohrteil. Außerdem
müssen
bei Verwendung eines gemeinsamen und erst recht eines durchgehenden
Sammelrohr-Längsschlitzes
keine so genauen Fertigungstoleranzen eingehalten werden wie im
Fall von einzelnen Einsteckschlitzen für je zwei mit flachseitig benachbarten
Endabschnitten einzusteckenden Flachrohrteile.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
wird vor Durchführen
des Umformvorgangs Lotmaterial in den Bogeninnenbereich eingelegt,
z.B. in Form eines Lotblechs oder einer Lotfolie. Das Lotmaterial
wird beim Umformvorgang durch das Zusammendrücken des Bogens von den Bogenteilen
fixiert und steht dann in diesem Bereich zum Dichtlöten während eines
anschließenden
Lötvorgangs
zur Verfügung.
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Eine Weiterbildung der Erfindung
hat den Vorteil, dass während
des Prozessschrittes zum Einbringen der Sollrisslinie gleichzeitig
und damit ohne signifikanten Mehraufwand Lotflussstopprillen eingebracht
werden, mit denen ein Wegfließen
von Lot aus dem Bereich der Fügestelle
gestoppt oder jedenfalls vermindert werden kann.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
und Varianten hierzu in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Teil eines zur Herstellung eines Sammelrohrs vorgesehenen flachen
Blechstreifen,
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2 einen
Abschnitt des aus dem Blechstreifen durch Umbiegen gebildeten Sammelrohres,
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3 das
durch eingesetzte Trennwände
in einen Zu- und in einen Abführabschnitt
unterteilte Sammelrohr,
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4 eine
perspektivische Darstellung eines Sammelrohrendes im noch nicht
verschlossenen Zustand mit einem eingesetzten Sammelrohr,
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5 eine
Darstellung ähnlich 4, jedoch mit einer eingesetzten
Trennwand,
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6 eine
Darstellung ähnlich 4, jedoch mit mehreren eingesetzten
Flachrohren, deren Enden um 90° gegenüber den
anderen Abschnitten verdreht sind,
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7 einen
schematischen Längsschnitt durch
einen Wärmeübertrager
nach 6 mit eingesetzten
Flachrohren,
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8 ein
Sammelrohr ähnlich 4, jedoch mit einem Omegaquerschnitt
zur Bildung einer Einführschräge,
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9 eine
schematische Seitenansicht eines Teiles eines Wärmeübertragers, bei dem ein Sammelrohrquerschnitt
nach 8 vorgesehen ist,
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10 die
Ansicht eines der als Abschlusswand vorgesehenen Bleche der 9,
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11 eine
Trennwand ähnlich 10, jedoch mit mehreren
Aussparungen zur Nebeneinanderanordnung mehrerer Sammelrohre,
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12 ein
Ausführungsbeispiel
eines Wärmeübertragers
mit mehreren nebeneinander liegenden Sammelrohren und einer Rohrausbildung
in Serpentinenform,
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13 eine
ausschnittweise Seitenansicht eines umgebogenen Flachrohrrohlings
während
des Einbringens einer Sollrisslinie am Bogenaußenradius,
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14 eine
Draufsicht auf den Flachrohrbogen entlang des Pfeils II von 13,
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15 eine
schematische Seitenansicht des Flachrohrrohlings nach Einbringen
der Sollrisslinie und Verbringen in ein Umformwerkzeug,
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16 die
Ansicht von 15 nach
Durchführung
des Umformvorgangs,
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17 eine
Draufsicht auf den Flachrohrbogen entsprechend 14, jedoch nach beendetem Umformvorgang,
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18 eine
Seitenansicht der durch Aufbringen eines Sammelrohrs auf den umgeformten
Flachrohrbogen fertiggestellten Flachrohranschlussstruktur,
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19A–19D Beinzelne Schritte zur
Herstellung eines Flachrohres für
einen erfindungsgemäßen Flachrohr-Wärmeübertrager,
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20 einen
Flachrohr-Wärmeübertrager
in Form eines Gaskühlers,
und
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21 einen
Gaskühler
gemäß einer
Variante des Ausführungsbeispiels.
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In der 1 ist
ein Stück
eines flachen Blechstreifens 1' gezeigt, der zur Herstellung eines Sammelrohres
nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Dieser Blechstreifen 1' ist mit einer schlitzförmigen Ausstanzung 2 und
mit einer runden ebenfalls ausgestanzten Öffnung 3 versehen.
Der Blechstreifen 1' ist
auf der vom Betrachter abgewandten Unterseite in nicht näher dargestellter
Weise lotplattiert.
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Er wird im Sinn der Pfeile 4 umgebogen
und in die Form nach 2 gebracht,
wo er in eine nach unten offene Rinne 1 umgeformt ist.
Diese Rinne kann beispielsweise die Querschnittform nach 4 erhalten, und sie besitzt
einseitig abstehende, zueinander in etwa parallele Ränder 5,
die zwischen sich einen Spalt 6 (siehe auch 3) bilden, der dazu ausgenützt wird,
die Enden eines Flachrohres 7 – 4 – aufzunehmen.
Diese Enden 7' stehen
nur wenig über
die engste Stelle des Spaltes 6 nach oben vor. Wenn die
Rinne 1 als Sammelrohr eingesetzt ist, kann auf diese Weise
das durch das Sammelrohr geleitete an der Wärmeübertragung beteiligte Medium in
die offenen, in den Innenraum der Rinne 1 hereinragenden
Flachrohre 7 eintreten. Die Enden 7' der Flachrohre 7 werden
mit den Rändern 5 verlötet, so dass
eine dichte Aufnahmemöglichkeit
für Flachrohre besteht,
ohne dass ein Sammelrohr durch mechanische Bearbeitung mit Einstecköffnungen
versehen werden muss.
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Die Enden oder zumindest ein Ende
einer Rinne kann zumindest eine Fase in Richtung der einzuschiebenden
Flachrohre aufweisen, die als Einschubhilfe für die Flachrohre dienen.
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Die 3 und 5 machen deutlich, dass aus der
Rinne 1 in relativ einfacher Weise ein Sammelrohr gebildet
werden kann, wenn Trennwände 8 verschiedene
Abschnitte der Rinne gegeneinander unterteilen und beispielsweise
eine der Öffnungen 3 als Zuflussöffnung zum
Sammelrohr im Sinn des Pfeiles 9 durchströmt wird
und eine andere Öffnung 3 in
einem anderen Abschnitt des Sammelrohrs als Abflussöffnung zur
Abströmung
im Sinne des Pfeiles 10 verwendet wird. Die Trennwände 8 sind
dabei in die Schlitzöffnungen 2 eingesetzt,
welche so bemessen sind, dass die tiefste Stelle des Schlitzes 2 in
der Endform der Rinne 2 nach 3 oder 5 mit dem Beginn des Endes 7' des Flachrohres
zusammenfällt. Die
Trennwand 8, die beispielsweise als ein lotplattiertes
flaches Blech ausgebildet ist, kann dann in den Schlitz 2 gesteckt
und anschließend
in der Rinne 1 verlötet
werden, wobei auch die Flachrohre 7 mit den Rändern 5 der
Rinne dicht verlötet
werden, so dass ein Wärmeübertrager
gebildet werden kann, dessen Flachrohre in nicht näher gezeigter
Weise von einem der Medien angeströmt werden, das an der Wärmeübertragung
teilnimmt, während
das zweite Medium durch das Sammelrohr, d.h. durch die Rinne 1 und
durch die Flachrohre 7 strömt. Dabei kann bei der Trennwand 8 ein
zusätzlicher
Schlitz (nicht dargestellt) vorgesehen sein, in den die Enden der Flachrohre 7 eingeschoben
sind. Die Trennwände weisen
dabei vorzugsweise Ausschnitte 21 auf, die zumindest teilweise
die Rohre aufnehmen lassen.
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Die 6 zeigt
eine Variante eines Wärmeübertragers
insofern, als hier Flachrohre 11 in die als Sammelrohr
ausgebildete Rinne 1 eingeschoben sind, deren zwischen
die Ränder 5 eingeschobene Enden 11' jeweils um
90° gegenüber dem übrigen Rohrabschnitt
verdreht sind. Wie ohne weiteres deutlich wird, können bei
einer solchen Ausführungsform die
Flachrohre 11 im Sinn des Pfeils 12 durchströmt werden.
Es besteht natürlich
auch die Möglichkeit, die
Zwischenräume
zwischen den Flachrohren 11 mit Rippen zu versehen, um
die Wärmeübertragung
zu verbessern. Im übrigen
lässt sich das
von der Rinne 1 gebildete Sammelrohr in der gleichen Weise
durch Trennwände 8 in
seiner Länge
unterteilen und mit Zu- oder Abströmöffnungen 3 versehen,
wie das anhand der 1 bis 5 erläutert wurde. Die Herstellung
der Rinne 1 erfolgt ebenfalls in der gleichen Weise.
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Die 7 lässt in diesem
Zusammenhang erkennen, dass die in die Rinne 1 eingeschobenen Enden 11' der Flachrohre 11 auf
Stoß aneinander
liegen und so auch der Abstand zwischen den einzelnen Flachrohren 11 in
einfacher Weise eingehalten werden kann.
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Die 8 zeigt
eine Variante des als Rinne ausgebildeten Sammelrohrs insofern,
als hier die Ränder 5a nach
außen
divergieren und nur in einem Bereich an den Flachrohren 7 anliegen,
der etwas vom freien Ende des Randes entfernt ist. Die Ränder 5a bilden
auf diese Weise jeweils eine Einführschräge für die freien Enden der Flachrohre 7.
Gleichzeitig wird bei verdrehten Rohrenden die Einrück- oder
Einstecktiefe der Rohre begrenzt, da durch das Verdrehen der Rohrenden
die Breite der Rohrenden mit zunehmendem Abstand von dem Rohrende
wächst. Die
Verlötung
findet im Kontaktbereich der Ränder 5a mit
den Flachrohren 7 statt.
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Die 9 bis 12 erläutern eine andere Möglichkeit
der Anbringung von Abschlusswänden
für das
als Rinne 1 ausgebildete Sammelrohr. Hier werden lotplattierte
Bleche 13 mit einer Aussparung 16 in der Querschnittform
der Rinne 1 hergestellt, die dann, nachdem das Flachrohr 14 oder
mehrere Flachrohre in die Rinne eingeschoben sind, von außen her
auf die Rinne 1 aufgeschoben werden, bis sie an dem oder
den Flachrohren anliegen. In dieser Lage werden die Bleche 13 dann
zusammen mit dem Flachrohr und der Rinne 1 verlötet.
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Diese Ausgestaltung eröffnet auch
die Möglichkeit,
mehrere solcher Aussparungen 16 in einem gemeinsamen Blech 15 anzuordnen,
das dann, wie die 12 zeigt,
als Abschlussblech von drei nebeneinander liegenden Sammelrohren
in der Form von Rinnen 1 verwendbar ist und beispielsweise
die Herstellung eines Serpentinen-Wärmeübertragers mit in Schlaufen
gelegten Flachrohren 17 und 18 ermöglicht.
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Natürlich sind auch andere Querschnittsformen
für die
Rinne 1 denkbar. Maßgebend
ist jeweils, dass die freien Ränder
der Rinne einen Spalt bilden, dessen Breite auf die Stärke der
einzusetzenden Flachrohre abgestimmt ist. Die in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsformen
eignen sich besonders für
Wärmeübertrager
für einen
CO2 Kältekreislauf.
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Die 12 zeigt
weiterhin eine Abdeckleiste 22, die dazu dient, daß möglichst
wenig Fehlluft erzeugt wird.
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In den 13 bis 18 ist ein Beispiel eines Verfahrens
zur Herstellung einer Flachrohranschlussstruktur in aufeinanderfolgenden
Prozessschritten veranschaulicht, wie sie insbesondere für Wärmeübertrager
von Fahrzeug-Klimaanlagen
verwendbar ist, die mit Kohlendioxid oder einem anderen Kältemittel
arbeiten.
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13 illustriert
einen anfänglichen
Verfahrensschritt, bei dem ein umgebogener Flachrohrrohling 101 mit
wenigstens einem Bogen 102 bereitgestellt wird. Hierbei
kann es sich um einen Serpentinen-Flachrohrrohling mit mehreren
Bögen oder
auch nur um einen U-förmigen
Flachrohrrohling mit einem einzigen Bogen handeln, wobei in 13 der Übersichtlichkeit halber von
dem Flachrohrrohling 101 nur ein Bogen und die beiden anschließenden,
geradlinigen Flachrohrabschnitte 101a, 101b explizit
gezeigt sind. Wie in 13 weiter
angedeutet, wird in den Außenradius
des Bogens 102 mittig eine sich über die gesamte Flachrohrbreite
erstreckende, quer verlaufende Sollrisslinie mittels eines Dorns 103 oder
einer Nadel eingebracht. 14 zeigt
in der Draufsicht auf den Bogen 102 die durch das Anritzen
bogenaußenseitig
erzeugte Sollrisslinie 104.
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15 veranschaulicht
das Verbringen des so bearbeiteten Flachrohrrohlings 101 in
ein Umformwerkzeug, von dem schematisch lediglich zwei hier interessierende
Pressbacken 105, 106 wiedergegeben sind. Der Flachrohrrohling 101 wird
so weit in das Presswerkzeug eingebracht, dass sich nur sein Bogen 102 mit
der außenseitigen
Sollrisslinie 104 zwischen den Pressbacken 105, 106 befindet. Die
beiden an den Bogen 102 anschließenden, geradlinigen Flachrohrabschnitte 101a, 101b werden durch
einen zwischengefügten
Abstandsblock 107 abgestützt und auf Abstand gehalten.
In den Bereich der Bogeninnenseite wird ein Lotblech 108 eingelegt. Dann
wird das Presswerkzeug aktiviert, d.h. die beiden Pressbacken 105, 106 bewegen
sich aufeinander zu, wie mit entsprechenden Pfeilen angedeutet.
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Dieser Pressvorgang wird beendet,
wenn die beiden Hälften 102a, 102b des
Bogens 102 durch die Wirkung der Pressbacken 105, 106 geradegebogen sind
und mit ihren Flachseiten gegeneinander anliegen, wobei sie das
eingebrachte Lotblech 108 zwischen sich fixiert halten. 16 veranschaulicht diese
Situation am Ende des Pressvorgangs.
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Durch diesen Umformvorgang reißt das Flachrohr 101 am
Bogenaußenradius
während
des Zusammendrückens
des Bogens 102 entlang der zuvor eingebrachten Sollrisslinie 104 auf.
Dies hat zur Folge, dass dort jeder Strömungskanal des Flachrohrrohlings 101 unter
Bildung einer entsprechenden Mündungsöffnung nach
außen
aufbricht. In der Draufsicht von 17 auf
den umgeformten Flachrohrbogenbereich sind die zu in diesem Beispiel
acht Strömungskanälen gehörigen acht
Mündungsöffnungen 109 zu
erkennen.
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Beim Umformen kann es zu einem seitlichen Hinausdrücken von
Rohrmaterial unter Bildung je eines Wulstes oberhalb und unterhalb
der Ebene der Sollrisslinie 104 auf den beiden Seiten der
geradegebogenen Flachrohrhälften 102a, 102b kommen. Wenn
dies stört,
z.B. weil mehrere Flachrohre eng aneinanderliegend in einen durchgehenden
Längsschlitz
eines Sammelrohrs eingefügt
werden sollen, kann diese seitliche Wulstbildung dadurch unterdrückt werden,
dass seitliche Flanken an jedem der beiden Pressbacken 105, 106 mit
einem im wesentlichen der Flachrohrbreite entsprechenden Abstand vorgesehen
werden, die ein seitliches Ausweichen von Rohrmaterial beim Umformvorgang
unterbinden. Die Flanken stehen dabei im wesentlichen um die Flachrohrdicke
vor, so dass sie einerseits den Umformvorgang nicht behindern und
andererseits die jeweils seitengleichen Flanken beider Pressbacken 105, 106 in
der in 16 gezeigten
Endstellung des Presswerkzeugs gegeneinander anliegen und das seitliche
Hinausdrücken
von Rohrmaterial verhindern. Mit anderen Worten wird dadurch ein
Kalibriervorgang realisiert, der gemeinsam mit dem Umformvorgang
erfolgt oder sich an diesen anschließt und mit dem die Flachrohrendabschnitte 102a, 102b breiten-
und höhenmäßig kalibriert
werden.
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Der in den 16 und 17 gezeigte
Teil des umgeformten Flachrohrrohlings beinhaltet folglich zwei
mehrkanalige Flachrohrteile 110, 111, die jeweils
einen geradlinigen Flachrohrabschnitt 101a, 101b und
die zugehörige,
geradegebogene Bogenhälfte 102a, 102b beinhalten
und über
den nicht aufgerissenen Bogeninnenradius einstückig miteinander verbunden
sind. Dabei bilden die beiden Übergangsbereiche 112, 113 zwischen
dem jeweiligen Endabschnitt 102a, 102b und dem
jeweiligen Mittelabschnitt 101a, 101b einen Schulterbereich,
dessen Außenabmessung
senkrecht zur Flach rohrebene von der doppelten Flachrohrdicke im
Endabschnittbereich um die Höhe
des Abstandsblocks 107 im Mittelabschnittbereich zunimmt,
wobei die Höhe
des Abstandsblocks 107 den bleibenden Abstand der Flachrohrmittelabschnitte 101a, 101b für einen
späteren Einbau
der Flachrohrteile 110, 111 in einen Wärmeübertrager-Flachrohrblock
definiert und dementsprechend gewählt wird.
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Nach beendetem Umformvorgang werden die
Pressbacken 105, 106 gelöst, das umgeformte Flachrohr
wird entnommen, und der Abstandsblock 107 wird entfernt.
Dann wird auf den umgeformten Endabschnitt mit den beiden geradegebogenen
Bogenhälften 102a, 102b ein
einschlitziges Sammelrohr 114 aufgeschoben. Anschließend wird
die dergestalt vorgefertigte Flachrohranschlussstruktur durch einen herkömmlichen
Lötvorgang
dichtgelötet,
vorzugsweise in einem gemeinsamen Lötvorgang, bei dem auch die übrigen Lötverbindungen
eines Wärmeübertrager-Flachrohrblockaufbaus
hergestellt werden, in welchem die Anschlussstruktur verwendet wird.
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Das zwischen den geradegebogenen
Bogenhälften 102a, 102b fixierte
Lotblech 108 dient zur Lotversorgung beim Dichtlöten. Um
einen Lotfluss von der Fügestelle
weg während
des Lötvorgangs
zu vermeiden bzw. zu vermindern, werden optional entsprechende Lötflussstopprillen 118 vorgesehen,
die bevorzugt ohne größeren Mehraufwand
in den Rohrbogenbereich oder den angrenzenden Teil der geradlinigen
Rohrmittelabschnitte 101a, 101b während des
Verfahrensschrittes eingebracht werden können, in welchem durch den
Ritzdorn 103 bzw. die Ritznadel die Sollrisslinie 104 eingebracht
wird. Im in den 13 bis 18 gezeigten Beispiel werden
je drei Lötflussstopprillen 118 außen- und
innenseitig durch ein entsprechendes Ritzwerkzeug 119,
siehe 13, in einen Rohrbereich
eingebracht, der sich im fertigen Rohrblock zwischen den geradegebogenen
Bogenhälften 102a,
102b einerseits
und einer Wellrippe andererseits befindet, die jeweils zwischen
die Flachrohrmittelabschnitte eingefügt ist.
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Bevorzugt besitzt das Sammelrohr 114 einen aus 18 ersichtlichen Ωförmigen Querschnitt,
d.h. die den durchgehenden Längsschlitz
begrenzenden Längskanten 115, 116 sind
voneinander weg etwas aufgeweitet und erleichtern so das Aufschieben
des Sammelrohrs 114 bzw. das Einfügen des jeweiligen Flachrohrendabschnitts 102a, 102b.
Indem das Sammelrohr 114 mit diesen schlitzbegrenzenden Längskanten 115, 116 gegen
den Schulterbereich 112, 113 des umgeformten Flachrohrs
zur Anlage kommt, wird automatisch die Einstecktiefe des die beiden
einstöckig
verbundenen Flachrohrteile 110, 111 beinhaltenden
Flachrohrs begrenzt. Über
eine zugehörige
Mündungsöffnung stehen
somit je ein Strömungskanal
jedes der beiden mehrkanaligen Flachrohrteile 110, 111 mit
einem vom Sammelrohr 114 definierten Sammelraum 117 in
Fluidverbindung.
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Die erfindungsgemäß hergestellte Flachrohranschlussstruktur
gemäß 18 ist beispielsweise für den eingangs
erwähnten
Wärmeübertrager
vom Serpentinentyp verwendbar, der als Verdampfer in CO2-Fahrzeugklimaanlagen
zum Einsatz kommt und eine Kältemittelumlenkung
in der Blocktiefenrichtung aufweist, wobei ein oder mehrere von
Serpentinenflachrohre in ein quergeteiltes Sammelrohrstück und/oder
in ein ungeteiltes Umlenkrohrstück
münden.
Sowohl der Anschluss an das quergeteilte Sammelrohr als auch der
Anschluss an das oder die Umlenkrohrstücke ist durch die vorliegende,
erfindungsgemäße Flachrohranschlussstruktur
realisierbar. Für das
quergeteilte Sammelrohrstück
ist das Sammelrohr 114 gemäß 18 mit der Modifikation verwendbar, dass
es mit einer entsprechenden Quertrennwand versehen ist. Für die Umlenkrohrstücke ist das
ungeteilte Sammelrohr 114 gemäß 18 verwendbar.
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Es versteht sich, dass außer dem
oben erläuterten
Ausführungsbeispiel
weitere, modifizierte Flachrohranschlussstrukturen erfindungsgemäß herstellbar
sind. So kann in bestimmten Anwendungsfällen bereits ein weniger weitgehendes
Zusammendrücken
der Bogenhälften
genügen,
das zum bogenaußenseitigen
Aufreißen
des Flachrohrs und damit dem Öffnen
des oder der Flachrohrkanäle
führt,
wobei die Bogenhälften
dann noch einen gewissen Abstand voneinander haben. Weiter versteht
sich, dass außer dem
gezeigten achtkanaligen Flachrohr jedes andere herkömmliche,
umgebogene Flachrohr mit nur einem Strömungskanal oder mit einer beliebigen
anderen Anzahl von Strömungskanälen verwendbar
ist. Des weiteren versteht sich, dass je nach Bedarf eine beliebige
Anzahl von erfindungsgemäß durch
Rohrbogenumformung gebildeten Paaren von Flachrohrteilen nebeneinanderliegend
in den gemeinsamen, vorzugsweise durchgehenden Sammelrohr-Längsschlitz
eingefügt
sein können.
Alternativ können mehrere
Paare von Flachrohrteilen in je einen eigenen von mehreren Einsteckschlitzen
eingefügt
sein, die voneinander beabstandet in ein entsprechendes Sammelrohr
eingebracht sind. Selbstverständlich kann
statt eines Sammelrohrs in entsprechenden Anwendungsfällen auch
irgendein anderes herkömmliches
Anschlussraumbauteil verwendet werden, z.B. ein Anschlusskasten.
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In allen Fällen hat das erfindungsgemäße Verfahren
den Vorteil, dass Paare von Flachrohrteilen, die mit flachseitig
benachbarten Endabschnitten in ein Anschlussraumbauteil einzufügen sind,
aus einem einzigen Flachrohrrohling hergestellt werden können und
einstückig
miteinander in Verbindung bleiben, wobei ihre Strömungskanäle im Bogenbereich
spanlos durch außenseitiges
Aufreißen
geöffnet
werden. Die zusammenhängenden
Flachrohrteile, die Teile eines geradlinigen Flachrohrs oder eines Serpentinenflachrohrs
darstellen können,
sind beim Aufbau eines Flachrohrblocks für einen zugehörigen Wärmeübertrager
vergleichsweise einfach handhabbar, und die Einstecktiefe in das
Anschlussraumbauteil lässt
sich automatisch begrenzen. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist somit die Schaffung einer kostengünstigen und fertigungssicheren
Ausführung
der Kältemittel-Beaufschlagung und
-Absaugung eines Wärmeübertragers
z.B. vom Serpentinentyp und bei Bedarf eine kostengünstige Ausführung einer
Kältemittelumlenkung
in der Rohrblocktiefenrichtung möglich.
Der Serpentinen-Wärmeübertrager
kann hierbei unter Verwendung einer einzigen durchgehenden Flachrohrserpentine
aufgebaut werden, er kann jedoch auch aus mehreren Serpentinensegmenten
bestehen, bis hin zu dem Fall, dass das jeweilige Segment nur aus
den zwei durch einen Bogen verbundenen, geraden Abschnitten eines
U-förmigen
Flachrohrrohlings besteht.
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Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Flachrohr-Wärmeübertragers
erfolgt gemäß dem im folgenden
beschriebenen Ausführungsbeispiel,
wie in den 19A bis 19D und 20 schematisch dargestellt. Von einem
Coil wird ein Flachrohrrohling 201 mit einer Mehrzahl von
nicht im einzelnen dargestellten Leitungen abgewickelt und abgelängt. 19A zeigt einen entsprechend
abgelängten
Flachrohrrohling 201, welcher am Flachrohr-Anfang 202,
an einer ersten Stelle 203, welche vom Flachrohr-Anfang 202 um
die Länge
L1 beabstandet ist, an einer zweiten Stelle 204, welche
vom Flachrohr-Anfang 202 um die Länge L2 beabstandet ist, und
am Flachrohr-Ende 205 jeweils
um 90° verdreht
ist, wobei die Torsion jeweils in die gleiche Richtung erfolgt ist.
Alternativ kann auch, wie in den 19B bis 19D dargestellt, eine Torsion
in gegenläufiger
Richtung vorgesehen sein, wobei jede Torsion gegenläufig zu
der oder den benachbarten Torsionen ist.
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Wie in 19B dargestellt,
wird der derart vorbereitete Flachrohrrohling 201 in seiner
Mitte 206 (d.h. beabstandet vom Flachrohr-Anfang 2 um
die Länge
(L1+L2)/2) mit einer Sollbruchstelle oder Sollrisslinie 207 versehen
und um einen als Abstandshalter dienenden Dorn D so umgeformt, dass
beide Hälften
des Flachrohrrohlings 201 in einem Abstand A zu liegen
kommen. Gleichzeitig mit oder anschließend an das vorsehen der Sollrisslinie 207 können auch Lotflussstopprillen
vorgesehen werden.
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Nach erfolgter Umformung wird der
Dorn D in Richtung der Rohrverdrehungen bewegt (vgl. 19C), wobei nach dem Verschieben
des Dornes D in den Freiraum ein Lotmaterial eingebracht werden
kann, und ein Backenwerkzeug B formt den 180°-Bogenbereich 208 derart um,
dass beide Hälften
des Flachrohrrohlings 201 flächig aufeinander zu liegen
kommen (vgl. 19D). Hierbei
sorgt der Dorn D wiederum dafür,
dass der gewünschte
Abstand eingehalten wird. Bei diesem Umformvorgang reißt die Deckfläche des
Flachrohrrohlings 201 an der Sollrisslinie 207 auf,
so dass die Leitungen in der Flachrohr-Mitte 206 vollständig geöffnet werden.
Danach werden der Dorn D und das Backenwerkzeug B entfernt. Im folgenden
wird auf eine Flachrohr-Hälfte als
Flachrohr-Element 209 Bezug genommen.
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Für
den Zusammenbau der einzelnen Flachrohrrohlinge 201 und/oder
Flachrohr-Elemente 209, bspw. zu einem Gaskühler, werden
am Flachrohr-Anfang 202, am Flachrohr-Ende 205 sowie
an der Flachrohr-Mitte 206, also auf beiden Seiten der Flachrohr-Elemente 209 Sammelrohre
angebracht (nicht dargestellt).
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Diese Sammelrohre weisen – gemäß einer ersten
Variante – in
ihrer Längsrichtung
verlaufende Schlitze auf, wobei eines der Sammelrohre doppelt so
viele Schlitze aufweist, wie das andere Sammelrohr, da jeweils ein
Schlitz für
den Flachrohr-Anfang 202 und das Flachrohr-Ende 205 von
etwas geringerer Breite, jedoch nur ein Schlitz für die Flachrohr-Mitte 206,
die gedoppelt ist, von etwas größerer Breite erforderlich
ist.
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Gemäß einer alternativen Variante
werden die Sammelrohren durch eine Rinne gebildet, die beispielsweise
einen Ω-förmigen Querschnitt
aufweist, wie eingangs beschrieben.
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Die Sammelrohre weisen eine gewisse
Anzahl von Kältemittelumlenkungen
auf, die so abgestimmt sind, dass eine optimale Kältemittelführung bewirkt
wird. Der Gaskühlerblock
kann – je
nach Erfordernis – eine
gemeinsame Wellrippe oder zwei getrennte Wellrippen, welche eine
weitgehende thermische Entkoppelung gewährleisten, aufweisen.
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Dadurch, dass nach jedem Durchströmen einer
Breite des Flachrohr-Wärmeübertragers,
d.h. nach dem Durchströmen
eines Flachrohr-Elements 209, das Kältemittel in ein Sammelrohr
gelangt, erfolgt eine Vermischung des Kältemittels der einzelnen Leitungen
im Flachrohr, so dass bei Beginn des Weiterströmens durch ein weiteres Flachrohr-Element 209 das
Kältemittel
in sämtlichen
Leitungen etwa die selbe Temperatur aufweist. Hierbei verbessert
die Torsion der Flachrohre zusätzlich
die Vermischung des Kältemittels.
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Aus einer Mehrzahl gemäß der obigen
Beschreibung umgeformter Flachrohrrohlinge 201, also Flachrohr-Elementen 209,
kann gemäß einer
Variante ein Gaskühler 210 zusammengebaut
werden, wie in 20 schematisch
angedeutet ist. Hierfür
werden drei Flachrohr-Elemente 209, d.h. im vorliegenden
Fall ein Flachrohrrohling 201, welcher entsprechend der
obigen Beschreibung umgeformt wurde und ein Flachrohr-Element 209,
welches ebenfalls entsprechend der obigen Beschreibung umgeformt wurde,
jedoch von seiner zweiten Hälfte
getrennt wurde, Z-förmig
zusammengefügt,
wobei Sammelrohre 211 an den Umlenkstellen 212 vorgesehen sind,
um eine Vermischung des Kältemittels
zu ermöglichen.
Somit erfolgt eine 2-fache Umlenkung des Kältemittels in der Tiefe des
Gaskühlers 210.
Die Strömungsrichtung
des Kältemittels
ist in 20 durch Pfeile
am Kältemittelein-
und -austritt und die Strömungsrichtung
der zu kühlenden
Luft durch einen Pfeil von unten angedeutet.
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Gemäß einer in 21 dargestellten Variante in Form eines
Gaskühlers
sind zwei Einzelblöcke mit
jeweils zwei Sammelrohren 221, wobei jeder Einzelblock
für sich
gelötet
und danach über
gemeinsame Seitenteile zu einem Block zusammengefügt wird,
vorgesehen. Hierbei ist ein Sammelrohr 221 eines jeden
Blocks mit einer Trennwand 223 versehen, so dass der Flachrohr-Wärmeübertrager
insgesamt in vier Teilblöcken
durchströmt
wird. Hierbei tritt das Kältemittel
in den hinteren unteren Teilblock ein, gelangt nach dem Durchströmen des
Teilblocks über das
Sammelrohr 221 in den hinteren oberen Teilblock, den es
durchströmt,
wird dann in der Mitte in den unteren Teil des vorderen Teilblocks
geleitet, durchströmt
den Teilblock und gelangt dann in den oberen vorderen Teilblock,
wo es nach dem Durchströmen
desselben wieder austritt, wie durch die Pfeile in 21 angedeutet.
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Im Prinzip ist auch ein Eintritt
in den hinteren oberen Teilblock möglich. Der Ort des Kältemittel-Eintritts
wird von der warmen Motorrückströmung bestimmt.
Ebenfalls ist die Verwendung als Verdampfer möglich.