DE19911334A1 - Sammelrohr für einen Wärmeübertrager und Herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sammelrohr für einen Wärmeübertrager, das einen oder mehrere umfangsseitige, durch innenmatrizenloses Stanzen oder Innenhochdruckumformen eingebrachte Schlitze zum Einfügen eines jeweiligen Flachrohres beinhaltet, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sammelrohres. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein Sammelrohr bereitgestellt, das ein Verhältnis von Rohraußenradius zu Rohrwandstärke kleiner als fünf aufweist. Die Schlitze werden vorzugsweise parallel oder in einem spitzen Winkel zur Rohrlängsachse eingebracht. Das Sammelrohr kann durch Biegen eines Flachmaterials und anschließendes Dichtlöten oder Dichtschweißen des nach dem Biegen vorliegenden Längsspalts gefertigt werden. DOLLAR A Verwendung z. B. für Gaskühler und Verdampfer von CO¶2¶-Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sammelrohr für einen Wär­ meübertrager mit einem oder mehreren, durch innenmatrizenlo­ ses Stanzen oder Innenhochdruckumformen eingebrachten Schlit­ zen zum Einfügen eines jeweiligen Flachrohres sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sammelrohres. Ein wichtiges Anwendungsgebiet sind Wärmeübertrager in Form von Verdampfern und Kondensatoren bzw. Gaskühlern von Kraftfahr­ zeug-Klimaanlagen.

Die Patentschriften EP 0 198 581 B1 und US 5.052.480 offenba­ ren Sammelrohre mit je einer Reihe von Querschlitzen, in wel­ che Flachrohrenden eines aus parallel angeordneten Flachroh­ ren aufgebauten Wärmeübertragerblocks eingefügt werden. Be­ dingt durch die Querlage der Schlitze muß der Sammelrohr­ durchmesser größer als die Schlitzlänge gehalten werden. Die Sammelrohre besitzen eine im Verhältnis zu ihrem Durchmesser um ein Vielfaches kleinere Rohrwandstärke. Unter anderem be­ dingt durch diese geringe Rohrwandstärke kommt es bei den Sammelrohren der EP 0 198 581 B1 zu Einbuchtungen des Sammel­ rohres in den Bereichen der Schlitze, die nach innen gebogene Durchzüge bilden, wobei der Rohraußendurchmesser außerhalb des Schlitzbereichs um etwa das Eineinhalbfache größer ist als im Schlitzbereich.

Bei einem in der Offenlegungsschrift DE 43 34 203 A1 be­ schriebenen Sammelrohr-Herstellungsverfahren werden Quer­ schlitze in Form von nach innen gebogenen Durchzügen in ein Sammelrohr durch innenmatrizengestütztes Stanzen eingebracht, wozu eine Innenmatrize in das Sammelrohr eingeschoben wird und die Schlitze von außen mittels eines geeigneten Stempels in die Sammelrohrwand gestanzt werden.

Alternativ zu Querschlitzen ist es bekannt, Sammelrohre mit parallel oder in einem spitzen Winkel zur Rohrlängsachse ver­ laufenden Schlitzen zu versehen, in welche tordierte Flach­ rohrenden eingesteckt werden, siehe beispielsweise die Pa­ tentschrift US 3.416.600 und die Offenlegungsschriften EP 0 845 648 A2 und DE 197 29 497 A1.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung eines mit relativ geringem Aufwand herstellbaren Sammel­ rohres der eingangs genannten Art, das sich insbesondere auch für Einsatzfälle mit hoher Druckbelastung eignet, wie für CO₂-Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, und eines vorteilhaften Herstellungsverfahrens für ein solches Sammelrohr zugrunde.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Sammelrohres mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eines Verfahrens zur Sammelrohrherstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 oder 5.

Beim Sammelrohr nach Anspruch 1 hat das Verhältnis von Rohraußenradius zu Rohrwandstärke einen Wert kleiner als fünf, d. h. bezogen auf seinen Rohraußenradius weist das Sam­ melrohr eine vergleichsweise hohe Rohrwandstärke auf, die es für Einsatzfälle mit hoher Druckbelastung geeignet macht, wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeug-Klimaanlagen vorliegen, die mit dem Kältemittel CO₂ arbeiten. Insbesondere können Rohrwandstärken zwischen 1,8 mm und 2,5 mm vorgesehen sein. Das Sammelrohr mit dieser hohen Rohrwandstärke läßt sich mit re­ lativ geringem Aufwand durch innenmatrizenloses Stanzen oder Innenhochdruckumformen mit länglichen Schlitzen versehen, in die zugehörige Flachrohrenden eines Wärmeübertragers einge­ steckt und dichtgelötet oder auf andere Weise gasdicht fest­ gelegt werden können.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird gemäß Anspruch 2 für das Sammelrohr ein Material mit einer Härte zwischen 35 H_v und 80 H_v gewählt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind gemäß An­ spruch 3 die Schlitze von nach innen gebogenen Durchzügen derart gebildet, daß das Verhältnis von Rohraußendurchmesser außerhalb des Schlitzbereichs zu demjenigen im Schlitzbereich zwischen 1,02 und 1,5 liegt.

Beim Sammelrohrherstellungsverfahren nach Anspruch 4 werden durch innenmatrizenloses Stanzen oder Innenhochdruckumformen ein oder mehrere Schlitze in das Sammelrohr eingebracht, die parallel oder in einem spitzen Winkel zur Sammelrohrlängsach­ se orientiert sind. Ein dergestalt hergestelltes Sammelrohr eignet sich besonders für Wärmeübertrager, bei denen Flach­ rohre mit tordierten Enden verwendet werden, die aufgrund der Tordierung in einem entsprechenden Winkel zur Sammelrohr­ längsachse orientiert sind.

Beim Sammelrohrherstellungsverfahren nach Anspruch 5 wird zur Bildung des Sammelrohres zunächst ein Flachstück, das bei Be­ darf lotplattiert sein kann, zu einem Rohling gebogen, wobei der dadurch verbliebene Längsspalt anschließend dichtgelötet oder dichtgeschweißt wird. Die zum Einfügen von Wärmeübertra­ ger-Flachrohren benötigten Schlitze werden durch innenmatri­ zenloses Stanzen wahlweise entweder schon in das Flachstück oder erst in den aus dem Flachstück gebogenen Rohling vor oder nach dem Dichtlöten oder Dichtschweißen des Längsspalts eingebracht.

In weiterer Ausgestaltung dieses Herstellungsverfahrens wird gemäß Anspruch 6 ein lotplattiertes Flachstück verwendet, so daß dann ein entsprechend lotplattiertes Sammelrohr vorliegt, was ein Dichtlöten des Längsspalts und/oder in die Schlitze eingesetzter Flachrohrenden erleichtert. In weiterer Ausge­ staltung dieser Maßnahme erfolgt gemäß Anspruch 7 das Dicht­ löten des Längsspalts in einem gemeinsamen Lötvorgang, in welchem gleichzeitig die übrigen Komponenten des Wärmeüber­ tragers verlötet werden, so daß insgesamt nur ein Komplett­ lötvorgang für die Fertigung des Wärmeübertragers erforder­ lich ist.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sammelrohr­ herstellungsverfahrens wird gemäß Anspruch 8 an den Stellen des Sammelrohres, an denen die Schlitze einzubringen sind, eine punktuelle Wärmebehandlung und/oder eine mechanische Schwächung vorgesehen, was das innenmatrizenlose Einbringen der Schlitze erleichtert.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische, ausschnittweise Seitenansicht ei­ nes Sammelrohres mit parallel zur Rohrlängsachse ein­ gebrachten Schlitzen,

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 eine ausschnittweise Draufsicht auf ein zur Herstel­ lung des Sammelrohres von Fig. 1 verwendbares Flachstück,

Fig. 4 eine Seitenansicht des durch Rundbiegen des Flachstücks von Fig. 3 entstandenen Sammelrohr- Rohlings,

Fig. 5 eine ausschnittweise Seitenansicht eines Sammelrohres mit zwei sich berührend in Umfangsrichtung nebenein­ anderliegenden Schlitzen und

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Sammelrohres mit zwei getrennten Sammellängskanälen.

Das in den Fig. 1 und 2 ausschnittweise gezeigte Sammelrohr 1 ist umfangsseitig, d. h. an seinem Rohrmantel, mit einer Reihe von in Richtung der Rohrlängsachse 2 aufeinanderfolgenden Schlitzen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f versehen, die von einer länglichen, an die Querschnittsform von einzufügenden Flach­ rohrenden angepaßter Gestalt sind. Sie verlaufen mit ihrer Längserstreckung parallel zur Rohrlängsachse bzw. Rohrmantel­ linie 2 und folgen unter Bildung entsprechender Stegbereiche 4a, 4b, 4c, 4d, 4e mit gleichem, geringfügigem Abstand auf­ einander. Es versteht sich, daß je nach Bedarf, d. h. je nach der Aufeinanderfolge der einzufügenden Flachrohrenden einer jeweils verwendeten Wärmeübertrager-Flachrohrblockfiguration, jede andere Aufeinanderfolge von Schlitzen möglich ist, z. B. eine Folge von weiter beabstandeten Schlitzpaaren aus je zwei eng benachbarten Schlitzen.

Die Schlitze 3a bis 3f können durch einen Stanzvorgang einge­ bracht werden, bei dem das Sammelrohr 1 von einer zweigeteil­ ten Außenmatrize umfaßt wird, deren untere Matrizenhälfte das Sammelrohr 1 trägt und deren obere Matrizenhälfte eine ent­ sprechende Anzahl beabstandeter Schlitze aufweist, durch die zugehörige Stanzstempel eintauchen und dadurch die Schlitze 3a bis 3f als nach innen gerichtete Durchzüge in das Sammel­ rohr 1 "reißen". Alternativ kann das Einbringen der Schlitze teilweise durch geeignete Stempel auch mit nur teilweiser au­ ßenumfangsseitiger Führung des Sammelrohres 1 ausgeführt werden. Wie aus Fig. 2 genauer zu erkennen, besitzt das Sam­ melrohr 1 durch die nach innen umgebogenen Durchzug-Schlitze 3a bis 3f im jeweiligen Schlitzbereich einen Rohraußendurch­ messer D₁, der kleiner als der Rohraußendurchmesser D außer­ halb der Schlitzbereiche, d. h. auf Höhe der Stege 4a, 4b, 4c, ist. Der Begriff "Außendurchmesser" ist dabei vorliegend in weitem Sinn dahingehend zu verstehen, daß er allgemein die Quererstreckung bezeichnet, auch bei nicht kreisförmigen Querschnittsformen. Es zeigt sich, daß das "Reißen" bzw. Stanzen der Schlitze 3a bis 3f bevorzugt so erfolgen sollte, daß das Verhältnis von Rohraußendurchmesser D außerhalb der Schlitzbereiche zum Rohraußendurchmesser D₁ in den Schlitzbe­ reichen zwischen etwa 1,02 und etwa 1,5 liegt. Das Einbringen der Schlitze 3a bis 3f kann dadurch beeinflußt bzw. erleich­ tert werden, daß das Sammelrohr 1 an den betreffenden Stellen zuvor punktuell wärmebehandelt wird oder an diesen Stellen eine mechanische Schwächung der Rohrwand vorgesehen wird. Als weitere alternative Fertigungsmethode können die Schlitze auch durch Innenhochdruckstanzen eingebracht werden.

Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich, besitzt das Sammelrohr 1 eine bezogen auf seinen Durchmesser D verhältnismäßig große Wandstärke s, so daß es sich auch für Anwendungen mit hoher Druckbelastung eignet. Das Sammelrohr 1 ist deshalb insbeson­ dere auch für Wärmeübertrager, wie Verdampfer und Gaskühler, von CO₂-Klimaanlagen verwendbar, die zunehmend für den Ge­ brauch in Kraftfahrzeugen vorgesehen werden. Die Rohrwand­ stärke s ist typischerweise größer als 1,0 mm und liegt bevor­ zugt im Bereich zwischen etwa 1,3 mm und 2,5 mm. Bezogen auf den Rohraußendurchmesser D bzw. den Rohrradius D/2 erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verhältnis D/2s von Rohrradius D/2 zu Rohrwandstärke s kleiner als fünf gehalten wird und vorzugsweise zwischen etwa zwei und etwa fünf liegt. Des wei­ teren erweist sich die Wahl eines Materials für das Sammel­ rohr mit einer Materialhärte zwischen etwa 35 H_v und etwa 80 H_v als günstig, insbesondere zur Verwendung in einem Wärmeüber­ trager einer CO₂-Klimaanlage.

In die Schlitze 3a bis 3f können in an sich bekannter Weise zugehörige Flachrohrenden, insbesondere um 90° tordierte Flachrohrenden, eingesteckt und gasdicht verbunden werden. Dazu können die Schlitze 3a bis 3f mit passenden Rohreinfuhr­ schrägen versehen sein, was die Erzielung einer gasdichten Verbindung durch einen anschließenden Dichtlötvorgang er­ leichtert. Zum Dichtlöten kann das Sammelrohr lotplattiert sein, oder es werden geeignete Lotformteile verwendet. Das vorherige Lotplattieren des Sammelrohrs kann nach einer gän­ gigen Plattiermethode erfolgen, oder auch durch ein CD- Verfahren oder durch galvanisches Verzinken. Alternativ kön­ nen die in das Sammelrohr eingebrachten Schlitze auch ohne nach innen gerichtetem Durchzugbereich und ohne Einfuhrschrä­ gung in das Sammelrohr eingebracht sein. Je nach Rohrwand­ stärke und Rohrfestigkeit sowie des Widerstandsmomentes beim Einbringen der Schlitze 3a bis 3f bildet sich parallel zur Rohrerstreckung eine mehr oder weniger ausgeprägte, durchzug­ bildende Verformung, die durch ihre Wannenform beim Dichtlö­ ten der in die Schlitze 3a bis 3f eingefügten Flachrohrenden das Lot im zu lötenden Bereich hält. Das Dichtlöten der ein­ gesetzten Flachrohrenden kann in einem einzigen Lötvorgang erfolgen, in welchem zugleich der gesamte Aufbau, z. B. ein Rohr-/Rippenblockaufbau, des zugehörigen Wärmeübertragers zu­ sammengelötet wird. Durch diese Fertigungsmethode können so­ wohl Flachrohrkondensatoren oder -gaskühler als auch Verdamp­ fer unterschiedlicher Bauarten hergestellt werden, z. B. sol­ che mit einem Block aus geradlinigen oder aus serpentinenför­ mig gebogenen Flachrohren. Seitlich am Block sind dann je­ weils geeignete Sammelrohre der vorliegenden Art zum Vertei­ len des Kältemittels der Klimaanlage auf die Flachrohre und zum Sammeln desselben aus den Flachrohren angeordnet.

Das Sammelrohr 1 kann als zunächst unplattierter Sammelrohr- Rohling durch Ziehen und anschließendes optionales Plattieren gefertigt werden. Eine andere Fertigungsmethode ist in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Bei dieser Herstellungsart wird das Flachrohr 1 aus einem Flachmaterial 5 gefertigt, das be­ reits lotplattiert sein kann, wenn gewünscht. Das Flachstück 5 wird, wie in Fig. 3 durch Biegepfeile B veranschaulicht, parallel zu seiner Längsachse 5a zu einem Rundrohr-Rohling gebogen, wie er in Fig. 4 gezeigt ist. Wie aus Fig. 4 weiter ersichtlich, liegen sich bei dem Rundrohr-Rohling 6 die bei­ den vormaligen Flachstück-Längsseiten 7a, 7b unter Bildung eines engen Längsspalts 8 gegenüber. Der Längsspalt 8 wird dann in einem anschließenden Fertigungsschritt durch Schwei­ ßen oder Löten gasdicht geschlossen. Das Dichtlöten des Längsspalts 8 erfolgt mit Flußmittel in einem eigenen Lötvor­ gang oder in einem gemeinsamen Arbeitsgang zusammen mit dem Dichtlöten von Flachrohrenden, die in Schlitze des im ferti­ gen Zustand als Sammelrohr fungierenden Rohlings 6 einge­ steckt sind. Insbesondere kann ein einziger Komplettlötvor­ gang vorgesehen sein, in welchem die Lötverbindungen ebenso wie alle übrigen Lötverbindungen der zum Aufbau eines ent­ sprechenden Wärmeübertragers erforderlichen Komponenten her­ gestellt werden. Die Durchsteckschlitze für die Flachrohren­ den können je nach Anwendungsfall schon in das Flachstück 5 oder erst in den Rundrohr-Rohling 6 vor oder nach dem gas­ dichten Schließen des Längsspalts 8 eingebracht werden. Die Schlitzreihe, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, befindet sich hierbei vorzugsweise diametral gegenüber vom Längsspalt 8.

Anstelle der in Fig. 1 gezeigten Reihe von in Rohrlängsrich­ tung und in einer Mittellängsebene des Sammelrohres 1 einge­ brachten Schlitzen können die zum Einstecken von Flachrohren­ den benötigten, länglichen Schlitze auch andersartig einge­ bracht werden, z. B. als außermittige Schlitze, die seitlich versetzt zur Längsmittelebene bzw. Mantellinie des Sammel­ rohrs eingebracht sind, oder als geneigte Schlitze, die unter einem Winkel von mehr als 0° und weniger als 90° zur Rohrman­ tellinie bzw. Längsmittelebene des Sammelrohres geneigt ein­ gebracht sind. Indem die Rohrenden auf diese Weise nicht quer zur Rohrlängsrichtung, sondern zu dieser parallel oder ge­ neigt in das Sammelrohr münden, kann dessen Innendurchmesser kleiner gehalten werden als die Flachrohrbreite. Dies begün­ stigt die Druckstabilität des Sammelrohres und erlaubt gegen­ über quer einmündenden Flachrohren eine Volumenverringerung des Sammelrohres und damit der für die Klimaanlage erforder­ lichen Kältemittelmenge.

Eine weitere Variante ist in Fig. 5 dargestellt. Beim dort ausschnittweise gezeigten Sammelrohr 9 sind zwei in Umfangs­ richtung benachbarte Schlitze 11a, 11b vorgesehen, die sich zu einem entsprechenden Doppelschlitz vereinigen, indem sie einander längs der Rohrmantellinie 10 längsseits berühren. In diesen Doppelschlitz können zwei eng aneinanderliegende Flachrohrenden gasdicht eingefügt werden. Als weitere alter­ native Schlitzgestaltung kann eine Schlitzreihe ähnlich der­ jenigen von Fig. 1 vorgesehen sein, bei der die Schlitze je­ doch nicht voneinander beabstandet sind, sondern mit ihren Schmalseiten aneinanderstoßen.

Außer einem kreisrunden Querschnitt sind auch andere Sammel­ rohrquerschnitte je nach Anwendungsfall möglich, z. B. ein rechteckiger oder quadratischer, ein halbkreisförmiger oder ein ovaler Querschnitt. Zudem ist das erfindungsgemäße Sam­ melrohr nicht nur als Einkammerrohr, d. h. mit einem einzigen Verteil- bzw. Sammelraum, sondern auch als Mehrkammerrohr realisierbar. So ist in Fig. 6 als Beispiel ein Zweikammer­ rohr 12 gezeigt, das zwei voneinander getrennte Längskanäle 13a, 13b beinhaltet. In das Zweikammerrohr 12 sind zwei ne­ beneinanderliegende Reihen von Schlitzen 14, 15 eingebracht, von denen jede Schlitzreihe gemäß derjenigen von Fig. 1 oder einer der hierzu oben erwähnten Varianten gestaltet ist und in jeweils einen der beiden Längskanäle 13a, 13b mündet.

Als weitere Ausführungsform der Erfindung kann ein Sammelrohr vorgesehen sein, dessen Rohrinnenraum durch eine oder mehrere Quertrennwände in mehrere, in Rohrlängsrichtung aufeinander­ folgende Sammelräume aufgeteilt ist, in die jeweils ein oder mehrere Flachrohrenden münden, die in zugehörige Sammelrohr­ schlitze dicht eingefügt sind.

Claims (8)

1. Sammelrohr für einen Wärmeübertrager, mit

• - einem oder mehreren, durch innenmatrizenloses Stanzen oder Innenhochdruckumformen eingebrachten Schlitzen (3a bis 3d) zum Einfügen eines jeweiligen Flachrohres, dadurch gekennzeichnet, daß
• - das Verhältnis (D/2s) von Rohraußenradius (D/2) zu Rohr­ wandstärke (s) kleiner als fünf ist.

2. Sammelrohr nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeich­ net, daß die Härte des für das Sammelrohr verwendeten Materi­ als zwischen 35 H_v und 80 H_v, liegt.

3. Sammelrohr nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verhältnis (D/D₁) von Rohraußendurch­ messer (D) außerhalb der Schlitzbereiche zu Rohrquererstrec­ kung (D₁) in den Schlitzbereichen zwischen 1,02 und 1,5 liegt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Sammelrohres mit einem oder mehreren, durch innenmatrizenloses Stanzen oder Innen­ hochdruckumformen eingebrachten Schlitzen für einen Wärme­ übertrager, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schlitze (3a bis 3d) parallel oder in einem spitzen Winkel zur Rohrlängsachse (2) eingebracht werden.

5. Verfahren zur Herstellung eines Sammelrohres mit einem oder mehreren, durch innenmatrizenloses Stanzen oder Innen­ hochdruckumformen eingebrachten Schlitzen für einen Wärme­ übertrager, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Flachstück (5) zu einem entlang eines Längsspalts (8) offenen Sammelrohr-Rohling gebogen und der Längsspalt an­ schließend dichtgelötet oder dichtgeschweißt wird und
• - der oder die Schlitze (3a bis 3d) in das Flachstück (5) oder in den Sammelrohr-Rohling (6) vor oder nach dem Dichtlö­ ten oder Dichtschweißen des Längsspalts (8) eingebracht wer­ den.

6. Verfahren nach Anspruch 5, weiter dadurch gekennzeich­ net, daß als Flachstück (5) ein lotplattiertes Flachmaterial verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeich­ net, daß das Dichtlöten des Längsspalts (8) in einem einzigen Lötvorgang für die Herstellung eines zugehörigen Wärmeüber­ tragers erfolgt, in welchem auch alle übrigen Lötverbindungen für den Aufbau des Wärmeübertragers erzeugt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, weiter da­ durch gekennzeichnet, daß an den Stellen, an denen der oder die Schlitze (3a) bis (3d) einzubringen sind, eine punktuelle Wärmebehandlung und/oder eine mechanische Schwächung vorgese­ hen wird.