DE102008052785B4

DE102008052785B4 - Flachrohr und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102008052785B4
Application number: DE102008052785.8A
Authority: DE
Inventors: Werner Zobel; Thomas Feldhege
Original assignee: Innerio Heat Exchanger GmbH
Current assignee: Innerio Heat Exchanger GmbH
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2022-06-02
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: DE102008052785A1

Abstract

Flachrohr für Wärmetauscher, mit zwei Schmalseiten und zwei Breitseiten welches aus wenigstens drei Blechstreifen (a; b; c) mit verformten Längsrändern (a1, a2; b1, b2; c1, c2) herstellbar ist, wobei zwei Blechstreifen (a, b) zur Bildung der Wand des Flachrohres mit Längsnähten an einer Abstufung (A) verbunden sind und wobei der dritte Blechstreifen einen gewellten Inneneinsatz (c) im Flachrohr darstellt, der mittels seiner verformten Längsränder (c1; c2) beide Schmalseiten verstärkt, wobei Blechstreifen (a; b; c) aus einer Aluminiumlegierung bestehen und bedarfsgerecht mit einer AISi - Lotschicht (L) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die verformten Längsränder (c1, c2) des gewellten Inneneinsatzes (c) zwischen den verformten Längsrändern (a2; b1; a1; b2) der zwei die Wand bildenden Blechstreifen (a, b) angeordnet sind, um die verstärkten Schmalseiten auszubilden, wobei die Aluminiumlegierung der Blechstreifen oder / und die Lotschicht einen Magnesiumgehalt von wenigstens 0,15 bis 1,75 Gewichtsprozent aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flachrohr für Wärmetauscher, mit zwei Schmalseiten und zwei Breitseiten, welches aus wenigstens drei Blechstreifen mit verformten Längsrändern herstellbar ist, wobei zwei Blechstreifen zur Bildung der Wand des Flachrohres mit Längsnähten an einer Abstufung verbunden sind und wobei der dritte Blechstreifen einen Inneneinsatz im Flachrohr darstellt, der mittels seiner verformten Längsränder beide Schmalseiten verstärkt, wobei die aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Blechstreifen bedarfsgerecht mit einer Lotschicht versehen sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Herstellungsverfahren für Flachrohre.
Das vorstehend beschriebene Flachrohr ist aus der DE 10 2006 006 670 A1 oder aus der DE 10 2006 029 378 A1 bekannt. Die Herstellung des Flachrohres wurde dort so vorgenommen, dass der bereits etwa fertig ausgebildete gewellte Inneneinsatz zunächst schräg zwischen die vorgeformten Wandteile gestellt bzw. gebracht wird, wonach die beiden Wandteile, etwa parallel zueinander liegend, zum Flachrohr zusammengeführt werden, wobei sie den sich ebenfalls nach und nach parallel ausrichtenden Inneneinsatz zwischen sich aufnehmen. Danach wird die Flachrohrausbildung durch Umbiegen der beiden größeren bogenartigen Längsränder der Wandteile abgeschlossen. Die Verstärkung der beiden Schmalseiten mittels des Inneneinsatzes erfolgt dort derart, dass die bogenförmig verformten Längsränder des Inneneinsatzes innen in den Schmalseiten angelegt werden. Das Flachrohr wird mittels des CAB - Lötverfahren verlötet. Die Lötung kann unmittelbar in einer Walzenstraße - sozusagen inline - erfolgen oder sie kann später, im Zuge der CAB - Lötung des Wärmetauschers erfolgen. Um eine einwandfreie Verlötung der Flachrohre zu erhalten, wurde daran gedacht, während der Herstellung der Flachrohre auf der Walzenstraße ein Löt-Flussmittel lediglich im Bereich der späteren Schmalseiten aufzutragen. Das Applizieren eines Flussmittels innerhalb einer Walzenstraße - aber auch überhaupt - kann als nachteilig empfunden werden.
Aus der EP 1 681 528 A1 ist ein anderes Flachrohr bekannt, das aus lediglich zwei recht dünnen Blechstreifen, nämlich aus einem Inneneinsatz und aus einem Wandteil aufgebaut ist. Lediglich eine der zwei Schmalseiten des Flachrohres hat man dort mit Hilfe des einen Längsrandes des Inneneinsatzes verstärkt. Das wird als nachteilig angesehen, da die nicht verstärkte andere Schmalseite wegen der geringen Blechdicken leicht brechen kann. In einigen Ausführungsbeispielen hat man dort ferner ( 6 und 7) zur Bildung der erwähnten einen verstärkten Schmalseite auch vorgesehen, den verformten Längsrand des Inneneinsatzes zwischen die beiden verformten Längsränder des zweiten Blechstreifens zu fügen. Der Herstellungsprozess dieses bekannten Flachrohres sieht den Einsatz von Flussmittel vor.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter Beibehaltung der Ausbildung von zwei verstärkten Schmalseiten des Flachrohres, einen Vorschlag zu unterbreiten, der das qualitätsgerechte CAB - Löten des Flachrohres ohne Einsatz von Flussmittel gestattet.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich mit einem Flachrohr, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Weil die verformten Längsränder des Inneneinsatzes zwischen den verformten Längsrändern der die Wand bildenden zwei Blechstreifen angeordnet sind und weil die Aluminiumlegierung der Blechstreifen oder/und die Lotschicht einen Magnesiumgehalt (Mg) von wenigstens 0,15 bis 1,75 Gewichtsprozent enthält, hat sich überraschend ergeben, dass die CAB - Lötung ohne den Einsatz von Flussmittel in hoher Qualität möglich ist. Das erste Teilmerkmal führt - wie sich gezeigt hat, aber nicht unbedingt zu erwarten war - zu einer festeren Anlage der Längsränder aneinander, was für die CAB - Lötung ohne Flussmittel eine wichtige Voraussetzung ist. Das zweite Teilmerkmal führt zu einer das Flussmittel beim CAB - Löten ersetzenden Wirkung, nämlich zum wenigstens teilweisen Aufbrechen der Oxidschicht durch wenigstens teilweise ausdampfendes Magnesium. Das wiederum führt zu einer Reduktion der Restsauerstoffkonzentration der Atmosphäre in der Kavität durch Bildung von Magnesiumoxid und damit zur Vermeidung einer Reoxidation der Aluminiumoberfläche und in der Folge zum besseren Fließen des Lotes bzw. zu qualitätsgerechten Lötverbindungen. Der Einsatz von Flussmittel wird nicht nur im Bereich der Längsränder des Flachrohres sondern ganz und gar vermieden. Dass auch im Inneren des Flachrohres kein Flussmittel zur Anwendung kommen muss, wird auf die zahlreichen kleinen Kanäle im Flachrohr zurückgeführt, die durch den gewellten Inneneinsatz geschaffen werden und die eine vorteilhafte Mikroatmospärenbildung im Inneren des Flachrohres erzeugen bzw. unterstützen.
Der Mangangehalt des Grundwerkstoffs der Blechstreifen sollte 0,5 - 2,0 Gewichtsprozent betragen. Der Siliziumgehalt im Grundwerkstoff der Blechstreifen beträgt etwa 1,0 Gewichtsprozent oder zwischen 6,0 und 14,0 Gewichtsprozent in der Lotschicht. Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit können im Grundwerkstoff der Blechstreifen und / oder in der Lotschicht weitere Zusätze wie Si, Cu, Ti, und/oder Zr enthalten sein. Der Rest besteht aus Reinaluminium mit unvermeidbaren Beimengungen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Flachrohres besteht darin, dass die Längsränder des Inneneinsatzes einen zurückgesetzten Abstand von der Abstufung in den Wandteilen aufweist. (Ansprüche 2-4) Es hat sich gezeigt, dass es im Zuge der Lötung zu Ausblühungen von Magnesiumoxid an der Abstufung kommen kann, wodurch die Weiterverarbeitung der Flachrohre beeinträchtig wird. Die Enden solcher Flachrohre können beispielsweise in Öffnungen von Kunststoffsammelkästen eingeklebt werden. Man musste feststellen, dass die Qualität der Klebeverbindung durch Kontakt mit Magnesiumoxid leidet. Die beschriebene Weiterbildung verhindert den erwähnten Kontakt.
Eine erhebliche erfinderische Tätigkeit war außerdem erforderlich, um die Herstellbarkeit des solchermaßen ausgebildeten Flachrohres auf einer Walzenstraße zu ermöglichen. Das Herstellungsverfahren für Flachrohre, mit zwei Wandteilen und einem Inneneinsatz, aus drei endlosen Blechstreifen auf einer mit Walzen ausgerüsteten Walzenstraße, wobei der Inneneinsatz in Längsrichtung des Flachrohres bzw. des Inneneinsatzes wellig gewalzt, mit bogenartigen Längsrändern ausgestattet und zwischen den zwei Wandteilen eingefügt wird, die mit einem größeren und einem kleineren bogenartigen Längsrand ausgebildet werden, sieht erfindungsgemäß vor, dass bereits vor der Fertigstellung der bogenartigen Längsränder des gewellten Inneneinsatzes entweder das eine Wandteil und der Inneneinsatz oder beide Wandteile und der Inneneinsatz aneinander angelegt werden, und dass danach die bogenartigen Längsränder des Inneneinsatzes fertig ausgebildet werden, wobei auch die Flachrohrausbildung abgeschlossen wird. Im Ergebnis eines solchermaßen durchgeführten Herstellungsverfahrens ist ein Flachrohr entstanden, bei dem die Längsränder des Inneneinsatzes zwischen den Längsrändern der Wandteile des Flachrohres angeordnet sind.
Weitere Merkmale befinden sich in den beigefügten Patentansprüchen. Außerdem gehen die Merkmale und deren Wirkungen auch aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, wozu auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
Die Zeichnungen zeigen Folgendes:

1 Gleichzeitige Zusammenführung der zwei Wandteile und des Inneneinsatzes zum Flachrohr;
2 Zusammenführung eines Wandteiles mit dem Inneneinsatz mit anschließendem Anfügen des zweiten Wandteils;
3 und 4 zeigen die Situation nach der Zusammenführung von Wandteilen und Inneneinsatz;
5 zeigt das fertige Flachrohr im Querschnitt;
6 zeigt ein anderes fertiges Flachrohr;
7 zeigt ein weiteres fertiges Flachrohr im Querschnitt (teilweise);
8 zeigt eine Skizze eines beschichteten Blechstreifens;

Die 1 - 4 zeigen Querschnitte durch die zwei Wandteile a, b und durch den Inneneinsatz c des Flachrohres in bestimmten Fertigungsstufen auf einer nicht gezeigten Walzenstraße. Eine Walzenstraße wurde in der in der Einleitung genannten Veröffentlichung näher vorgestellt. Die 5 bzw. 6 zeigen dann das im Ergebnis entstandene Flachrohr im Querschnitt. Gemäß 1 soll erkennbar sein, dass man die teilweise vorgeformten Wandteile a, b und den teilweise vorgeformten Inneneinsatz c etwa gleichzeitig, das heißt simultan, und parallel zueinander aneinander anlegen kann. Es ist erkennbar, dass die Wandteile a, b identisch ausgebildet, jedoch um 180° gedreht zueinander angeordnet werden. Die Wandteile a; b besitzen einen größeren bogenartigen Längsrand a1 bzw. b1 und einen kleineren bogenartigen Längsrand a2 bzw. b2. Die kleineren bogenartigen Längsränder a2; b2 der Wandteile sind zum Zeitpunkt der Zusammenführung bereits fertig ausgebildet. Die Wellenform des Inneneinsatzes c ist zu diesem Zeitpunkt ebenfalls abgeschlossen. Die beiden bogenartigen Längsränder c1; c2 des Inneneinsatzes c sind jedoch zum Zeitpunkt der Zusammenführung der Wandteile mit dem Inneneinsatz lediglich vorgeformt, und zwar derart, dass der eine vorgeformte Längsrand c1, gemäß den 1 - 3, nach oben und der andere vorgeformte Längsrand c2 nach unten weist.
Die 2 soll zeigen, dass, im Gegensatz dazu, auch zunächst das Wandteil a mit dem Inneneinsatz c zusammengeführt werden kann, bevor das zweite Wandteil b angefügt wird. Mit Blick auf die 2 ist nun erkennbar, dass man zwei Alternativen im Zuge der weiteren Ausbildung des Flachrohres hat. Man könnte zunächst gemäß der ersten Alternative (Anspruch 9), den bogenartigen Längsrand c2 des Inneneinsatzes c fertig ausbilden, das heißt, den Längsrand c2 an den kleineren bogenartigen Längsrand a2 des Wandteils a anlegen und fertig ausbilden, bevor das zweite Wandteil b angesetzt und die Flachrohrausbildung abgeschlossen wird. (nicht gezeigt)
Gemäß dem gegenwärtigen Erkenntnisstand ist es allerdings vorteilhafter, die zweite, in den 1, 3 und 4 gezeigte Alternative (Ansprüche 7, 8) zu wählen, bei der die Wandteile a; b und der Inneneinsatz c in dem gezeigten Vorfertigungsstand simultan aneinander angelegt werden und danach die bogenartigen Längsränder c1 und c2 des Inneneinsatzes c gemeinsam mit den größeren bogenartigen Längsrändern a1; b1 der Wandteile a; b ausgebildet, bzw. die Flachrohrausbildung abgeschlossen wird. Es wird erwartet, dass diese Vorgehensweise eine festere Anlage der bogenartigen Längsränder aneinander gewährleistet, und es wird auch erwartet, dass damit die korrekte Position des Inneneinsatzes c im Flachrohr besser zu gewährleisten ist.
Die Abstufungen A befinden sich in den Breitseiten, jedoch recht nahe zu den Schmalseiten des Flachrohres.
Die 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem „zurückgesetzten“ Inneneinsatz c, worunter ein Inneneinsatz c zu verstehen ist, dessen Enden der Längsränder c1, c2 dichter an den Schmalseiten des Flachrohres liegen als die Enden der großen bogenförmigen Längsränder a1, b1 der Wandteile. Gekennzeichnet ist diese Ausgestaltung in einem Ausführungsbeispiel durch jeweils zwei Abstufungen A1; A2, die sich im Abstand d voneinander an die kleinen bogenförmigen Längsränder der Wandteile a; b anschließen. Die Längsränder des Inneneinsatzes c enden etwa an der einen Abstufung A1, wohingegen die größeren bogenförmigen Längsränder a1, b1 der Wandteile a, b etwa bis zur anderen Abstufung A2 reichen. Die Längsränder des Inneneinsatzes c enden in einem nicht dargestellten anderen Ausführungsbeispiel allerdings mit einem geringen Abstand vor der ersten Abstufung A1. Der erwähnte Abstand d wird dadurch vergrößert und Toleranzen können besser kompensiert werden. (siehe gestrichelte Linien, links in 6) Die Ausbildung der beiden Abstufungen A1, A2 ist bereits abgeschlossen bevor die Zusammenführung der vorgeformten Wandteile a, b mit dem vorgeformten Inneneinsatz c beginnt.
Eine nicht gezeigte andere Weiterbildung verzichtet auf die zweite Abstufung A1 und weist lediglich den „zurückgesetzten“ Inneneinsatz auf. Der Abstand d zwischen den Enden der großen bogenförmigen Längsränder und den Längsrändern des Inneneinsatzes c könnte dann etwas größer gewählt werden als in der 6 gezeigt wird.
In einem Ausführungsbeispiel befindet sich eine Lotbeschichtung L nur jeweils an den Außenseiten der Wandteile a, b, wegen der Verlötung mit nicht gezeigten luftseitigen Rippen. Dabei ist der Inneneinsatz c auf beiden Seiten mit Lot beschichtet. Hierbei befindet sich ein Mg-Anteil von etwa 0,3 Gewichtsprozent in der AISi-Lotbeschichtung L des Inneneinsatzes c oder auch im Grundwerkstoff K des Inneneinsatzes c. (5) Ein vorteilhafter Magnesiumanteil ist im Bereich zwischen 0,25 - 0,8 Gewichtsprozent zu finden. Die 8 zeigt einen auf beiden Seiten mit Lot L beschichteten Inneneinsatz. Die Schichtdicke beträgt jeweils etwa 15% der Gesamtdicke des Inneneinsatzes.
In einem anderen Ausführungsbeispiel befindet sich die Lotbeschichtung L auf beiden Seiten der Wandteile a, b. (6) Der Inneneinsatz c besitzt keine Lotbeschichtung. Ein Magnesiumanteil von 0,5% kann sich im Grundwerkstoff K des Inneneinsatzes oder in der inneren Lotbeschichtung L der Wandteile a, b befinden.
Die angegebenen Magnesiumanteile verstehen sich stets entweder als Anteil in der Lotschicht L bzw. des Grundwerkstoffs K oder als Summe aus einzelnen Magnesiumanteilen im Grundwerkstoff K und in der Lotschicht L.
Die Blechdicke der Wandteile a, b einschließlich der Lotbeschichtung L liegt je nach Applikation zwischen 0,15 mm oder etwas weniger, und bis maximal 0,25 mm. Die Blechdicke des Inneneinsatzes c liegt zwischen 0,03 mm und 0,10 mm. Die 1 - 6 zeigen etwa maßstabsgerechte Dickenunterschiede zwischen Wand und Inneneinsatz. Die Schichtdicke der Lotbeschichtungen L beträgt jeweils zwischen 8% und 16% der Gesamtdicke der Blechstreifen.
Das Flachrohr gemäß 7, das lediglich teilweise dargestellt ist, unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Flachrohren dadurch, dass dessen Schmalseiten noch weiter verstärkt worden sind. Die Verstärkung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der eine Längsrand der Wandteile a, b zunächst um etwa 180° umgefaltet wird. Danach werden in den Faltungen F die kleinen bogenartigen Längsränder hergestellt. Der teilweise vorgefertigte Inneneinsatz c wird - wie beschrieben - an die vorgeformten Wandteile angelegt und die Flachrohrausbildung wird durch Fertigstellung der großen bogenförmigen Längsränder, gemeinsam mit den bogenförmigen Längsrändern das Inneinsatzes c, abgeschlossen. Dieses Flachrohr wurde außerdem mit einer Längssicke S versehen, die im Anschluss an die großen bogenförmigen Längsränder a1, b1 der Wandteile a, b angeordnet ist. Dadurch wird unter anderem die Positionierung des Inneneinsatzes c verbessert.

Claims

Flachrohr für Wärmetauscher, mit zwei Schmalseiten und zwei Breitseiten welches aus wenigstens drei Blechstreifen (a; b; c) mit verformten Längsrändern (a1, a2; b1, b2; c1, c2) herstellbar ist, wobei zwei Blechstreifen (a, b) zur Bildung der Wand des Flachrohres mit Längsnähten an einer Abstufung (A) verbunden sind und wobei der dritte Blechstreifen einen gewellten Inneneinsatz (c) im Flachrohr darstellt, der mittels seiner verformten Längsränder (c1; c2) beide Schmalseiten verstärkt, wobei Blechstreifen (a; b; c) aus einer Aluminiumlegierung bestehen und bedarfsgerecht mit einer AISi - Lotschicht (L) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die verformten Längsränder (c1, c2) des gewellten Inneneinsatzes (c) zwischen den verformten Längsrändern (a2; b1; a1; b2) der zwei die Wand bildenden Blechstreifen (a, b) angeordnet sind, um die verstärkten Schmalseiten auszubilden, wobei die Aluminiumlegierung der Blechstreifen oder / und die Lotschicht einen Magnesiumgehalt von wenigstens 0,15 bis 1,75 Gewichtsprozent aufweist.
Flachrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsränder des Inneneinsatzes entweder an der Abstufung (A) enden oder einen entsprechenden Abstand (d) zur Abstufung (A) aufweisen.
Flachrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Abstufungen (A1, A2) vorhanden sind, die einen Abstand voneinander aufweisen.
Flachrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsränder des Inneneinsatzes (c) an der ersten Abstufung (A1) enden und ein Längsrand der Wandteile (a; b) bis zur zweiten Abstufung (A2) reicht.
Flachrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der AISi - Lotschicht (L) zwischen 8% und 16% der Gesamtblechdicke beträgt.
Herstellungsverfahren für Flachrohre, mit zwei Wandteilen (a, b) und einem Inneneinsatz (c), aus drei endlosen Blechstreifen auf einer Walzenstraße, wobei der Inneneinsatz (c) in Längsrichtung des Flachrohres bzw. des Inneneinsatzes wellig gewalzt, mit bogenartigen Längsrändern (c1; c2) ausgestattet und zwischen den zwei mit einem größeren und einem kleineren bogenartigen Längsrand (a1; a2, b1; b2) ausgebildeten, vorgeformten Wandteilen (a; b) eingefügt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Fertigstellung der bogenartigen Längsränder (c1; c2) des gewellten Inneneinsatzes (c) entweder das eine vorgeformte Wandteil (a) und der Inneneinsatz (c) oder beide vorgeformten Wandteile (a; b) und der Inneneinsatz (c) aneinander angelegt werden, und dass danach die bogenartigen Längsränder (c1; c2) des Inneneinsatzes (c) fertig ausgebildet werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass entweder das eine Wandteil (a) und der Inneneinsatz (c) oder beide Wandteile (a, b) und der Inneneinsatz (c), im Wesentlichen parallel zueinander laufend, aneinander angelegt werden.
Herstellungsverfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigstellung der bogenartigen Längsränder (c1; c2) des Inneneinsatzes (c) gemeinsam mit der Fertigstellung der größeren bogenartigen Längsränder (a1; b1) der Wandteile (a; b) vorgenommen wird, um die Flachrohrausbildung abzuschließen.
Herstellungsverfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigstellung des einen bogenartigen Längsrandes (c2) des Inneneinsatzes (c) im Zuge der Zusammenführung mit dem ersten Wandteil (a) und vor dem Anfügen des zweiten Wandteils (b) erfolgt, und dass der andere bogenartige Längsrand (c1) des Inneneinsatzes (c) nach dem Anfügen des zweiten Wandteiles (b), gemeinsam mit der Fertigstellung des größeren bogenartigen Längsrandes (a1) des ersten Wandteiles (a) vorgenommen wird, um die Flachrohrausbildung abzuschließen.
Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandteile (a; b) im Bereich ihrer kleineren bogenartigen Längsränder (a2; b2) mit zwei Abstufungen (A1, A2) ausgebildet werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen bogenartigen Längsränder der Wandteile (a, b) mit wenigstens einer Faltung (F) ausgebildet werden.