WAERME-UEBERTRAGER UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit mindestens einem Sammelrohr zur Aufnahme von Flachrohrenden nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 6.

[0002] Der durch die DE-A 198 46 267 der Anmelderin bekannt gewordene Wärmeübertrager weist ein Sammelrohr mit einem in Längsrichtung verlaufenden Schlitz auf, welcher Flachrohrenden, die gegenüber den Flachrohren um 90 Grad verdreht sind, aufnimmt. Dabei sind die Flachrohrenden Stoß auf Stoß, also lückenlos hintereinander in dem Längsschlitz angeordnet und werden fluiddicht mit dem Sammelrohr verlötet. Durch diese Anordnung ist die Rohrteilung, d. h. der Abstand der parallel zueinander angeordneten Flachrohre dieses Wärmeübertragers beschränkt, und zwar auf die Tiefe der Flachrohre (Erstreckung in Luftströmungsrichtung). Dadurch ist auch die Höhe der Rippen, die zwischen den Flachrohren angeordnet sind, festgelegt. Dies bedeutet eine Einschränkung bei der Auslegung derartiger Flachrohrwärmeübertrager, die insbesondere für C02-Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge bestimmt sind. Die Herstellung des Sammelrohres für den bekannten Wärmeübertrager erfolgt entweder durch spangebende Bearbeitung, z. B. durch Fräsen des Längsschlitzes in ein dickwandiges Rohr oder durch Rundbiegen eines ebenen Blechstreifens. Da bei einer spangebenden Bearbeitung immer die Gefahr besteht, dass Späne am Werkstück verbleiben und somit später als Verunreinigungen in den Kältemittelkreislauf gelangen, ist einer spanlosen Fertigung der Vorzug zu geben. Da bei C02-Klimaanlagen die Drücke erheblich höher liegen als bei herkömmlichen Klimaanlagen mit dem Kältemittel R134a, ist die Wandstärke eines Sammelrohres relativ dick, was deren Bearbeitung bzw. Umformung nicht erleichtert.

[0003] Die US 5214847, welche die Merkmale gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 zeigt, offenbart ein Sammelrohr eines Kondensators, bei welchem Öffnungen für Flachrohre im Bereich einer Trennfuge eingebracht sind.

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager mit einem Sammelrohr der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Sammelrohr einfach herstellbar ist, möglichst keine Verunreinigungen nach dem Herstellprozess hinterlässt und nicht den erwähnten Einschränkungen hinsichtlich der Rohrteilung unterliegt. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren zu Herstellung des eingangs genannten Wärmeübertragers, insbesondere seines Sammelrohres zu beschreiben.

[0005] Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung. Erfindungsgemäß weist das Sammelrohr eine in Längsrichtung verlaufende durchgehende Längsnaht bzw. einen Längsschlitz auf, in welchen in vorgegebenen Abständen Aufnahmeöffnungen für die Flachrohrenden eingeformt sind. Das Sammelrohr ist also als ein in Längsrichtung geschlitztes offenes Hohlprofil ausgebildet, bei welchem die Ränder des Längsschlitzes teilweise direkt aneinander anliegen und in diesem Bereich verlötet werden und teilweise entsprechend der Kontur der Flachrohrenden zu Aufnahmeöffnungen verformt sind. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Rohrteilung auch größer als die Tiefe des Flachrohres gewählt werden kann - dies ist insbesondere bei der Dimensionierung von Gaskühlern bzw. Kondensatoren für eine C02-Klimaanlage von Vorteil.

[0006] Gemäß der Erfindung werden die Aufnahmeöffnungen für die Rohrenden durch spanlose Verformung, d. h. plastische Verformung hergestellt, was den Vorteil beinhaltet, dass keine Späne zurückbleiben, die den Kältemittelkreislauf verunreinigen würden. Außerdem ist diese spanlose Umformung mit geringeren Kosten verbunden.

[0007] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Ränder des geschlitzten Hohlprofils zu ausgestellten Randstreifen verlängert - dies verleiht dem Sammelrohr eine höhere Festigkeit, da die Randstreifen wie eine Versteifungssicke wirken. Bei einer V-förmigen Ausstellung der Randstreifen ergibt sich eine montagefreundliche Einführungsschräge für die einzufügenden Flachrohrenden. Die Randstreifen können auch in der Weise ausgestellt bzw. abgewinkelt werden, dass sie in einer gemeinsamen Ebene liegen und somit mit dem Querschnitt des Sammelrohres die Form eines Omega bilden. Dies erhöht die Festigkeit noch mehr als eine V-förmige Ausstellung der Randstreifen. Zudem bilden die ausgestellten Randstreifen bei einer Verwendung von tordierten Flachrohren eine Begrenzung der Einstecktiefe der Flachrohre.

[0008] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Aufnahmeöffnung für die Flachrohrenden durch eine plastische Verformung mit einem einfachen keilförmigen Werkzeug herzustellen. Zunächst wird ein in Längsrichtung geschlitztes Hohlprofil durch Rundbiegen hergestellt, so dass sich die Ränder im Bereich des Längsschlitzes längs einer Kontaktlinie berühren und Randstreifen V-förmig zu einer Einführschräge ausgestellt sind. Durch diese V-förmige Ausstellung ergibt sich eine vorteilhafte Einführschräge für das keilförmig ausgebildete Werkzeug, welches die Kontur der Flachrohrenden aufweist. Dieses Werkzeug wird bei gleichzeitiger Abstützung des Hohlprofils durch eine Werkzeugform in den Längsschlitz eingetrieben, was zur Folge hat, dass das Material des Hohlprofils im Bereich des keilförmigen Werkzeuges verdrängt wird, d. h. das Material fließt in die benachbarten Bereiche. Da die Wandstärke des Sammelrohres relativ dick ist, ist genügend Fleisch vorhanden, so dass keine Materialschwächung auftritt - vielmehr wird durch Kaltverfestigung das Gegenteil erreicht. Bei entsprechender Bestückung des Werkzeuges mit mehreren Stempeln (keilförmigen Werkzeugen) können sämtliche Öffnungen in einem Arbeitsgang hergestellt werden oder in Stufen, um die Verformungsgrade pro Arbeitsgang geringer zu halten. Dies ergibt auch eine höhere Oberflächenqualität der Aufnahmeöffnungen für die Flachrohrenden.

[0009] Nachdem die Aufnahmeöffnungen fertig kalibriert sind, werden die Flachrohrenden eingeführt, wobei die V-artig ausgestellten Randsteifen als montagefreundliche Einführschräge wirken. Das Sammelrohr wird anschließend mit den eingesteckten Flachrohrenden verlötet, wobei der gesamte Längsschlitz des Hohlprofils dicht verlötet - diese Lötung erfolgt zusammen mit der Lötung des gesamten Wärmeübertragers einschließlich Rippen in einem Lötofen. Damit bei Erreichen der Löttemperatur genügend Lot in die Lotspalte fließt, sind das Hohlprofil und/oder die Flachrohrenden mindestens einseitig lotplattiert, so dass ein hinreichendes Lotangebot für eine dichte Lötung vorhanden ist. Bei der Verwendung von extrudierten Flachrohren, die in der Regel keine Lotschicht aufweisen, ist ein hinreichendes Lotangebot für eine dichte Lötung vorhanden, wenn insbesondere das Hohlprofil auf der Innenseite lotplattiert ist.

[0010] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1

ein Sammelrohr in einer Ansicht von unten,

Fig. 2

einen Schnitt durch das Sammelrohr gemäß Fig. 1 in der Ebene II-II,

Fig. 3

einen Schnitt durch das Sammelrohr gemäß Fig. 1 in der Ebene III-III,

Fig. 4

eine Ansicht des Sammelrohres mit Flachrohren,

Fig. 5

eine Vorrichtung zur Herstellung des Sammelrohres und

Fig. 6

die Vorrichtung gemäß Fig. 5 mit eingefahrenem Stempel.

[0011] Fig. 1 zeigt ein Sammelrohr 1 für einen Wärmeübertrager einer nicht dargestellten C02-Klimaanlage für Kraftfahrzeuge, und zwar in einer Ansicht von unten. Das nur teilweise dargestellte Sammelrohr 1 ist ein geschlitztes Hohlprofil, dessen Randstreifen 2, 3 in einer gemeinsamen Fuge bzw. Trennstelle 4 aufeinander stoßen. Im Bereich dieser in Längsrichtung verlaufenden Trennfuge 4 sind langlochartig ausgebildete Aufnahmeöffnungen 5 angeordnet, die eine Längserstreckung von t und einen Abstand von a zueinander aufweisen.

[0012] Fig. 2 zeigt den Querschnitt des Sammelrohres 1, und zwar längs der Schnittebene II-II in Fig. 1, d. h. im Bereich der Trennfuge 4. Das Sammelrohr 1 ist aus einem Blechstreifen 6 der Wandstärke s zu einem Hohlprofil 7 durch Rundbiegen geformt, deren konvex ausgebildeten Ränder 8, 9 aneinander liegen und die Trennfuge 4 bilden. Der Blechstreifen 6 bzw. das Hohlprofil 7 ist über die Ränder 8, 9 hinaus verlängert und bildet die V-förmig ausgestellten Randstreifen 2, 3. In gestrichelter Darstellung sind die Randstreifen 2', 3' rechtwinklig abgewinkelt und bilden mit dem Hohlprofil ein Ω (Omega).

[0013] Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch das Sammelrohr 1 längs der Ebene III-III in Fig. 1, d. h. durch eine Aufnahmeöffnung 5. Diese Aufnahmeöffnung 5 dient der Aufnahme von hier nicht dargestellten Flachrohrenden und weist eine Breite b auf, die der Breite der Flachrohre entspricht. Die Herstellung dieser Aufnahmeöffnungen 5 wird unten genauer beschrieben.

[0014] Fig. 4 zeigt das Sammelrohr 1 gemäß Fig. 1 bis 3 in einer Ansicht, wobei hier Flachrohre 10 mit zwischen ihnen angeordneten Wellrippen 11 dargestellt sind. Die Flachrohre 10 weisen Flachrohrenden 10a (gestrichelt dargestellt) auf, die - wie an sich bekannt - um 90 Grad gegenüber den Flachrohren 10 tordiert sind. Diese Flachrohrenden 10a sind in die in Fig. 1 und 3 dargestellten Aufnahmeöffnungen 5 eingefügt und werden anschließend mit dem Sammelrohr 1 verlötet. Das Sammelrohr 1 weist auf seiner Innenseite 6a (vgl. Fig. 2) eine Lotplattierung (nicht dargestellt) auf, die eine Verlötung der Flachrohrenden 10a mit dem Sammelrohr 1 und der Ränder 8, 9 im Bereich der Trennfuge 4 gewährleistet. Die Wellrippen 11 werden wie bekannt mit den Flachrohren 10 verlötet. Der gesamte Wärmeübertrager, bestehend aus mindestens einem Sammelrohr 1, den Flachrohre 10 und den Wellrippen 11 wird in einem Arbeitsgang in einem Lötofen gelötet. Der Abstand der Flachrohre 10 (von Mittellinie zu Mittellinie), d. h. die Rohrteilung ist mit p bezeichnet. Sie ist hier deutlich größer als die Tiefe t der Flachrohre 10 bzw. der Flachrohrenden 10a.

[0015] Fig. 5 zeigt ein Werkzeug 20, bestehend aus zwei Werkzeughälften 21, 22, zur Herstellung der Aufnahmeöffnungen 5, d. h. eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In das zusammengefahrene Werkzeug 20 ist das Hohlprofil 7 eingelegt, wobei der Blechstreifen 6 sich mit seiner Außenkontur an die Werkzeugform anschmiegt, d. h. er ist allseitig nach außen abgestützt. Wie in Fig. 2 dargestellt, berühren sich die Ränder 8, 9 im Bereich der Trennfuge 4. Oberhalb des eingelegten Hohlprofils 7 weist das Werkzeug 20 einen durchgehenden Schlitz 23 auf, in welchem ein Stempel 24 mit einem keilförmig zulaufenden Werkzeug 25 in Position gebracht ist.

[0016] Fig. 6 zeigt den Stempel in eingefahrener Position 24', wobei das keilförmige Werkzeug 25' in die Trennfuge 4 eingedrungen ist und dabei das Material des Blechstreifens 6 aus dem Bereich der Trennfuge 4 in die angrenzenden Bereiche verdrängt hat. Dabei entsteht gleichzeitig eine Kaltverfestigung des Materials. Durch die fest gegeneinander verspannten Werkzeughälften 21, 22 bleibt die Außenkontur des Blechstreifens 6 erhalten, er kann dem eindringenden Werkzeug 25' nicht ausweichen. Dadurch wird ein Fließen des Materials auf der Innenseite des Blechstreifens bewirkt. Nach dem - hier nicht dargestellten - Herausziehen des Stempels 24, 25 ergibt sich die in Fig. 3 dargestellte Form, d. h. mit Aufnahmeöffnung 5. Zusätzlich kann eine Stempelrückhalteplatte bzw. eine Stempelführungsplatte (nicht dargestellt), die auf den Werkzeughälften 21, 22 aufliegt vorgesehen sein, wobei die Stempelrückhalteplatte bzw. die Stempelführungsplatte die Tiefe der Aufnahmeöffnung 5 und deren Formhaltigkeit garantiert.

[0017] Möglich wäre auch - was hier nicht dargestellt ist - ein zweistufiges oder mehrstufiges Verfahren zum Ausformen der Aufnahmeöffnungen 5, d. h. mittels eines zwei- oder mehrstufigen Werkzeuges.

Ansprüche

1. Wärmeübertrager mit mindestens einem Sammelrohr (1) zur Aufnahme von Flachrohrenden (10a), insbesondere für eine C02-Klimaanlage für Kraftfahrzeuge, wobei das Sammelrohr (1) aus einem offenen Hohlprofil (7) mit in Längsrichtung verlaufenden, einen durchgehenden Längsschlitz bildenden Rändern (8, 9) geformt ist und die Flachrohrenden (10a) im Längsschlitz fluiddicht aufgenommen sind, wobei die Ränder (8, 9) bereichsweise zur Bildung einer Trennfuge (4) aneinander stoßen und bereichsweise zur Bildung von Aufnahmeöffnungen (5) für die Flachrohrenden (10a) zurückgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnungen (5) durch spanlose Verformung der Ränder (8, 9) hergestellt sind und die Verformung durch Materialverdrängung erfolgt.

2. Wärmeübertragers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (8, 9) über die Trennfuge (4) hinaus nach außen verlängert sind und ausgestellte Randstreifen (2, 3) bilden.

3. Wärmeübertragers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Randstreifen (2, 3) V-artig ausgestellt sind.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Sammelrohres (1) mit Rändern (8, 9) und Randstreifen (2', 3') der Form eines Omega entspricht (Randstreifen 2', 3' in einer gemeinsamen Ebene).

5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Randstreifen (2, 3) als Begrenzung einer Einstecktiefe von tordierten Flachrohrenden ausgeführt sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- als Ausgangsmaterial wird ein ebener Blechstreifen (6) mit relativ großer Dicke s .und geradlinigen Rändern (8, 9) verwendet,

- der Blechstreifen (6) wird zu einem offenen Hohlprofil (7) mit Längsschlitz (4) verformt, wobei sich die Ränder (8, 9) des Hohlprofils (7) im Bereich des Längsschlitzes berühren und die Randstreifen (2, 3) als Einführschräge ausgestellt sind,

- das Hohlprofil (7) wird in einem Werkzeug (20) aufgenommen und nach außen abgestützt,

- im Bereich des Längsschlitzes (4) werden durch Einführen eines keilförmigen Werkzeuges (25) die Aufnahmeöffnungen (5) durch Materialverdrängung, d.h. plastische Verformung hergestellt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohrenden (10a) in die Aufnahmeöffnungen (5) eingeführt werden, wobei das Hohlprofil (7) elastisch auffedern kann, und dass das Sammelrohr (1) im Bereich des Längsschlitzes (4) zwischen den Flachrohrenden (10a) und um die Flachrohrenden (10a) herum dicht verlötet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Blechstreifen (6) und/oder das Flachrohrende (10a) mindestens einseitig lotplatiert sind.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Blechstreifen (6) und/oder das Flachrohrende (10a) beidseitig lotplatiert sind.

Claims

1. A heat exchanger with at least one header tube (1) for the reception of flat tube ends (10a), in particular for a CO2 air-conditioning unit for motor vehicles, wherein the header tube (1) is formed from an open hollow profile (7) with edges (8, 9) running in the longitudinal direction, forming a continuous longitudinal slot, and the flat tube ends (10a) are received in a fluid-tight manner in the longitudinal slot, wherein the edges (8, 9) butt against one another in regions so as to form a parting joint (4) and are set back in regions so as to form reception orifices (5) for the flat tube ends (10a), characterised in that the reception orifices (5) are produced by the noncutting deformation of the edges (8, 9) and that the deformation takes place by means of material displacement.

2. The heat exchanger as claimed in claim 1, characterised in that the edges (8, 9) are prolonged outward beyond the parting joint (4) and form set-out edge strips (2, 3).

3. The heat exchanger as claimed in claim 2, characterised in that the edge strips (2, 3) are set out in a V-like manner.

4. The heat exchanger as claimed in claim 2, characterised in that the cross section of the header tube (1) with edges (8, 9) and with edge strips (2', 3') corresponds to the shape of an omega (edge strips 2', 3' in a common plane).

5. The heat exchanger as claimed in one of claims 2 to 4, characterised in that the edge strips (2, 3) are designed as the limitation of a depth of insertion of twisted flat tube ends.

6. A method for the production of a heat exchanger, characterised by the following method steps:

- the initial material used is a plane sheet metal strip (6) with a relatively large thickness s and with rectilinear edges (8, 9),

- the sheet metal strip (6) is deformed into an open hollow profile (7) with a longitudinal slot (4), wherein the edges (8, 9) of the hollow profile (7) touching one another in the region of the longitudinal slot, and the edge strips (2, 3) are set out as an introduction slope,

- the hollow profile (7) is received in a tool (20) and supported outwardly,

- the reception orifices (5) are produced in the region of the longitudinal slot (4) by material displacement, that is, plastic deformation by means of the introduction of a wedge-shaped tool (25).

7. The method as claimed in claim 6, characterised in that the flat tube ends (10a) are introduced into the reception orifices (5), wherein the hollow profile (7) is capable of springing open elastically, and that the header tube (1) is soldered in a leak-tight manner in the region of the longitudinal slot (4) between the flat tube ends (10a) and around the flat tube ends (10a).

8. The method as claimed in claim 6 or 7, characterised in that the sheet metal strip (6) and/or the flat tube end (10a) are solder-plated at least on one side.

9. The method as claimed in claim 6 or 7, characterised in that the sheet metal strip (6) and/or the flat tube end (10a) are solder-plated on both sides.

Revendications

1. Echangeur de chaleur comprenant au moins un tube collecteur (1) servant au logement d'extrémités (10a) de tubes plats, en particulier pour un système de climatisation au CO₂ pour des véhicules automobiles, où le tube collecteur (1) est formé par un profilé creux ouvert (7) comprenant des bords (8, 9) s'étendant dans le sens longitudinal et formant une fente longitudinale continue, et les extrémités (10a) des tubes plats sont logées dans la fente longitudinale en étant étanches au fluide, où les bords (8, 9) sont contigus l'un à l'autre, par zone, pour la formation d'un joint de séparation (4) et sont placés en retrait, par zone, pour la formation d'ouvertures de logement (5) pour les extrémités (10a) des tubes plats,
caractérisé en ce que les ouvertures de logement (5) sont réalisées par déformation des bords (8, 9), sans enlèvement de matière, et la déformation se produit par refoulement de matière.

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bords (8, 9) sont prolongés vers l'extérieur, au-delà du joint de séparation (4), et forment des bandes de bordure (2, 3) exposées.

3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les bandes de bordure (2, 3) sont exposées en forme de V.

4. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section du tube collecteur (1), avec des bords (8, 9) et des bandes de bordure (2', 3'), correspond à la forme d'un oméga (bandes de bordure 2', 3' dans un plan commun).

5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les bandes de bordure (2, 3) sont réalisées comme une limitation d'une profondeur d'introduction d'extrémités tordues de tubes plats.

6. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur caractérisé par les étapes de procédé qui suivent :

- comme matériau initial, on utilise une bande de tôle plane (6) ayant une épaisseur s relativement importante et des bords rectilignes (8, 9),

- la bande de tôle (6) est déformée pour fournir un profilé creux ouvert (7) comportant une fente longitudinale (4), où les bords (8, 9) du profilé creux (7) se touchent dans la zone de la fente longitudinale, et les bandes de bordure (2, 3) sont exposées comme un chanfrein d'insertion,

- le profilé creux (7) est logé dans un outil (20) et supporté vers l'extérieur,

- dans la zone de la fente longitudinale (4), les ouvertures de logement (5), sous l'effet de l'introduction d'un outil (25) en forme de coin, sont réalisées par refoulement de matière, c'est-à-dire par déformation plastique.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les extrémités (10a) des tubes plats sont introduites dans les ouvertures de logement (5), où le profilé creux (7) peut se détendre de façon élastique, et en ce que le tube collecteur (1), dans la zone de la fente longitudinale (4), est brasé de façon étanche entre les extrémités (10a) des tubes plats et tout autour des extrémités (10a) des tubes plats.

8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la bande de tôle (6) et / ou l'extrémité (10a) du tube plat sont plaquées par brasage, au moins sur un côté.

9. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la bande de tôle (6) et / ou l'extrémité (10a) du tube plat sont plaquées par brasage, sur les deux côtés.

Zeichnung