DE3813339C2 - Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher zur Motorkühlung und/oder Beheizung des Fahrgastraumes von Kraftfahrzeugen, die mit flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren ausgerüstet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern.

Durch die DE 37 20 483 A1 ist es bekannt, Strangpreßprofile für Wasserkästen zu verwenden. Hierbei werden die Einzelteile ausschließlich durch die Dichtungsfüllmasse aus Kunststoff gehalten. Die Verwendung einer solchen Dichtungsfüllmasse bei Motorkühlern zur Verbindung von Metallteilen ist problematisch, da bei den zum Teil hohen Kühlmitteltemperaturen von 120 Grad und darüber diese Verbindungen 80% und mehr ihrer Kaltfestigkeit verlieren. Auch sind diese Dichtungsfüllmittelverbindungen auf Dauer nicht resistent gegen Kältemittel.

Aufgabe der Erfindung ist das Herstellen eines Wärmetauschers bei gleichbleibender Festigkeit zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Lehre des Anspruchs 1, 6 und 7 gelöst.

Hierdurch wird der wasserführende Raum durch Zwischenwände so unterteilt, daß die Flüssigkeitsströmung in den Rohren zwei-, drei- oder mehrfach zwischen den beiden Wasserkästen hin und hergeleitet wird. Auf diese Weise kann jeder der beiden Bodenwände einzeln gelocht werden, wobei nur im später wasserführenden Raum des Strangpress-Profils eine Abstützung erforderlich ist. Da diese Abstützung wegen des zur Verfügung stehenden Raumes keine engen Toleranzen zu den inneren Profilwänden haben muß, gibt es keine Schwierigkeiten beim Herausziehen der Abstützung nach dem Lochvorgang.

Nach dem Einbringen des flüssigen Lotes und dessen Abkühlung sind dann die beiden zusammengesteckten Strangpress-Profil-Teile fest und dicht miteinander verbunden.

Der durch die beiden zusammengesteckten Profil-Teile gebildete, in seiner Längsrichtung verlaufende Kanal, der eine geringe Höhe, vorzugsweise weniger als 5 mm aufweist und sich mindestens über die Breite des wasserführenden Teiles des einen Profils erstreckt, ist fast vollständig mit Lot gefüllt. Es muß nur noch ein kleiner Rest Lot nachgefüllt werden.

Die hier vorgeschlagene, verbesserte Art und Weise der Lochung der Bodenwände erlaubt es auch, verhältnismäßig schmale, ebenfalls als Strangpress-Profil ausgebildete Flachrohre einzusetzen, die unterschiedliche Querschnittsformen haben können, wie gewinkelt oder gebogen. Solche Rohrformen erlauben die Herstellung von Wärmetauschern der hier angesprochenen Art, die ausschließlich Flachrohre haben, also ausschließlich primäre Wärmetauschflächen aufweisen. Zur Erhöhung der Stabilität der flachen Rohrseitenwände und auch zur Verbesserung des Wärmetransports aus dem Rohrinneren an die Außenwände, können die Flachrohre in bekannter Weise mit Zwischenstegen versehen werden. Bei ausschließlicher Verwendung von Flachrohren, ohne Verwendung sekundärer Wärmetauschflächen, beträgt der Abstand zwischen den Flachrohren vorzugsweise weniger als 4 mm. Die Außenwände eines solchen Flachrohres erhalten beim Strangpress-Vorgang angeformte, im Querschnitt buckelartige Elemente, um eine turbulente Luftströmung zwischen den Rohren zu erzeugen.

Für diese Wärmetauscher wird ein Lot verwendet, das im mittleren Temperaturbereich zwischen 250 und 450 Grad schmilzt, vorzugsweise hier mit einer Zusammensetzung von 90 bis 95 Vol. % Zink, 5 bis 10 Vol. % Aluminium.

Um bei Wärmetauschern mit eng nebeneinander liegenden Rohren, wie sie mit dem verbesserten Lochungsverfahren problemlos hergestellt werden können, beim Einbringen von geschmolzenem Lot von unten nach oben die Gefahr von Lunkerbildung durch nicht schnell genug abgehende Luft zu vermeiden, kann das Lot auch zu dünnen Platten gegossen sein, die, entsprechend der Größe des Lotkanals zugeschnitten und gelocht, als Einzelplatte entsprechender Dicke oder als Schicht aus mehreren übereinandergelegten dünneren Platten in den Zwischenraum zwischen den beiden Bodenwänden geschoben werden, ehe die Rohre durch die Lochungen hindurch eingesteckt werden.

Vorher wird jedoch eine Stirnseite des Strangpress-Profils, vorzugsweise durch Laserschweißung, verschlossen.

Insgesamt sind nun zur Herstellung eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung folgende Verfahrensschritte erforderlich:

• - Die beiden unterschiedlichen Strangpress-Profil-Teile werden entsprechend dem Rohrquerschnitt gelocht.
• - Die beiden Profile werden mit den Kanten, die Nut und Feder ähnlich ausgebildet sind, derart zusammengesteckt, daß die Lochungen nach dem vollständigen Zusammenstecken in den beiden Bodenwänden fluchtend zueinander angeordnet sind.
• - Eine Stirnseite des Wasserkasten-Profils wird mit einer ein- oder zweiteiligen Seitenwand verschlossen, vorzugsweise mittels Laserschweißung.
• - Das aus einer oder mehreren Platten bestehende Lot wird für den Lotkanal passend zugeschnitten, gelocht und in den oder die Lotkanäle eingeschoben.
• - Um einen möglichst einfachen Lochquerschnitt für das Lochen der Rohre zu erhalten, werden die angeformten Elemente an den Rohren zur Erzeugung einer turbulenten Luftströmung durch einen maschinell durchgeführten Schabevorgang bis auf die vorgesehene Einstecklänge entfernt.
• - Die Wärmetauscherrohre werden durch die Bodenplatten und die Lotplatte hindurch bis in den wasserführenden Teil des Wasserkasten-Profils eingesteckt.
• - Die Wärmetauscher werden vor dem Löten einzeln oder zu mehreren so eingespannt, daß der Wasserkasten senkrecht steht und mit der offenen Schmalseite nach oben zeigt. Wenn gewinkelte oder gebogene Rohrquerschnitte verwendet werden, müssen die Rohre dabei so eingesetzt sein, daß die Rohrwinkel oder die Rohrbögen der Profilquerschnitte nach oben offen sind.
• - Die Wärmetauscher werden in einer reduzierenden Atmosphäre oder mittels reduzierender, auf den Wasserkasten gerichteter Brennerflammen auf maximal 450 Grad - je nach Lotzusammensetzung - erhitzt bis zur vollständigen Verflüssigung des Lotes.
• - An dem oben offenen Ende wird zwischen den Bodenwänden noch soviel flüssiges Lot nachgegeben, bis der Lotkanal voll ist.
• - Die bisher offene Seite des Wasserkastens wird nach dem Abkühlen ebenfalls mit Seitenwänden verschlossen.
• - Bei Wärmetauschern mit zwei Wasserkästen werden die vorangegangenen Schritte an beiden Wasserkästen gleichzeitig durchgeführt.
• - Die Anschlüsse für Ein- und Ausgang werden vorzugsweise erst nach dem Löten angebracht, um die Masse der Anschlüsse nicht mit aufwärmen zu müssen.

Die Profile für den Wasserkasten können, ebenso wie die Wärmetauscherrohre, auch aus extrudiertem Kunststoff bestehen, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Polyamid. Derartige Wärmetauscher erzielen eine erhebliche Gewichtsersparnis, was beim Einsatz in Kraftfahrzeugen besonders vorteilhaft ist. Kunststoff-Wärmetauscher gemäß der Erfindung erhalten ausschließlich eng nebeneinander angeordnete Flachprofilrohre ohne sekundäre Wärmetauschflächen. Die Rohrwandstärken liegen vorzugsweise unter 1 mm. Außerdem werden vorzugsweise Flachrohre mit einer gewinkelten oder gebogenen Querschnittsform gewählt, um mehr Stabilität quer zur flachen Rohrseite zu erzielen.

Zur Befestigung und Abdichtung der Kunststoffrohre mit dem Wasserkasten, können auf dem Markt vorhandene, geeignete Klebstoffe eingesetzt werden. Ähnliches gilt für das Verschließen der Stirnseiten mittels an sich bekannter Kunststoffschweißverfahren.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele von Wärmetauschern gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 Die Wasserführung in einem Wärmetauscher mit einem Wasserkasten mit mittiger Zwischenwand und einem Wasserkasten ohne Zwischenwand.

Fig. 2 Ein Einzel-Profil für den Wasserkasten von Fig. 1 in bereits gelochtem Zustand.

Fig. 3 Ein Flachrohr, das für einen Wasserkasten gemäß den Fig. 1 und 2 vorbereitet ist.

Fig. 4 Die Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Wärmetauschers gemäß der Erfindung in der für das Löten erforderlichen Position.

Fig. 5 Einen Wärmetauscher mit Wasserkästen und Rohren aus Kunststoff, der mittels metallener Stützstreben stabilisiert ist und

Fig. 6 die Wasserführung in einem Wärmetauscher, dessen aus zwei Strangpress-Profilen zusammengesetzten Wasserkästen auf jeder Seite eine außermittige Zwischenwand aufweisen.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Wasserkasten eines Wärmetauschers aus einem Oberteil 1 besteht, das den wasserführenden Raum 3 enthält, der durch eine Zwischenwand 4a unterteilt ist und aus einem Unterteil 2, das mit dem Oberteil über Nut und Feder ähnliche Elemente 4, 5 nach dem Lochen durch Zusammenschieben verbunden ist.

Es ist ersichtlich, wie die Flüssigkeit im Inneren des Wärmetauschers geführt ist, wenn der Wasserkasten, der zwei Anschlüsse enthält, durch eine mittige Zwischenwand 4a, 5a unterteilt ist, während der gegenüberliegende Wasserkasten keine Zwischenwand aufweist. Hierbei sind die Enden der Zwischenwandteile in den Strangpress-Profilen 1, 2 ebenfalls durch Nut und Feder ähnliche Elemente 4, 5 verbunden.

In einem anderen Ausführungsbeispiel (Fig. 6) sind beide Wasserkästen jeweils mit einer außermittigen Zwischenwand 4b, 5b versehen, wobei die Anordnung der Zwischenwände so gewählt ist, daß die Flüssigkeit zwischen den Wasserkästen dreimal hin- und hergeführt wird. Beide Wasserkästen sind hierbei im Profilaufbau identisch, Ein- und Ausgang liegen einander gegenüber und die Enden der Zwischenwandteile 4b, 5b haben zur Verbindung wieder Nut und Feder ähnliche Elemente 4 und 5. Selbstverständlich sind durch andere Anordnung und Anzahl der Zwischenwände noch weitere Möglichkeiten vorhanden, um die Flüssigkeitsströmung im Inneren des Wärmetauschers anderen Erfordernissen anzupassen.

In der Fig. 2 ist ein Wasserkasten-Profil nach dem Lochen in der Position dargestellt (Teil 1 jedoch ohne Stützeinlage), wie sie zum Lochen erforderlich ist.

Fig. 3 macht ersichtlich, daß ein Flachrohr 20 einen Mittelsteg enthalten und an diesem eingefräst sein muß, wenn es in einen Wasserkasten mit Mittelsteg eingesteckt werden soll.

Wenn lange Flachrohre 20 eng nebeneinander stehend und ohne sekundäre Wärmetauschflächen verwendet werden sollen, können wegen einer gewissen Labilität quer zu den flachen Seiten des Rohres unerwünschte Vibrationen auftreten. In diesem Falle sind Flachrohre mit gewinkelter oder gebogener Querschnittsform vorteilhaft. Die Füllung des Raumes 8 zwischen den Bodenwänden 6 und 7 kann vereinfacht werden, wenn das Zink-Aluminium-Lot in dünne Platten gegossen und bearbeitet, d. h. planiert, zugeschnitten und gelocht wird, so daß es vor dem Einstecken der Rohre in den Raum 8 zwischen den Bodenwänden eingeschoben werden kann. Das Lot kann als Einzelplatte oder als Paket von mehreren dünneren Platten vorliegen. Vor dem Einschieben der Lotplatte ist eine Stirnseite der zugesteckten Strangpress-Profile 1 und 2 zu verschließen.

Die Flachrohre 20 können einen geraden, einen gewinkelten oder einen gebogenen Querschnitt aufweisen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zur Erzeugung einer turbulenten Luftströmung zwischen den Rohren an diese in Rohrerstreckungsrichtung verlaufende Längswülste 15 beim Strangpress-Vorgang an die flachen Rohrseiten angeformt werden, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die Zwischenräume 17, die in bekannter Weise den offenen Rohrquerschnitt in zahlreiche Kammern unterteilen, dienen der Stabilität und der besseren Wärmeabfuhr nach außen. Die Längswülste 15 werden, von den Stirnseiten der Rohre ausgehend, durch einen maschinellen Schabevorgang soweit entfernt 16, wie die Rohre durch die Bodenwände 6 und 7 hindurch in das zusammengeschobene Wasserkastenprofil eingesteckt werden sollen.

Für den Lötvorgang werden die Wärmetauscher, wie in Fig. 4 dargestellt, derart senkrecht stehend einzeln oder zu mehreren eingespannt, daß das offene Ende 13a des Wasserkastens oben ist. Bei gewinkelten oder gebogenen Rohrquerschnitten müssen die Winkel oder Bögen der Rohrquerschnitte nach oben offen sein 19, um Lunkerbildung zu vermeiden.

Wenn die Wärmetauscher-Profile aus extrudierten glasfaserverstärkten Polyamiden oder anderen geeigneten Kunststoffen hergestellt sind, so ist es, wie Fig. 5 zeigt, empfehlenswert, den zusammengefügten Wärmetauscher durch Stützstreben 24 zwischen den Enden der Wasserkästen 21 und 22, sowie weitere Stützstreben 23, die sich kammerartig zwischen die Rohre 20 erstrecken und an den Stützstreben 24 befestigt sind, zu stabilisieren. Wenn die Wasserkästen lang sind, sind noch weitere Stützstreben 25 vorgesehen, die mit dem Wasserkasten verbunden sind. Die Stützstreben sind vorzugsweise aus Metall.

Claims (9)

1. Wärmetauscher zur Motorkühlung und/oder Beheizung des Fahrgastraumes von Kraftfahrzeugen, die mit flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren ausgerüstet sind, mit einem metallischen Wasserkasten, der aus zwei Strangpreßprofilen (1, 2) zusammengesetzt und an der den metallischen Wärmetauscherrohren zugewandten Seite doppelwandig ausgeführt ist, so daß mindestens ein abgetrennter Kanal (8) mit eingefülltem Lot zur dichten Befestigung der Rohre gebildet wird, wobei die zwei Strangpreßprofile (1, 2) formschlüssig an den Längsseiten des Wasserkastens im Bereich zwischen den Bodenwänden (6, 7) zusammengesteckt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die in Längsrichtung der-Profile (1, 2) verlaufende Kanal bzw. Kanäle (8) eine Höhe von weniger als 5 mm aufweist/aufweisen und mindestens über die Breite des wasserführenden Bereiches (3) reicht/reichen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachrohre einen gewinkelten (10), (12) oder gebogenen (11) Querschnitt aufweisen.

4. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwände der Flachrohre im Querschnitt buckelartige Elemente (15) aufweisen, die beim Strangpress-Vorgang mit angeformt sind.

5. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Flachrohren der Abstand zwischen den Flachrohren weniger als 4 mm beträgt.

6. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die beiden unterschiedlichen Strangpress-Profile (1) und (2) entsprechend dem Rohrquerschnitt gelocht werden,
• b) daß die beiden Profile (1) und (2) mit den Nut und Feder ähnlichen Kanten (4) und (5) in den Bereichen (1a) und (2a) derart zusammengesteckt werden, daß nach dem vollständigen Zusammenstecken die Lochungen in den Bodenwänden (6) und (7) fluchtend zueinander angeordnet sind,
• c) daß eine Stirnseite des zusammengesteckten Wasserkasten-Profils mit einer ein- oder zweiteiligen Seitenwand (13) vorzugsweise mittels Laserschweißung verschlossen wird,
• d) daß das aus einer oder mehreren Platten bestehende, gelochte und passend vorgefertigte Lot (14) in den oder die für das Lot vorgesehenen Kanäle (8) eingeschoben wird,
• e) daß die buckelartigen Elemente (15) an den als Strangpress-Profil ausgebildeten Flachrohren durch einen maschinellen Schabevorgang bis auf die vorgesehene Einstecklänge (16) der Rohre entfernt,
• f) daß die Wärmetauscherrohre durch die Lochungen in den Bodenplatten (6) und (7) und in der Lotplatte (14) hindurch bis in den wasserführenden Bereich (3) des Wasserkasten-Profils eingesteckt werden,
• g) daß der Wärmetauscher vor dem Löten einzeln oder zu mehreren so eingespannt, daß der Wasserkasten senkrecht steht und mit dem offenen Ende (13a) nach oben zeigt,
• h) daß der oder die eingespannten Wärmetauscher in einer reduzierenden Atmosphäre oder mittels reduzierender, auf den Wasserkasten gerichteter Brennerflammen auf maximal 450 Grad erhitzt werden bis zur vollständigen Verflüssigung des Lotes (14), und
• i) daß an den offenen Enden zwischen den Bodenwänden (5) und (6) noch soviel flüssiges Lot nachgegeben, bis jeder Lotkanal (8) voll ist,
• k) daß die bisher offene Seite des Wasserkastens nach dem Abkühlen mit einer oder gegebenenfalls zwei Seitenwänden verschlossen wird.

7. Wärmetauscher zur Motorkühlung und/oder Beheizung des Fahrgastraumes von Kraftfahrzeugen, die mit flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren ausgerüstet sind, mit einem Wasserkasten, der aus zwei Wasserkasten-Profilen aus Kunststoff (1, 2) zusammengesetzt ist und an der den aus Kunststoff gefertigten Wärmetauscherrohren zugewandten Seite doppelwandig ausgeführt ist, so daß mindestens ein abgetrennter Kanal (8) mit Klebstoff zur dichten Befestigung der Rohre gebildet wird, wobei die zwei Wasserkasten-Profile (1, 2) formschlüssig an den Längsseiten des Wasserkastens im Bereich zwischen den Bodenwänden (6, 7) zusammengesteckt sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein glasfaserverstärktes Polyamid ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus Kunststoff Wandstärken von weniger als 1 mm aufweisen.