DE69721669T2

DE69721669T2 - Anordnung für einen Wärmetauscher bestehend aus einem Verteiler auf Aluminiumbasis und Rohren und Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE69721669T2
Application number: DE69721669T
Authority: DE
Inventors: Frederic Letrange; Carlos Martins
Original assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Current assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1997-08-18
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: AR009313A1; EP0826943B1; ES2199315T3; JP3985853B2; BR9704570A; MX9706544A; FR2752930B1; FR2752930A1; JPH1089884A; US20020139521A1; DE69721669D1; US6651333B2; EP0826943A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Kollektor auf Aluminiumbasis und Röhren für einen Wärmetauscher, wobei der Kollektor eine Außenfläche, die mit einer Außenplattierung verkleidet ist, und eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, die zur Aufnahme jeweils eines Endes eines der Rohre von vordefiniertem Querschnitt, das außen mit einer Außenplattierung bedeckt ist, geeignet ist.
Das Dokument DE 41 29 573 A beschreibt eine Anordnung dieser Art, bei der die Öffnungen jeweils von einem Bund umgeben sind, wodurch es gestattet wird, einen Flächenkontakt zwischen dem Bund und dem Rohr zu erhalten, das er aufnimmt. Dieses Dokument gibt jedoch nichts Genaueres über die Art und Weise an, wie die Öffnungen und die entsprechenden Bünde hergestellt werden.
Darüber hinaus beschreibt das Dokument US-A-4 234 041 einen Kollektor, bei dem Öffnungen ausgebildet sind, die jeweils von einem Bund umgeben sind. In diesem Dokument wird jede dieser Öffnungen mit Entnahme von Material hergestellt. Insbesondere werden zunächst zwei beabstandete Schnitte vorgenommen und dann ein Schlitz zwischen den zwei Schnitten ausgeführt, wodurch es gestattet wird, zwei Segmente herzustellen, die dann nach außen gedrückt werden, um zwei seitliche, gegenüberliegende Wände des Bundes zu bilden.
Bei den derzeitigen Kollektoren auf Aluminiumbasis erfolgt die Befestigung der Rohre relativ zum Kollektor auf Höhe der Öffnungen durch Löten oder Hartlöten.
Die Öffnungen dieser Art von Kollektor werden aber allgemein durch Schneiden mit Entnahme von Material hergestellt. Der Kontakt zwischen dem Ende eines Rohrs, das mit einer Außenplattierung verkleidet ist, und dem Kollektor, erfolgt folglich auf der Peripherie der Öffnung, in die das Ende eingeführt wird. Der Kontakt erfolgt also auf Höhe der Dicke der Wand des Kollektors, die wegen dem Schnitt nicht mit Plattierung verkleidet ist.
Daraus ergibt sich, dass die durch die Hartlötverbindung auf Höhe jeder Öffnung erhaltene Dichtheit nicht perfekt ist. Es können deshalb Leckagen und Korrosionsprobleme auftreten, deren Folgen gravierend sein können.
Zudem sind die Konstrukteure wegen Gewichts- und Raumbegrenzungen, die bei den derzeitigen Motorräumen von Fahrzeugen anzutreffen sind, verpflichtet, leichte Materialien von geringer Dicke zu verwenden. Die verwendeten Materialien von geringer Dicke weisen aber nicht immer mechanische Festigkeitseigenschaften auf, die insbesondere für Beständigkeit unter zyklisch wiederkehrendem Druck ausreichend sind.
Um diesen Nachteil zu beheben, werden bestimmte Kollektoren aus einer Legierung aus Aluminium und Magnesium hergestellt, deren mechanische Festigkeit deutlich größer als die von reinem Aluminium ist.
Es stellte sich aber heraus, dass beim Hartlötvorgang ein Teil des Magnesiums in die Lötverbindung diffundierte und so die Benetzbarkeit der hartzulötenden Flächen reduzierte. Daraus ergibt sich eine merkliche Verminderung der Dichtheit der Lötverbindung, die Leckagen herbeiführen kann und die Korrosion verstärken kann.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Anordnung der in der Einleitung beschriebenen Art vorzuschlagen, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.
Die Erfindung schlägt hierzu eine Anordnung aus einem Kollektor auf Aluminiumbasis und Röhren vor, bei der jede Öffnung durch ein Durchstechen ohne Materialentnahme eines ausgewählten Bereichs des Kollektors und anschließendes Anpassen hergestellt wird, wobei der Bereich tiefgezogen ist, so dass die Außenfläche des Kollektors in diesem Bereich einen Bund mit einem Innenquerschnitt begrenzt, der im Wesentlichen identisch zu dem vordefinierten Querschnitt des Endes eines der Rohre ist, so dass nach der Einführung des Rohrs in die Öffnung des Bunds ein Flächenkontakt zwischen den jeweiligen Außenplattierungen des Bunds und des Endes des Rohrs erhalten wird.
Unter Durchstechen ohne Materialentnahme wird ein besonderes Stanzen verstanden, das die Herstellung des Bunds erleichtert und es so gestattet, eine exzellente, dichte Hartlötverbindung zu erzielen.
Die Außenplattierungen des Kollektors und des Rohrendes bestehen vorteilhafterweise aus einer Legierung aus Aluminium und Silizium.
Die Innenfläche des Kollektors, die seiner Außenfläche gegenüberliegt, ist vorzugsweise mit einer Innenplattierung verkleidet, wie beispielsweise einer Legierung aus Aluminium und Zink, deren antikorrosive Eigenschaften gut bekannt sind. Dies trägt dazu bei, den Schutz des Wärmetauschers gegen Korrosion zu stärken.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kollektor aus einer Legierung aus Aluminium und Magnesium hergestellt, wobei der Prozentsatz von Magnesium vorteilerhafterweise größer als 2% ist. Dies gestattet es, die mechanische Festigkeit des Kollektors im Vergleich zu einem Kollektor aus reinem Aluminium merklich zu verstärken.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zwischen der Außenfläche des Kollektors und seiner Außenplattierung eine Zwischenplattierung vorgesehen, die zum Beispiel aus einer Legierung aus Aluminium und Zink hergestellt ist.
Eine derartige Zwischenplattierung gestattet es, die Diffusion von Magnesium zur Außenplattierung zu begrenzen, ja sogar zu stoppen; dies trägt dazu bei, die Qualität der durch Hartlöten erhaltenen dichten Verbindung noch weiter zu verstärken.
Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung aus einem Kollektor auf Aluminiumbasis und Röhren für einen Wärmetauscher der oben beschriebenen Art, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Herstellen der Öffnungen in den ausgewählten Bereichen des Kollektors mit einem Werkzeug, das einen Stempel, der mit einem Schneidende versehen ist, das sich in einen Körper mit einem Querschnitt fortsetzt, der gleich demjenigen von einem Rohrende ist, sowie eine Matrize umfasst, die mit zumindest einem Loch mit einem Querschnitt versehen ist, der im Wesentlichen gleich dem Querschnitt des Körpers des Stempels vermehrt um die Dicke des Kollektors ist, wobei die Herstellung der Öffnungen folgende Schritte umfasst:
1.) Platzieren der Matrize gegenüber einer Innenfläche des Kollektors, die seiner Außenfläche gegenüberliegt, so dass das Loch über einem ausgewählten Bereich zu liegen kommt, dann Aufbringen des Schneidendes des Stempels auf die Außenfläche des Kollektors auf Höhe des ausgewählten Bereichs, um die Innenfläche des Kollektors in das Loch eindringen zu lassen,
2.) Durchstechen des Bereichs durch Stanzen ohne Entfernung von Material, um eine Öffnung grob vorzuarbeiten, und Eindringenlassen des den Kollektor bildenden und die Öffnung begrenzenden Materials in das Loch, so dass sich ein Bund bildet, dann Gleitenlassen des Körpers des Stempels in das Loch, so dass der Bund und seine Öffnung einen Innenquerschnitt aufweisen, der identisch zu dem vordefinierten Querschnitt des Endes eines Rohrs ist, das dazu bestimmt ist, mit dem Kollektor auf Höhe einer Öffnung fest verbunden zu werden, und wobei das Verfahren zur Herstellung der Anordnung den folgenden zusätzlichen Schritt umfasst:
b) Einführen des Rohrs in die Öffnung des Bunds, so dass ein Flächenkontakt zwischen den jeweiligen Außenplattierungen des Bunds und des Rohrendes erhalten wird.

Vorzugsweise wird zwischen den Schritten a) und b) ein Schritt a') vorgesehen, bei dem der ausgewählte Bereich in einem ersten Teil auf der Seite der Außenfläche des Kollektors tiefgezogen wird, so dass eine erste auf der Innenfläche erhabene Eindrückung mit Abmessungen hergestellt wird, die im Wesentlichen gleich denjenigen des Körpers des Stempels sind, dann in einem zweiten Teil auf der Seite der Innenfläche des Kollektors tiefgezogen wird, so dass eine zweite auf der Außenfläche erhabene Eindrückung hergestellt wird, die einen Teil zumindest der ersten Eindrückung umgibt.
In der folgenden Beschreibung wird Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen genommen:
1A veranschaulicht einen ersten Schritt der Herstellung eines erfindungsgemäßen Kollektors in einer Längsansicht;
die 1B und 1C veranschaulichen einen zweiten Schritt der Herstellung eines erfindungsgemäßen Kollektors in Längs- und Queransichten;
die 1D und 1E veranschaulichen einer dritten Schritt der Herstellung eines erfindungsgemäßen Kollektors in Längs- und Queransichten;
2 veranschaulicht in Draufsicht einen Stempel, der es gestattet, die Öffnungen eines erfindungsgemäßen Kollektors herzustellen;
3 veranschaulicht im Querschnitt eine erste mit Röhren versehene Kollektorart; und
die 4A und 4B veranschaulichen eine zweite
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, mit Röhren versehenen Kollektors, wobei 4B eine Vergrößerung eines Teils der 4A ist.
Es wird zunächst auf die 1A bis 1E und 2 Bezug genommen, um die Hauptschritte eines Verfahrens zum Erhalten von Öffnungen in einem Kollektor auf Aluminiumbasis zu beschreiben.
Um einen erfindungsgemäßen Kollektor herzustellen, wird von einer im Wesentlichen ebenen Platte auf Aluminiumbasis 1 ausgegangen. Die Außenfläche 2 wird mit einer Außenplattierung 3 vorzugsweise aus einer Legierung aus Aluminium und Silizium verkleidet.
Vorzugsweise wird auch die Innenfläche 4 mit einer korrosionsverhindernden Innenplattierung verkleidet, wie beispielsweise einer Legierung aus Aluminium und Zink.
Dann wird mittels eines geeigneten Maschinenwerkzeugs in ausgewählten Bereichen ein mittlerer Teil 6 der Platte 1 so tiefgezogen, dass dort eine erste, auf der Seite der Innenfläche 4 erhabene Eindrückung 7 ausgeformt wird.
Diese erste erhabene Eindrückung 7 weist Abmessungen auf, die im Wesentlichen gleich den Abmessungen eines Rohrendes 8 (siehe 3) sind, und eines Stempels (siehe 2), der dazu bestimmt ist, Öffnungen 17 herzustellen, auf die in Kürze zurückgekommen wird. Die erste Eindrückung 7 besitzt eine im Wesentlichen ovale Form mit einer großen (Längs-)Seite L und einer kleinen (Quer-)Seite 1 auf.
Ein Längsschnitt dieser ersten Eindrückung 7 ist in 1A dargestellt.
Dann wird (siehe 1B und 1C) weiterhin durch Tiefziehen eine zweite, auf der Außenfläche 2 der Platte erhabene Eindrückung 9 um einen Teil zumindest der ersten Eindrückung 7 hergestellt, so dass zumindest an den Längsseiten L der ersten Eindrückung 7 zwei Rillen ausgebildet werden. Die Rille, die sich zwischen zwei ersten parallelen und benachbarten Eindrückungen 7 befindet, bildet natürlich die zweite Eindrückung 9 für jede der ersten Eindrückungen.
Die Länge L' der Längsausdehnung der zweiten Eindrückung ist merklich größer als L.
Die ersten und zweiten Eindrückungen können natürlich mittels eines geeigneten Maschinenwerkzeugs in einem alleinigen und einzigen Schritt hergestellt werden.
Dann wird, wie in 1D dargestellt ist, ein anderes Werkzeug 11 verwendet, das zumindest einen Stempel 10 (in 1D sind zwei Stempel dargestellt) sowie eine Matrize 12 umfasst, in der sich ebenso viele hergestellte Löcher 13 finden, wie Stempel 10 vorgesehen sind, wobei die Löcher 13 dafür ausgelegt sind, das Gleiten der Stempel 10 zu gestatten.
Jeder Stempel 10 umfasst einen Teil mit einem zugespitzten Schneidende 14, das sich in einen Körper 15 mit einem Querschnitt fortsetzt, der im Wesentlichen gleich der Form der ersten Eindrückung 7 sowie gleich dem Außenquerschnitt eines Rohrendes 8 ist.
Jedes Loch 13 der Matrize 12 weist eine Form auf, die an die des Körpers 15 eines Stempels 10 angepasst, aber aus später erläuterten Gründen geringfügig größer ist.
Die Öffnungen werden wie folgt erhalten.
Zunächst wird die Matrize 12 des Werkzeugs 11 so positioniert, dass jedes ihrer Löcher über einer ersten Eindrückung 7 in Kontakt mit der Innenfläche 4 platziert ist. Dann werden die Stempel 10 im Wesentlichen senkrecht zu der durch die Kollektorplatte 1 definierten Ebene und parallel zur Achse der Löcher 13 bewegt, bis ihre jeweiligen Enden 14 mit der angepassten Außenfläche 2 auf Höhe der ersten Eindrücke 7 Kontakt haben.
Mittels der Schneidenden 19 wird die Platte 2 durchstochen, ohne Material zu entfernen, wodurch die zukünftigen Öffnungen 17 grob vorgearbeitet werden.
Dann wird der Durchtritt des Körpers 19 des Stempels 10 durch die Öffnungsvorform erzwungen, indem man den Stempel ins Innere des Lochs 13 gleiten lässt (siehe 1D und 1E). Wegen der Abmessungen des Lochs 13 wird ein Teil des die Platte 1 bildenden Materials durch den Stempel 10 ins Innere des Lochs 13 mitgenommen, wodurch ein getriebener Bund 16 mit einer Abmessung gebildet wird, die gleich dem Querschnitt des Körpers 15 des Stempels 10 ist. Andererseits passt dies die durch das Durchstechen grob vorgearbeiteten Öffnungen 17 an die Abmessungen des Stempelkörpers und folglich an die Abmessungen der Rohrenden 8 an, die sie aufnehmen soll.
Der Mittelteil 6 des Kollektors 1 ist dann mit seinen Öffnungen versehen und folglich können die Rohrenden 8 in diese eingeführt werden, wie es in 3 dargestellt ist.
Sobald das Ende des Rohrs in eine Öffnung 17 eingeführt ist, kommt ein Flächenkontakt zwischen der Außenplattierung 3 der Außenfläche 2 der Platte 1, die den Bund 16 begrenzt, und der Außenplattierung 19 der Wand 18 zustande, die das Ende 8 des Rohrs begrenzt.
Dieser Flächenkontakt kommt in einer Höhe von über mehreren Millimetern zustande, wodurch es ermöglicht wird, beim Schritt des Hartlötens eine Verbindung von sehr leistungsfähiger Dichtheit zu erzielen.
Es wird nun Bezug auf die 4A und 4B genommen, um eine erfindungsgemäße Variante des Kollektors zu beschreiben.
Wegen der relativen Empfindlichkeit der Kollektoren aus reinem Aluminium können diese aus eine Legierung aus Aluminium und Magnesium hergestellt werden. Der Prozentsatz des Magnesiums wird vorzugsweise größer als 2% gewählt.
Diese Kollektorart bietet mechanische Festigkeitseigenschaften, die merklich größer als diejenigen sind, die die Kollektoren aus reinem Aluminium aufweisen.
Der Magnesiumanteil in der Legierung neigt jedoch dazu, beim Hartlötschritt insbesondere in Richtung der Außenplattierung 3 zu diffundieren; dies tendiert dazu, den Dichtheitsgrad auf Höhe der Hartlötverbindung durch Reduzierung der Benetzbarkeit der Außenplattierung der Außenfläche 2 zu vermindern. Daher ist es vorzuziehen, zwischen die Außenplattierung 3 und die Platte aus einer Legierung aus Aluminium und Magnesium, die den Kollektor 1 bildet, eine Zwischenplattierung 20 zu platzieren, die aus einer Legierung aus Aluminium und Zink hergestellt ist, deren physikalische Eigenschaften es gestatten, die Diffusion des Magnesiums in Richtung auf die Außenplattierung 3 zu begrenzen, ja sogar zu stoppen.
Dies gestattet es, Kollektoren mit sehr großer Dichtheit herzustellen, deren mechanische Eigenschaften eine Beständigkeit gegen sehr hohe, zyklisch auftretende Drücke zu gestatten.
Es wurde ein Kollektor beschrieben, bei dem die Öffnungen nach der Ausbildung erster und zweiter Eindrückungen hergestellt werden. Aber diese Eindrückungen sind nicht unverzichtbar.
Zudem wurde ein Kollektor beschrieben, bei dem die Öffnungen zunächst durch Durchstecken ohne Materialentnahme grob vorgearbeitet werden. Es kann aber auch gut in Betracht kommen, die Öffnungen durch Durchstechen mit Materialentnahme grob vorzuarbeiten, vorausgesetzt, dass die Vorform deutlich kleinere Abmessungen aufweist, als die eines Rohrendes, so dass die Bünde ausgebildet werden können, Eine derartige Ausführungsform ist jedoch durch die Ansprüche nicht umfasst.

Claims

Anordnung aus einem Kollektor (1) auf Aluminiumbasis und Röhren (8) für einen Wärmetauscher, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei der Kollektor (1) eine Außenfläche (2), die mit einer Außenplattierung (3) verkleidet ist, und eine Mehrzahl von Öffnungen (17) aufweist, die zur Aufnahme jeweils eines Endes eines der Rohre (8) von vordefiniertem Querschnitt, das außen mit einer Außenplattierung (19) bedeckt ist, geeignet ist, wobei jede Öffnung (17) durch ein Durchstechen ohne Materialentnahme eines ausgewählten Bereichs des Kollektors und anschließendes Anpassen hergestellt wird, wobei der Bereich tiefgezogen ist, so dass die Außenfläche (2) des Kollektors in diesem Bereich einen Bund (16) mit einem Innenquerschnitt begrenzt, der im wesentlichen identisch zu dem vordefinierten Querschnitt des Endes eines der Rohre (8) ist, so dass nach der Einführung des Rohrs in die Öffnung (17) des Bunds ein Flächenkontakt zwischen den jeweiligen Außenplattierungen (3; 19) des Bunds (16) und des Endes des Rohrs (8) erhalten wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenplattierungen (3; 19) des Kollektors und der Rohrenden (8) aus einer Legierung aus Aluminium und Silizium bestehen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor eine der Außenfläche (2) gegenüberliegende Innenfläche (4) umfasst, die mit einer Innenplattierung (5) verkleidet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenplattierung (5) eine Legierung aus Aluminium und Zink ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor aus einer Legierung aus Aluminium und Magnesium hergestellt ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozentsatz von Magnesium größer als 2% ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor zwischen seiner Außenfläche (2) und seiner Außenplattierung (3) eine Zwischenplattierung (20) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplattierung (20) eine Legierung aus Aluminium und Zink ist.
Verfahren zur Herstellung der Anordnung aus einem Kollektor (1) auf Aluminiumbasis und Röhren (8) für einen Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Herstellen der Öffnungen (17) in den ausgewählten Bereichen des Kollektors mit einem Werkzeug (11), das einen Stempel (10), der mit einem Schneidende (14) versehen ist, das sich in einen Körper (15) mit einem Querschnitt fortsetzt, der gleich demjenigen von einem Rohrende ist, sowie eine Matrize (12) umfasst, die mit zumindest einem Loch (13) mit einem Querschnitt versehen ist, der im wesentlichen gleich dem Querschnitt des Körpers (15) des Stempels vermehrt um die Dicke des Kollektors ist, wobei die Herstellung der Öffnungen folgende Schritte umfasst: 1.) Platzieren der Matrize (12) gegenüber einer Innenfläche (4) des Kollektors, die seiner Außenfläche (2) gegenüberliegt, so dass das Loch (13) über einem ausgewählten Bereich zu liegen kommt, dann Aufbringen des Schneidendes (14) des Stempels (10) auf die Außenfläche (2) des Kollektors (1) auf Höhe des ausgewählten Bereichs, um die Innenfläche (4) des Kollektors (1) in das Loch (13) eindringen zu lassen, 2.) Durchstechen des Bereichs durch Stanzen ohne Entfernung von Material, um eine Öffnung (17) grob vorzuarbeiten, und Eindringenlassen des den Kollektor (1) bildenden und die Öffnung (17) begrenzenden Materials in das Loch (13), so dass sich ein Bund (16) bildet, dann Gleitenlassen des Körpers (15) des Stempels (10) in dem Loch (13), so dass der Bund (16) und seine Öffnung (17) einen Innenquerschnitt aufweisen, der identisch zu dem vordefinierten Querschnitt des Endes eines Rohrs (8) ist, das dazu bestimmt ist, mit dem Kollektor (1) auf Höhe einer Öffnung (17) fest verbunden zu werden, und wobei das Verfahren zur Herstellung der Anordnung den folgenden zusätzlichen Schritt umfasst: b) Einführen des Rohrs (8) in die Öffnung (17) des Bunds (16), so dass ein Flächenkontakt zwischen den jeweiligen Außenplattierungen (3; 12) des Bunds (16) und des Rohrendes (8) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten a) und b) ein Schritt a') vorgesehen ist, bei dem der ausgewählte Bereich in einem ersten Teil auf der Seite der Außenfläche (2) des Kollektors (1) tiefgezogen wird, so dass eine erste auf der Innenfläche (4) erhabene Eindrückung (7) mit Abmessungen hergestellt wird, die im wesentlichen gleich denjenigen des Körpers (15) des Stempels (10) sind, dann in einem zweiten Teil auf der Seite der Innenfläche (4) des Kollektors (1) tiefgezogen wird, so dass eine zweite auf der Außenfläche (2) erhabene Eindrückung (9) hergestellt wird, die einen Teil zumindest der ersten Eindrückung (7) umgibt.