Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, insbesondere für Belüftungs-, Heizungs- oder Klimaanlagen in einem Kraft¬ fahrzeug, welcher bei hohen Innendrücken betreibbar ist, gemäß dem Ober¬ begriff des Anspruches 1.
Aus der DE 102 60 107 A1 ist ein Wärmeübertrager für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs bekannt, in welchem als Kältemittel R134a oder auch R744 verwendet werden kann, wobei die einzelnen Bauteile derart fest Stoff-, kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind, dass der Innen¬ raum der Bauteile auch bei hohen Drücken bis ca. 300 bar gas- und/oder flüssigkeitsdicht gegenüber einer Umgebung des Wärmeübertragers ist.
Üblicherweise erfolgt die Herstellung eines Wärmeübertragers, indem die einzelnen Teile, d.h. insbesondere Sammler, Flachrohre und dazwischen angeordnete Wellrippen zusammengesetzt und verlötet werden. Die mit dem Sammler zu verbindenden Anschlussrohre, durch welche das Kältemittel zu- oder abgeführt werden kann, werden üblicherweise erst nach erfolgtem Verlöten des Wärmeübertragers positioniert und gegebenenfalls mittels Ver-
löten, Verschweißens oder beispielsweise mit Hilfe von Lokringen befestigt. Dies ist insbesondere bei Wärmeübertragern mit geringen Bautiefen, d.h. von 40 mm und kleiner, und den damit verbundenen beengten räumlichen Verhältnissen schwierig. Ferner kann die Wärmeübertrageroberfläche be- einträchtigt werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ei¬ nen insbesondere in Hinblick auf den Produktionsablauf verbesserten Wär¬ meübertrager zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprü¬ che.
Erfindungsgemäß wird zur Herstellung eines Wärmeübertragers, insbeson- dere für ein Kraftfahrzeug, eine Baugruppe bestehend aus den beiden das Kältemittel zu- oder ableitenden Anschlussrohren und zumindest der ober¬ sten Platte des Wärmeübertragers, in welcher die zu den Anschlussrohren gehörenden Öffnungen, wobei mindestens eine Öffnung je Anschlussrohr vorgesehen ist, vorgesehen sind, positioniert und mechanisch vormontiert, und nach dem Zusammensetzen mit den übrigen zu verlötenden Teilen des Wärmeübertragers in einem einzigen gemeinsamen Arbeitsgang verlötet. Dabei werden die Wärmeübertragerrohre, wobei es sich insbesondere Flach¬ rohre handelt, und Wellrippen vor dem Verlöten auf übliche Weise kasset- tiert, die positionierte und vorfixierte Baugruppe angebracht und alles in ei- nem Arbeitsgang gelötet, so dass die bisher üblichen zusätzlichen Arbeits¬ gänge zum nachträglichen Anlöten der Anschlussrohre an den Sammler etc. entfallen. Der Begriff „Platte" ist weit auszulegen und soll auch gleichwirken¬ de Ausgestaltungen beinhaltet, gemäß denen der Sammler nicht notwendi¬ gerweise durch eben Platten gebildet ist, so dass derselbe durchaus auch im Wesentlichen einteilig und durch ein Hohlprofil gebildet sein kann.
Der Wärmeübertrager ist bevorzugt auf Betriebsdrücke von 90 bar, vorzugs¬ weise mindestens jedoch auf 50 bar ausgelegt, so dass als Kältemittel R744, also CO2, verwendet werden kann.
Die Anschlussrohre werden vorzugsweise bei der Vormontage zumindest an der äußersten Platte mit Hilfe einer oder mehrerer Klammern positioniert und vormontiert. Diese Klammerverbindung zur Vorfixierung ist insbesondere bei Wärmeübertragern mit geringer Bautiefe geeignet, da die hierbei wirkenden Kräfte auf die Klammern verglichen den auf die Klammern wirkenden Kräfte bei Wärmeübertragern großer Bautiefe relativ gering sind. Die Klammer hin¬ tergreift vorzugsweise alle den Sammler bildenden Platten.
Die Anschlussrohre werden alternativ oder zusätzlich bei der Vormontage mittels Stiften angebracht. Diese Stifte sind hierbei in in der oder den Platten vorgesehene Öffnungen und in in den Anschlussrohren vorgesehene Öff¬ nungen eingeführt. Dabei sind die Stifte bevorzugt lotplattiert, so dass ein Verlöten der Stifte in den Öffnungen beim Lötvorgang erfolgt, wodurch die Spalte zwischen den Stiften und Innenmantelflächen der Öffnungen abge¬ dichtet werden, so dass keine Leckage möglich ist.
Die Anschlussrohre werden alternativ oder zusätzlich bei der Vormontage an nach außen vorstehenden Durchzügen angebracht, auf welche Öffnungen der Anschlussrohre gesetzt werden. Hierbei reicht die Selbsthemmung für eine ausreichend sichere Verbindung aus. Die Durchzüge bleiben bevorzugt offen und dienen als Kältemittel-Zu- oder -Ableitung. Dabei ist je Anschluss¬ rohr mindestens ein Durchzug vorgesehen, bevorzugt sind je Anschlussrohr zwei oder mehr Durchzüge vorgesehen.
Die Anschlussrohre werden alternativ oder zusätzlich bei der Vormontage mit Hilfe von Lötstellen zwischen den Anschlussrohren und der äußersten
Platte vorfixiert. Hierbei kann es sich um Lötverbindungen handeln, die eine
- A - deutlich geringere Schmelztemperatur aufweisen, als die endgültigen Löt¬ verbindungen. Die Lötstellen für die Vorfixierung sind bevorzugt räumlich begrenzt ausgebildet.
Die Anschlussrohre werden alternativ oder zusätzlich bei der Vormontage mit Hilfe mindestens eines Seitenteil vorfixiert, das bis über die Anschluss¬ rohre ragt, und in dem je Anschlussrohr eine Durchführung ausgebildet ist, durch welche das entsprechende Anschlussrohr gesteckt und mit dessen Hilfe es vorfixiert wird.
Zur Vorfixierung kann zudem oder alternativ die äußerste Platte überstehen¬ de Laschen aufweisen, an welchen die Anschlussrohre vorfixiert werden, insbesondere mittels Heften.
Vor der Vormontage werden zumindest die äußerste Platte im Bereich der Anlage der Anschlussrohre oder die Anschlussrohre im Bereich der Anlage an die äußerste Platte lotplattiert, wodurch zusätzliche Arbeitsgänge entfal¬ len können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematisch dargestellten Schnitt durch den oberen Bereich eines Wärmeübertragers gemäß dem ersten Ausfüh- rungsbeispiel,
Fig. 2 einen schematisch dargestellten Schnitt durch den oberen Bereich eines Wärmeübertragers gemäß dem zweiten Aus¬ führungsbeispiel,
Fig. 3 einen schematisch dargestellten Schnitt durch den oberen Bereich eines Wärmeübertragers gemäß dem dritten Ausfüh¬ rungsbeispiel,
Fig. 4 einen schematisch dargestellten Schnitt durch den oberen
Bereich eines Wärmeübertragers gemäß dem vierten Aus¬ führungsbeispiel,
Fig. 5 einen schematisch dargestellten Schnitt durch den oberen Bereich eines Wärmeübertragers gemäß dem fünften Aus¬ führungsbeispiel,
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf die oberste Platte ohne
Anschlussrohre gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 eine schematische Draufsicht zur Verdeutlichung einer er¬ sten Ausführungsform bezüglich der Rohranordnung am Wärmeübertrager, und
Fig. 8 eine schematische, teilweise dargestellte Draufsicht zur Ver¬ deutlichung einer zweiten Ausführungsform bezüglich der Anschlussrohranordnung am Wärmeübertrager.
Im Folgenden wird der Offenbarungsgehalt der DE 102 60 107 A1 , insbe- sondere auch in Hinblick auf den allgemeinen Aufbau eines Wärmeübertra¬ gers, der hierin beschriebenen, verwendbaren Materialien, wie beispielswei¬ se Aluminium, Aluminium-Legierungen, der verwendbaren Kältemittel, wie beispielsweise Kohlendioxid, R 134a, Stickstoff, Sauerstoff, Luft, Kohlen¬ wasserstoffe, und der beschriebenen Abmessungen des Wärmeübertragers, ausdrücklich mit einbezogen.
Ein für Betriebsdrücke von 60 bar ausgelegter Wärmeübertrager 1 einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, die nicht näher dargestellt ist, wird durch eine Mehrzahl von einen Sammler 2 bildenden Platten 3, vorliegend U-förmig ge¬ bogenen Flachrohren (nicht dargestellt), die auf bekannte Weise zwischen den unterschiedlichen Kammern des Sammlers 2 angeordnet sind, und zwi¬ schen den Flachrohren angeordneten Wellrippen (nicht dargestellt) gebildet. Hierbei ist die soeben beschriebene Ausgestaltung gemäß den sechs im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen gleich. Vorliegend sind zum Schutz der äußersten Wellrippen seitlich, d.h. in Blickrichtung der Figu- ren 7 und 8, die zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Anschlussroh¬ re 4 zeigen, nämlich einmal mit paralleler Strömungsrichtung (Fig. 7) und einmal mit entgegengesetzter Strömungsrichtung (Fig. 8) des Kältemittels (durch Pfeile angedeutet), plattenförmige Seitenteile 5 angeordnet, welche nur im Falle des an späterer Stelle unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrie- benen fünften Ausführungsbeispiels für den anschlussrohrseitigen Bereich des Wärmeübertragers 1 von Relevanz sind. Bei den anderen Ausführungs¬ beispielen reichen die Seitenteile nur maximal bis zum Ende des Sammlers 2, so dass sie im in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausschnitt nicht sicht¬ bar sind.
Gemäß dem ersten, in Fig 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Positionierung und Vorfixierung der beiden Anschlussrohre 4 auf den den Sammler 2 bildenden Platten 3 mit Hilfe mehrerer Klammern 10, wodurch eine Baugruppe bestehend aus den Anschlussrohren 4 und den Platten 3 gebildet wird. Diese Baugruppe wird samt den Klammern 10 bei der Wärme¬ übertragermontage an den übrigen Teilen desselben, d.h insbesondere an den Flachrohren und Wellrippen, positioniert und vorfixiert. Anschließend werden die Teile der Baugruppe in einem Arbeitsgang untereinander und mit den anderen Teilen des Wärmeübertragers 1 verlötet.
Die Klammer 10 weist, wie in Fig. 1 dargestellt, eine der Soll-Position der Anschlussrohre 4 angepasste Gestalt auf. Die Klammer 10 hintergreift zu¬ dem die unterste der den Sammler 2 bildenden Platten 3 und verspannt die beiden Anschlussrohre 4, die sich automatisch in den U-förmigen Vertiefun- gen ausrichten, gegen die äußerste der den Sammler 2 bildenden Platten 3, so dass sich diese auch in Verbindung mit der Gestalt der Klammer 10 nicht verschieben können.
Vorliegend sind sowohl die Anschlussrohre 4 als auch die Platten 3 lotplat- tiert, so dass das Lot im Lötofen schmilzt und die genannten Teile, wie auch die übrigen Teile des Wärmeübertragers 1 in einem einzigen Arbeitsgang fest miteinander verbunden werden und eine relativ großflächige Verbindung zwischen den Anschlussrohren 4 und der äußersten Platte 3 gewährleistet ist.
Gemäß dem zweiten, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind je An¬ schlussrohr 4 fünf Stifte 20 vorgesehen, welche in Bohrungen gesteckt sind, die in den Platten 3 und den Anschlussrohren 4 vorgesehen sind. Diese Stiftverbindungen ermöglichen eine exakte Positionierung der Anschlussroh- re 4 auf der äußersten Platte 3. Zudem ermöglicht die Stiftverbindung auf Grund der in der Fig. 2 dargestellten Länge auch eine Positionierung der einzelnen Platten 3. Auf Grund der vorgegebenen Passung zwischen Stift 20 und Bohrungen ist zudem eine ausreichende Vorfixierung der Anschlussroh¬ re 4 an der äußersten Platte 3 und der Platten 3 untereinander gegeben, so dass keine zusätzlichen Maßnahmen zur Sicherung der Baugruppe erforder¬ lich sind. Prinzipiell ist jedoch eine zusätzliche Sicherung mit Hilfe von Klammern, wie zuvor beschrieben, möglich, wobei es sich um eine reine Transportsicherung, d.h. die Klammern werden vor dem Verlöten wieder entfernt, oder um eine zusätzliche Sicherung, die gegebenenfalls auch mit verlötet wird, handeln kann.
Die Stifte 20 der Stiftverbindungen verbleiben im Wärmeübertrager. Vorlie¬ gend sind die Stifte 20, wie auch die Anschlussrohre 4 und die Platten 3 lot¬ plattiert, so dass keine zusätzlichen Maßnahmen zum Verlöten innerhalb der Baugruppe erforderlich sind.
Beim in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel sind in der äußer¬ sten Platte 3 je Anschlussrohr 4 fünf nach außen ragende Durchzüge 30 ausgebildet, auf welche radiale Öffnungen gesteckt sind, die an den An¬ schlussrohren 4 ausgebildet sind. Hierbei dienen die Durchzüge 30 und die Öffnungen in den Anschlussrohren 4 im fertig montierten und gelöteten Zu¬ stand die Ein- bzw. Auslässe des Sammlers 2, welcher durch die Platten 3 gebildet ist. Für die Vormontage genügt vorliegend die Selbsthemmung der Durchzüge 30 in den Öffnungen, um eine ausreichende Vorfixierung der An¬ schlussrohre 4 an der äußersten Platte 3 zu gewährleisten, so dass auf zu- sätzliche Sicherungen zum Zusammenhalt der Baugruppe verzichtet werden kann, was jedoch nicht ausschließt, dass zusätzliche Sicherungen, wie bei¬ spielsweise Klammern, möglich sind. Gemäß dem vorliegenden Ausfüh¬ rungsbeispiel ist die äußerste Platte 3 lotplattiert, wobei die Lotplattierung vorliegend erfolgt bevor die Durchzüge 30 hergestellt werden. Natürlich kann auch eine Lotplattierung nach Herstellung der Durchzüge 30 erfolgen. Ferner können gegebenenfalls auch oder nur die Öffnungen lotplattiert sein, um nach dem Durchlaufen des Lötofens eine sichere Fixierung der Anschluss¬ rohre 4 an der äußersten Platte 3 zu gewährleisten.
Natürlich ist beispielsweise auch eine Kombination von Stiftverbindungen und den Durchzug-Öffnungs-Verbindungen möglich, so dass in Bereichen, in welchen keine Sammleröffnung zum Ein- oder Ausleiten von Kältemittel vor¬ gesehen ist, die Stiftverbindungen angeordnet sind, und in den anderen Be¬ reichen, in welchen Ein- bzw. Ausleitstellen vorzusehen sind, die Befesti- gung mit Hilfe der Durchzug-Öffnungs-Verbindungen erfolgt.
Das Ende der Anschlussrohre 4 wird, sofern keine Einführung in den Sammler 2 durch eine Biegung der Anschlussrohre 4 und ein Einführen des Endes in den Sammler 2 erfolgt, mit Hilfe einer gestanzten lotplattierten Ronde (nicht dargestellt) verschlossen, so dass die Ein- und Ausleitung über in radialer Richtung der Anschlussrohre 4 verlaufende Bohrungen erfolgt. Das Verlöten der Ronden erfolgt im selben Arbeitsgang wie das Verlöten des gesamten Wärmeübertragers 1. Eine entsprechende Anordnung ist auch bei allen anderen beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich.
Gemäß dem in Fig. 4 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel sind einzelne Lötstellen 40 in meniskusartiger Gestalt, verteilt entlang der gesamten Länge der Anschlussrohre 4 im Bereich der Platten 3 vorgesehen. Dabei kann es sich beispielsweise auch um provisorische Kaltlötstellen handeln, die ab¬ schließende Verbindung erfolgt im Rahmen des Heißlötvorgangs im Lötofen. Die Form der Lötstellen 40 muss nicht notwendigerweise rund oder annä¬ hernd rund sein, vielmehr sind beliebige andere Formen, beispielsweise auch sich in Längsrichtung erstreckende Lötstellen, möglich. Auch diese Lötstellen 40 können in Verbindung mit einer oder mehreren anderen Ver¬ bindungsarten verwendet werden.
Alternativ zu den einzelnen Lötstellen 40 gemäß dem vierten Ausführungs¬ beispiel kann auch eine durchgehende Lötnaht, beispielsweise über die ge¬ samte Länge der Anschlussrohre im Bereich der Platten, vorgesehen sein.
Beim fünften, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Seitenteile 5 verlängert und mit Durchführungen 50 versehen ausgebildet. Die An¬ schlussrohre 4 sind durch die entsprechende Durchführung 50 geführt, so dass auf Grund des Bohrungsdurchmessers eine im Wesentlichen form¬ schlüssige Positionierung und Vorfixierung der Anschlussrohre 4 vorliegt. Hierbei erfolgt insbesondere eine exakte Positionierung der Anschlussrohre 4 bis zum entsprechenden Wärmeübertragerende, was bei den anderen
Verbindungsarten nicht oder nur mit deutlichem Mehraufwand möglich ist. In diesem Fall sind die Baugruppen deutlich größer ausgebildet als bei den zu¬ vor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Auch diese Durchführungen 50 können mit beliebigen anderen Verbindungsarten kombiniert werden.
Gemäß dem sechsten, in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die äußerste Platte mit zwei überstehenden Laschen 60 ausgebildet, an welchen die Anschlussrohre 4, in Fig. 6 nur angedeutet, beispielsweise angeheftet, angeklemmt oder angebunden werden können. Auch in diesem Fall ist eine exakte Positionierung der Anschlussrohre 4 bis zum entsprechenden Wär¬ meübertragerende möglich.
Die oben genannten Ausführungsbeispiele können auf beliebige Weise mit¬ einander kombiniert werden, so dass eine optimierte Positionierung und Vor- fixierung der Baugruppe möglich ist. Die Festigkeit der Vorfixierung kann auf den Bedarf abgestimmt werden. Wenn z.B. die Endmontage in der Nähe und unmittelbar anschließend erfolgt, so ist beispielsweise eine geringere Siche¬ rung der Baugruppe erforderlich als wenn ein Transport von einem Werk zu einem anderen Werk erforderlich ist.
Die Darstellung des Schnittes durch die Lötstellen 40 gemäß Fig. 4 ent¬ spricht in allen beschriebenen Ausführungsbeispielen der fertigen Lötverbin¬ dung zwischen den Anschlussrohren 4 und der äußersten Platte 3. Hierbei sammelt sich das Lot der lotplattierten Platte 3 in Folge der Kapillarkräfte in den keilartigen Spalten zwischen den Anschlussrohren 4 und der äußersten Platte 3. Anstelle oder zusätzlich zu der lotplattierten Platte kann eine Lot- plattierung an den Anschlussrohren 4 vorgesehen sein.
Werden lotplattierte Anschlussrohre 4 verwendet, so kann im gleichen Löt- Vorgang auch das Anlöten eines Anschlussflansches erfolgen, wodurch sich
die Herstellung weiter vereinfacht und insbesondere die Herstellungskosten weiter gesenkt werden können.
Die Ausgestaltungsform des Wärmeübertragers ist nicht auf die zuvor be- schriebene Form mit U-förmigen Flachrohren beschränkt, sondern es sind beliebige andere Ausgestaltungen möglich, wie zum Beispiel eine Form mit geraden Flachrohren, die an ihrem anderen Ende in einen zweiten Sammler münden.
Bezugszeichenliste
1 Wärmeübertrager
2 Sammler
3 Platte
4 Anschlussrohr
5 Seitenteil 10 Klammer
20 Stift 30 Durchzug 40 Lötstelle 50 Durchführung 60 Lasche