DE19617169A1

DE19617169A1 - Flachrohrwärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19617169A1
Application number: DE1996117169
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Ing Haussmann
Original assignee: Valeo Klimatechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Valeo Klimatechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1996-04-29
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2016-04-30
Also published as: DE19617169C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Her stellen von Flachrohrwärmetauschern, insbesondere Verflüssigern oder Verdampfern, für Kraftfahrzeuge mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Flachrohrwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff von An spruch 18, der mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17 herstellbar ist.

Die Erfindung befaßt sich speziell mit der Problema tik von Flachrohrwärmetauschern, deren Flachrohre in einem Ex trusionsverfahren hergestellt werden. Bei einer derartigen Her stellungsweise kommen Plattierungsverfahren, wie sie etwa bei der Herstellung von Flachrohren durch Biegen aus Blech zum Schutz der Oberfläche des Flachrohres aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gegen Korrosion verwendet werden, nicht in Frage.

Nun hat die Praxis gezeigt, daß gerade die Materia lien, die für das Strangpressen von Aluminium oder Aluminiumle gierungen in Frage kommen, besonders anfällig gegen Lochfraß sind. Die Lochfraßproblematik ist zum Beispiel in der DE-A1 32 06 298 erörtert.

Zur Vermeidung von Lochfraß sieht die DE-A1 32 06 298 vor, daß man die extrudierten Flachrohre aus Aluminium oder ei ner Aluminiumlegierung ohne eine eigene Korrosionsschutzschicht beläßt und einen indirekten Korrosionsschutz dadurch erhält, daß die zwischen den einzelnen Flachrohren angeordneten Zick zacklamellen aus einer zinkhaltigen Aluminiumlegierung gebildet werden, welche in der elektrochemischen Spannungsreihe negati ver ist und so eine Opferanodenfunktion übernehmen kann. Diese Lösung ist jedoch insbesondere dort fragwürdig, wo die Lamel lendichte in Angrenzung an die Flachrohre klein ist oder über haupt keine Lamellen an die Flachrohre angrenzen, wie insbeson dere im Anschlußbereich an Sammler.

In der Praxis hat man zwar auch schon bisher Zick zacklamellen mit Zinkzusatz versehen, sei es im Grundmaterial der Lamelle oder in einer Hartlotbeschichtung desselben oder in beiden Schichten, was der gegenwärtigen Praxis der Anmelderin entspricht. Zusätzlich wird in der Praxis jedoch auch das ex trudierte Flachrohr seinerseits durch eine Außenbeschichtung geschützt. Speziell wird diese Außenbeschichtung des extrudier ten Flachrohres in der Praxis selbst als Opferanode gestaltet, eine Funktion, welche wie erwähnt die DE-A1 32 06 298 der La mellenverrippung zuweist.

Es ist dabei bekannt und üblich, die Opferanode da durch zu gewinnen, daß auf der Außenfläche des extrudierten Flachrohres noch im heißen Zustand nach der Extrusion Zink flä chig verteilt wird, welches dann vor dem Hartlötvorgang für die Befestigung von Flachrohren, Zickzacklamellen und Sammlern an einander im heißen Zustand in die Oberflächenzone des Flachroh res bis in eine Tiefe von etwa 150 Mikrometer eindiffundiert, um dann später als Opferanode zu wirken. Das Flachrohr selbst hat vorzugsweise eine Wandstärke von 0,3 bis 0,4 mm.

Zum Aufbringen des Zinks auf der Oberfläche des ex trudierten Flachrohres ist es gängige Praxis, Zink im Lichtbo gen zu verflüssigen und mittels über den Umfang des Flachrohres verteilter Luftdüsen auf den Umfang des Flachrohres aus dem Lichtbogen heraus aufzusprühen. Die Art der Aufsprühung ent spricht dabei etwa der Aufsprühung mittels einer Farbpistole, jedoch mit einigen das Ergebnis beeinträchtigenden Nebenbedin gungen. So werden zunächst nur etwa 20% der aus dem Lichtbogen abgeblasenen Zinkmenge auf der Oberfläche des Flachrohres auf gebracht, während die übrigen ca. 80% danebengehen und als so genannter Overspray verlorengehen. Weiterhin ist die Menge des auf zubringenden Zinks auch dadurch beschränkt, daß man schon aus Gründen des Auftragsgewichts und der gewünschten Reduzie rung der elektrochemischen Spannung nur eine relativ kleine Menge Zink auf der Oberfläche des Flachrohres ablagern möchte.

Schließlich hat flüssiges Zink nicht die gleichen Verlaufeigen schaften wie Farbe eines Farbsprühverfahrens. Daraus folgt, daß selbst bei ganz modernen feinen Zinkaufsprühverfahren das flüs sige Zink nur in einem unregelmäßigen Muster meist distanzier ter Tröpfchen aufgebracht wird, wobei bei der Aufbringung selbst ein Tröpfchenabstand von 2 mm nicht unrealistisch ist und Tröpfchenabstände von etwa 1 mm sehr häufig vorkommen. Wenn dann während des Hartlotverfahrens das Zink in die Oberfläche des Flachrohres eindiffundiert wird, kommt es nicht zu einer voll ständigen Homogenisierung der Verteilung des eindiffundierten Zinks längs der Oberfläche des Flachrohres, sondern es erfolgt ein ständiger Wechsel des elektrochemischen Potentials längs des Flachrohres, eine eigene Korrosionsquelle. Dabei ist das elektrochemische Potential dort, wo ursprünglich Zinktröpfchen gelegen waren, niedriger und in den Zwischenräumen höher.

Diese Inhomogenität der Ausbildung der Opferanode längs der Fläche des Flachrohres ist nicht nur eine eigene Quelle für Lochfraß im Flachrohr, sondern kann auch nach dem Verlöten mit Lamellenverrippung zu einer korrosiven Untertunne lung der Verlötungsstellen führen, mit der Folge, daß die me chanische Lötbindung der Verrippung an die Flachrohre in zu nächst unter Umständen sogar unsichtbarer Weise mit der Zeit immer mehr abnimmt. Die Untertunnelung erfolgt insbesondere dort, wo maximale Zinkkonzentrationen in der Opferanode ver blieben sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein für Massenfertigung geeignetes alternatives Herstellungsverfah ren von Flachrohrwärmetauschern zu gewinnen, bei dem unter ge ringerem Materialverbrauch an Zink eine wesentliche Verbesse rung der Opferanodenwirkung an der Oberfläche der Flachrohre erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Verfahrensschritte des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung betrifft dabei auch den entsprechend mit diesem Ver fahren optimierbaren Flachrohrwärmetauscher gemäß Anspruch 18.

Die Erfindung macht dabei eine Anleihe an Techniken, die aus der Vorbehandlung von Metallen für eine galvanische Zinkbeschichtung an sich bekannt sind, aber bei der Herstellung von Flachrohrwärmetauschern bisher keinen Eingang gefunden ha ben, obwohl der technische Fortschritt eklatant ist. Anders als bei der Galvanisierungstechnik kann dabei insbesondere auf eine Vorbehandlung durch alkalisches Entfetten, Nachspülen, saures Beizen in Salpetersäure sowie Nachspülen und dergleichen ver zichtet werden, da das Flachrohr nach der Extrusion eine be reits behandlungsfertige Oberfläche besitzt (vgl. Anspruch 2). Insbesondere wird bei der Erfindung anders als bei der Galvani sierungstechnik das vor dem eigentlichen Galvanisieren nach ei ner Vorbehandlung der genannten Art für eine Haftungsverbesse rung vorgenommene Beizen in einem Zinkatbad bei der erfindungs gemäßen Ausbildung einer Opferanode, deren Zinkmengen weitaus geringer als bei galvanischen Zinkbeschichtungen sind, als un mittelbarer die Opferanode vorbereitender und während des Ver lötens zu Ende ausbildender Arbeitsschritt vorgesehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist es zum anderen nicht mehr erforderlich, das Zink gleich nach dem Extrudieren des Flachrohres in noch heißem Zustand aufzu bringen; vielmehr ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfah ren optimal bei Zimmertemperatur in einem vom Extrudieren unab hängigen, im Bedarfsfall aber nachgeschalteten, Arbeitsgang durchführbar. Nach der Behandlung im Zinkatbad wird zweckmäßig wie bei dem an sich bekannten Vorbeizen einer Galvanisierung nachgespült. Dann kann gleich statt der Galvanisierung die Aus bildung der Opferanode während des Hartverzinkens des ganzen Flachrohrwärmetauschers erfolgen.

Weiterhin kommt es nicht mehr zu einem unnützen zu sätzlichen Materialverbrauch an Zink, wie bei dem Overspray des bekannten Aufsprühverfahrens.

Vor allem aber erhält man eine optimale Homogenität der Opferanode längs der Fläche des Flachrohres, wobei gemäß Anspruch 19 weitaus geringere Schwankungsbreiten der Zinkkon zentration längs der Fläche erreicht werden können. Der auf den Flachrohrwärmetauscher gerichtete Anspruch 18 beschreibt dabei primär einen derartigen Flachrohrwärmetauscher mit nur sehr ge ringer Zinkkonzentration pro Flächeneinheit, der durch das er findungsgemäße Herstellungsverfahren gewinnbar ist. Bei dem be kannten Aufstäubverfahren kann man zwar auch Zinkkonzentratio nen innerhalb des nach der Erfindung beanspruchten Schwankungs bereichs erzielen, es ist jedoch nicht möglich, die Schwan kungsbreite auf diesen Bereich zu beschränken, sondern bei den bekannten Verfahren reicht die Schwankungsbreite bis zu weitaus höheren Zinkkonzentrationen pro Flächeneinheit. Damit ist durch das erfindungsgemäße Verfahren die mittlere Zinkkonzentration pro Flächeneinheit weitaus kleiner als bei dem bekannten Auf sprühverfahren.

Bei dem bekannten Aufsprühverfahren besteht eine wei tere Schwierigkeit darin, daß es immer wieder zu Verwirbelungen im Zinksprühstrahl kommt, die ebenfalls zu einer ungleichmäßi gen Zinkauftragung führen. Das erfindungsgemäße Verfahren führt demgegenüber zu einer gleichmäßigen Benetzung der Oberfläche der Flachrohre. Durch die Verweilzeit im Zinkatbad kann man darüberhinaus stets eine optimal gleichmäßige Belegungsdicke mit Zink sicherstellen, selbst wenn die Konzentrationen des Zinks im Bad sich mit der Zeit ändern.

Die Eindiffusion des Zinks nach dem Aufbringen auf dem Flachrohr während des Verlötungsvorganges ist dann im Rah men der Erfindung wieder konventionell gleichartig wie bei auf gesprühtem Zink.

Die Ansprüche 3 bis 14 betreffen vorteilhafte Einzel heiten der Auswahl und Nutzung des Zinkatbades.

Anspruch 16 zeigt, daß die Erfindung selbst bei Ver wendung konventioneller Aluminiumlegierungen unschwer anwendbar ist. Bevorzugt wird die Verwendung einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 17, nämlich einer sogenannten Longlife-Aluminium legierung. Dieses Longlife-Material wirkt nicht nur für sich dahingehend, daß das Grundmaterial des Flachrohres selbst resi stenter wird, sondern wirkt vor allem mit der in der Außenzone des Flachrohres ausgebildeten Opferanode so zusammen, daß das Grundmaterial edler wird und man daher im Rahmen der erfin dungsgemäßen Zielsetzung mit einer noch geringeren Zinkmenge beim Aufbau der Opferanode auskommen kann. Für die Wirkung als Opferanode braucht man erfahrungsgemäß Elektropotentiale, die um mindestens 50 mV niedriger sind als das zu schützende Grund material.

Anspruch 20 konkretisiert den erfindungsgemäßen Flachrohrwärmetauscher auf ein Basismaterial des Longlife-Ty pus, der schon im Anspruch 17 angesprochen ist.

Das Problem des Lochfraßes ist speziell ein Problem der fluidleitenden Elemente des Flachrohrwärmetauschers, also insbesondere der Flachrohre, aber auch der Sammler und derer Anschlußbereiche, während ein gewisser Lochfraß bei den Zick zacklamellen sogar hinnehmbar sein kann. Trotzdem ist es schon bei den bekannten Sprühverfahren üblich, wie erwähnt auch das Basismaterial der Zickzacklamellen und/oder des verwendeten Hartlots, meist AlSi7, mit einem Zinkzusatz zu versehen, um zu verhindern, daß die Zickzacklamelle elektrochemisch wesentlich edler als die Opferanode auf dem Flachrohr ist. Anspruch 21 gibt insoweit eine Optimierung im Rahmen der Erfindung an. Eine derartige Optimierung mit sehr geringer Schwankungsbreite war, wie oben erörtert, bei den bisherigen Aufsprühverfahren selbst bei deren maximaler Verfeinerung nicht möglich.

Bei der Zinkbeschichtung im Zinkatbad im Rahmen der Erfindung kann man das Verfahren relativ unabhängig von der speziellen Zusammensetzung des Zinkatbades durchführen. Es reicht, das Flachrohr so lange im Zinkatbad zu belassen, bis die Zinkabscheidung auf der Oberfläche des Flachrohres ganz oder weitgehend gesättigt ist.

Ein mögliches Ausführungsbeispiel wird im folgenden beschrieben:

Das extrudierte Flachrohr wird auf etwa Zimmertempe ratur abgekühlt und in diesem Zustand ohne Zwischenbehandlung der Oberfläche im Wege einer kontinuierlichen Fertigung in das Zinkatbad eingebracht. In diesem wird es 30 bis 90 Sekunden be lassen. Nach einer Nachspülung üblicher Art wird dann das Flachrohr in den Lötofen eingebracht, in welchem in einem Tem peraturbereich von 400 bis 575°C zunächst das Eindiffundieren des Zinks in das Grundmaterial des Flachrohres zur Ausbildung der Opferanode und bei weiterer Erhitzung auf einen Temperatur bereich von 575 bis 605°C das Hartlöten mittels des Hartlotes AlSi7 erfolgt.

Es wird ein Zinkatbad mit folgenden Daten verwendet:

pH-Wert: 12
Zinkgehalt: 1,1 Gew%, teils als Zinkat, teils in komplexierter Form;
Komplexbildner: Cyanid und Weinsäure;
Cyanidgehalt: 0,09 Gew%;
Alkalimetall: 10,2 Gew% Natrium.

Ein derartiges Zinkatbad kann aus der Zinkatbeize an gesetzt werden, die von der Firma Dr. M. Kampschulte GmbH & Co KG i.G., Nürnberger Str. 16-18, D-40599 Düsseldorf, unter der Bezeichnung Dekacid Alu EN mit der Artikel-Nr. 6 12 409 10 ver trieben wird.

Die Erfindung wird im folgenden noch mehr im einzel nen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Flachrohrwärmetau scher nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein extrudiertes Flachrohr des Flachrohrwärmetauschers;

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab eine Prinzipansicht aus dem Verbindungsbereich eines Flachrohres mit einer Zick zacklamelle;

Fig. 4 einen typischen Konzentrationsverlauf des Zinks in der Oberfläche eines Flachrohres zur Ausbildung einer Opferanode auf Basis einer Zink-Aluminiumlegierung;

Fig. 5 eine einfachlogarithmische graphische Darstel lung des elektrochemischen Spannungspotentials von einer Alumi niumlegierung AA 3102 in Abhängigkeit vom Zinkgehalt;

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Zink-Be schichtungsprozesses;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Zinkschicht dicke d in Abhängigkeit der Verweilzeit t und Zinkatkonzentra tion z.

Außerdem wird die Erfindung unter Angabe geeigneter Rezepturen und Herstellungsschritte im Rahmen von Ausführungs beispielen beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf einen Flachrohrwärme tauscher in Richtung der anströmenden Umgebungsluft. Flachrohr wärmetauscher in der dargestellten Bauart werden üblicherweise als Verflüssiger oder Verdampfer in Kraftfahrzeugklimaanlagen eingesetzt. Dabei ist die Bautiefe der Flachrohrwärmetauscher in Richtung der durchströmenden Umgebungsluft bei Verflüssigern im Bereich von 10 bis 30 mm, während bei Verdampfern regelmäßig eine größere Bautiefe von mindestens 30 bis 100 mm aufgrund von Einbauverhältnissen im Fahrzeug gewählt wird.

Dadurch bedingt ändert sich auch die Konstruktion der Sammelrohre 2, die im Rohrboden Schlitze aufweisen, in die Flachrohre 4 eingesteckt und mit dem Sammelrohr verlötet sind. Für die erfindungsgemäßen Belange spielen jedoch die Konstruk tionsunterschiede in den Sammelrohren keine Rolle, so daß im weiteren nur noch die Ausführung eines Flachrohrverflüssigers gemäß Fig. 1 im Detail beschrieben wird. Bei dem Verflüssiger in Fig. 1 handelt es sich um einen sogenannten "Parallel-Flow- Verflüssiger", bei dem das gasförmige Kältemittel durch den Kältemitteleintritt 8 in das eintrittsseitige Sammelrohr 10 ge langt und im Sammelrohr 10 auf eine Vielzahl von parallelen Flachrohren 4 verteilt wird, die in Schlitzen im Rohrboden des Sammelrohrs 10 kältemitteldicht verlötet sind.

Im weiteren Verlauf strömt das gasförmige Kältemittel durch die Flachrohre 4 und kondensiert durch Wärmeabgabe an die Flachrohre 4 und tritt in größtenteils verflüssigter Form in den gemeinsamen Austrittssammler 12, in dem es zu einem gemein samen Kältemittelaustritt 14 geführt wird, durch den das Kälte mittel wieder in verflüssigter Form aus dem Wärmetauscher aus tritt.

Zur Verbesserung der Wärmeabgabe an die Umgebungsluft sind zwischen den Flachrohren 4 Zickzacklamellen 6 eingeschach telt und in einem gemeinsamen Lötvorgang zusammen mit der Ver lötung der Flachrohre 4 in den Rohrböden der Sammelrohre 2 bzw. 10 und 12 mit den Flachrohren verlötet.

Das zur Verlötung der Zickzacklamellen 6 und der Flachrohre 4 erforderliche Hartlot wird beim Herstellvorgang des Lamellenmaterials als Bandblech bereits beidseitig auf das Grundmaterial der Lamelle aufgewalzt. Üblicherweise wird als Hartlot eine Aluminium-Siliziumlegierung mit 7% Silizium einge setzt. Als Grundmaterial wird eine Aluminiumlegierung wie z. B. AA 3003 verwendet; es können jedoch auch andere Aluminiumlegie rungen eingesetzt werden, die für Hartlöten geeignet sind.

Alle Lötverbindungen des Verflüssigers werden in ei nem Schutzgasofen mit Stickstoff als Schutzgas unter der Ver wendung eines antikorrosiven fluoridischen Flußmittels wie z. B. KAlF₄ verlötet.

Chloridische Flußmittel, die in der Vergangenheit eingesetzt wurden, werden hier weniger in Betracht gezogen, da das Flußmittel nach dem Lötvorgang in aufwendiger Weise wieder vom Verflüssiger durch Spülen entfernt werden muß.

Das beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher eingesetzte antikorrosive Flußmittel auf fluoridischer Basis bildet nach dem Lötvorgang auf dem Verflüssiger eine fest haftende kri stalline Schicht mit einer Dicke von wenigen Mikrometern und muß nach dem Lötvorgang nicht mehr entfernt werden.

Bedingt durch die genannten Flußmittelrückstände auf der Verflüssigeroberfläche wird jedoch eine spätere Oberflä chenbeschichtung z. B. mittels Chromatieren und anschließendem Lackieren erschwert, da die Flußmittelschicht beim Aufbringen der Konversionsschicht zunächst entfernt werden muß. Aus diesem Grund ist man größtenteils dazu übergegangen, die äußere Flach rohroberfläche mit einer Opferanodenschicht 18 zu versehen, die elektrochemisch unedler als das Grundmaterial ist und somit wirksam das Grundmaterial des Flachrohres vor Lochfraßkorrosion schützt. Gem. Fig. 5 kann das elektrochemische Potential einer Aluminiumlegierung wie z. B. AA 3102 durch Zusatz von Zink redu ziert werden. So ist das elektrochemische Potential der zink freien Legierung AA 3102 -730 mV und wird durch Zugabe von beispielsweise 0,7 Gew% Zink auf -760 mV, d. h. um 30 mV re duziert.

Bei weiterer Zinkzugabe fällt das elektrochemische Potential bis auf Werte von ca. -1000 mV bei 10% Zink und steigt bei weiterer Zinkzugabe wieder geringfügig an.

Um eine elektrochemische Schutzwirkung der Opferan odenschicht zu erreichen, muß das Potential der Opferanoden schicht um mindestens 30 bis 50 mV unedler, d. h. elektronega tiver, als das elektrochemische Potential des zu schützenden Grundwerkstoffes sein. Aus diesem Grund muß für die elektroche mische Schutzwirkung der Opferanodenschicht ein Mindestzinkge halt von 0,7 Gew% vorliegen.

Bei höheren Zinkgehalten wird die Fernwirkung der Op feranode zwar verbessert, auf der anderen Seite erhöht sich je doch die elektrochemische Korrosionsgeschwindigkeit durch die größere anliegende Spannungsdifferenz, was in der Praxis zu ei nem sehr schnellen Aufbrauchen der Opferanode auf der Flach rohroberfläche führt. Da ein spürbarer Effekt in der Korrosi onsgeschwindigkeit erst bei Potentialdifferenzen von mehr als 100 mV eintritt, kann die Zinkkonzentration auf der Oberfläche des Flachrohres auch obere Grenzwerte von ca. 1,5% ohne nega tive Folgen annehmen.

Die Messungen für das elektrochemische Potential in Fig. 5 werden nach ASTM G 69 durchgeführt.

Trotz einer zulässigen Schwankung im Oberflächenzink gehalt von 0,7 bis 1,5 Gew% gibt es bei der großserienmäßigen Herstellung der extrudierten Flachrohre erhebliche Fertigungs schwierigkeiten.

Aufgrund des hohen Berstdrucks werden für Flachrohr verflüssiger extrudierte Mehrkammerrohre gem. Fig. 2 mit einer Vielzahl von Zwischenstegen 5 benötigt. Um optimale Verflüssi gerleistungen bei minimalem Gewichtseinsatz zu erreichen, sind weiterhin die Abmessungen des Strangpressprofiles extrem schwierig für den Extrusionsherstellvorgang, so daß nur gut strangpressbare Materialien in Frage kommen, die alle relativ geringe Korrosionsbeständigkeit insbesondere gegen Lochfraß be sitzen.

Die handelsüblichen Maße für die Flachrohrabmessungen gem. Fig. 2 betragen in der Dicke d 1,5 bis 3 mm, in der Länge l 13 bis 30 mm und in der Wandstärke w 0,25 bis 0,5 mm.

Die Zickzacklamellen 6 werden auf den Flachseiten 16 des Flachrohres 4 mittels Hartlötung wärmeleitend befestigt. Fig. 3 zeigt im vergrößerten Maßstab einen Teilschnitt aus dem Verbindungsbereich der Flachrohraußenwand mit der Zickzackla melle nach dem Lötvorgang. In diesem Zustand ist die vor dem Löten für die Bildung der späteren Opferanodenschicht auf dem Flachrohr aufgebrachte Zinkschicht, die vor dem Löten lediglich an der Oberfläche des Flachrohres eine Schichtdicke von ca. 0,5 bis 1 mm einnimmt, in das Aluminiumgrundmaterial ein diffundiert. Die dadurch entstehende Opferanodenschicht 18 er reicht bei den vorgegebenen Lötzeiten und Löttemperaturen eine Schichtdicke von ca. 70 bis 150 mm. Fig. 4 zeigt den Bereich des Zinkgehaltes z, der mit zunehmendem Abstand x von der Rohroberfläche her stetig abnimmt und in einer Tiefe von ca. 150 mm auf null zurückgeht.

Der schraffiert gezeichnete Bereich 22 für den Zink gehalt ergibt sich dabei durch Streuungen der auf die Flach rohroberfläche aufgebrachten Zinkmenge und gibt gleichzeitig den Grenzbereich für den Oberflächenzinkgehalt von ca. 0,7 - 1,5 Gew% Zink an, der für eine optimale Wirkung der Opferanode 18 erforderlich ist.

Die Verlötung der Zickzacklamelle 6 mit der Wand des Flachrohres 4 erfolgt durch ein Hartlot 24, das in Fig. 3 schraffiert eingezeichnet ist. Das Hartlot ist vor dem Lötvor gang als Lotplattierung beidseitig auf dem Lamellenband der Zickzacklamelle 6 mit einer Schichtstärke von ca. 10% aufge walzt und fließt beim Lötvorgang durch Schwerkraft und kapil lare Kräfte in die Lötkehle 26, die sich zwischen der Zickzack lamelle 6 und der Wand des Flachrohres 4 ausbildet. Da die Zinkschicht schon vor der Endmontage der Flachrohre mit den Zickzacklamellen auf das Flachrohr aufgebracht ist, erfolgt die Verlötung der Zickzacklamelle 6 mit der Wand des Flachrohres 4 auf der Zinkschicht, die noch vor dem Verlaufen des Hartlotes teilweise in das Aluminiumgrundmaterial eindiffundiert, so daß die Opferanode 18 auch unter der Lötkehle 26 vorhanden ist. Wird nun die Zinkmenge und somit auch der Oberflächenzinkgehalt der Opferanode auf einen in Fig. 4 dargestellten Bereich 22 eingestellt, so ist der Zinkgehalt der Opferanode unter der Lötkehle 26 sehr gering, da in diesem Bereich eine Zinkdiffu sion sowohl in das Grundmaterial 20 des Flachrohres als auch in den Lotwerkstoff der Lötkehle 26 eindiffundiert, wodurch die Zinkkonzentrationen der Opferanode unterhalb der Lötkehle 26 unter einen Wert von 0,5 Gew% Zink reduziert wird. Dieser Mas segehalt von max. 0,5% Zink bewirkt noch keine wesentliche Ab senkung der elektrochemischen Spannung, so daß es zu keiner elektrochemischen Korrosion der Opferanode 18 unterhalb der Lötkehle 26 kommt und die Lamellen dauerhaft mit dem Flachrohr verbunden bleiben. Die elektrochemisch wirksame eigentliche Op feranode 18 ist dann nur zwischen den einzelnen Lötkehlen 26 der Zickzacklamellen 6 auf der Flachrohraußenfläche angeordnet und wirkt solange schützend für das Flachrohrgrundmaterial 20, solange noch der Zinkgehalt der Opferanode größer als 0,5 bis 0,7 Gew% ist. Bei einem weiteren Abbau der Opferanode durch Korrosion kann es wie bei einem ungeschützten Rohr zu Lochfraß im Grundmaterial 20 kommen.

Die Reaktionsgeschwindigkeit der Opferanode 18 kann man durch Angleichen des elektrochemischen Potential s der Op feranode 18 und der Zickzacklamelle 6 reduzieren. Eine Anglei chung des elektrochemischen Potentials in der Lamelle 6 kann analog zur Opferanode 18 durch Zufügen von Zink in den Grund werkstoff der Lamelle, den Lötwerkstoff der Lamelle oder in das Grundmaterial und den Lötwerkstoff der Lamelle erreicht werden, mit dem Ziel, daß nach dem Lötvorgang der Oberflächenzinkgehalt von Lamelle und Opferanode gleich sind.

Da die Opferanode 18 auch bei (zur Lamelle) angegli chenem Potential langfristig korrodiert und abgebaut wird, kann eine weitere Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Flachrohres 4 durch Einsatz einer Longlife-Legierung als Grund material 20 des Flachrohres 4 erreicht werden. Durch das Longlife-Material wird einerseits die Lochfraßempfindlichkeit des Grundmaterials reduziert und andererseits durch Zugabe von Kupfer von 0,4 bis 0,55 Gew% das elektrochemische Potential des Grundmaterials angehoben, so daß nach vollständigem Aufbrauchen der Opferanode 18 das Grundmaterial 20 des Flachrohres 4 noch wesentlich edler als das Lamellenmaterial der Zickzacklamelle 6 ist, das zum Potentialausgleich mit der Opferanode des Flachrohres mit einem Zinkgehalt von 0,7 bis 1,5% legiert ist. Bei dieser Materialzusammensetzung kann im Flachrohrgrund material 20 erst Lochfraßkorrosion entstehen, wenn zusätzlich zur Opferanode 18 das gesamte Lamellenmaterial der Zickzackla mellen 6 aufgebraucht ist.

Aufgrund der sehr geringen Wandstärke w sowie Dicke d des Flachrohres gem. Fig. 2 kann die zur Erzeugung der Opfer anode erforderliche Zinkschicht nicht gleichzeitig mit dem Strangpressen sondern erst in einem nachfolgenden Arbeitsgang aufgebracht werden. Hierfür wird derzeit das Zn-Arc-Spray-Ver fahren eingesetzt, bei dem Zink im Lichtbogen aufgeschmelzt und mittels Überschalluftströmung auf das Flachrohr aufgesprüht wird. Da die einzelnen Zinktröpfchen bei einem Sprühverfahren nicht beliebig im Durchmesser reduziert werden können, und da weiterhin zur Erzielung einer homogenen Zinkschicht ein maxima ler Abstand der Zinktröpfchen von 2 mm nicht überschritten wer den kann, stößt man beim Zn-Arc-Spray-Verfahren trotz mehrjäh riger Optimierung an eine Grenze für den minimal möglichen Zinkauftrag, die bei den genannten Forderungen an die Homogeni-
tät bei ca. 4 g/m² liegt. Außerdem entstehen beim Zn-Arc-Spray- Verfahren zusätzlich Streuungen im Zinkauftrag, die durch Schwankungen in der luftseitigen Umströmung des Flachrohres entstehen, durch die die Zinkpartikel auf das Flachrohr ge sprüht werden. Durch diese Schwankungen ist der Streubereich im Flächengewicht für den Zinkauftrag sehr hoch. Neben der
Schwankung des Zinkflächengewichtes in g/m² wirken sich jedoch besonders negativ lokal eng beieinander liegende Schwankungen im Zinkoberflächengehalt aus, wie sie durch Eindiffusion von einzelnen Zinktröpfchen entstehen. In diesem Fall unterliegen die Bereiche mit hoher Zinkoberflächenkonzentration einer sehr schnellen Anfangskorrosion, die erst dann aufhört, wenn sich der Zinkgehalt der Oberfläche durch die Korrosion angeglichen hat.

Diese negativen Erscheinungen kann man dadurch ver hindern, indem man das Rohr nicht durch ein Sprühverfahren son dern durch ein Tauchverfahren verzinkt. In diesem Fall wird si chergestellt, daß die gesamte Oberfläche des Flachrohres gleichmäßig benetzt wird und somit gleichmäßig mit der Zinkat beize reagieren kann. Ein weiterer Vorteil der chemischen Ver zinkung ist, daß wie in Fig. 7 dargestellt unabhängig von der Konzentration z der Zinkatbeize die Schichtdicke s der Zink schicht stets einem einzigen Grenzwert zustrebt, der im Bereich von 0,5 bis 1,2 mm liegt. Wird nun die Verweilzeit d ausrei chend lang bemessen, so spielen Streuungen in der Zinkatkonzen tration, wie sie in realen Fertigungsprozessen entstehen kön nen, keine Rolle, da sie am Grenzwert der Schichtdicke s der Zinkauflage keine wesentliche Veränderung hervorrufen. Dieser in sich stabile und gegen äußere Einflußparameter unkritische Verzinkungsprozeß spielt in der Massenproduktion eine ent scheidende Rolle. Es ist dabei vorteilhaft, in der Großserie das Flachrohr 4 im Durchlaufverfahren gem. Fig. 6 zu verzinken. Hierzu wird das Flachrohr direkt nach dem Strangpressen auf ei nen Coil 30 aufgerollt. Die chemische Verzinkung kann dann gem. Fig. 6 unabhängig vom Strangpressen ablaufen. Dies hat den Vor teil, daß sowohl für das chemische Verzinken im Zinkatbad als auch für das Strangpressen die jeweils idealen Prozeßparameter eingestellt werden können. Gemäß Fig. 6 kann an sich gemäß üb lichem Tauchverfahren das Flachrohr 4 nacheinander eine Vor reinigung 32, das Zinkatbad 34 und eine Spüleinrichtung 36 durchlaufen. Bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung des Zinkatbades kann dabei sogar auf die Vorreinigung 32 verzichtet werden, da das stranggepreßte Flachrohr nach dem Strangpressen noch eine ausreichende äußere Reinheit besitzt.

Bezugszeichenliste

2 Sammler
4 Flachrohre
5 Zwischensteg
6 Zickzacklamellen
8 Kältemitteleintritt
10 Eintrittssammler
12 Austrittssammler
14 Kältemittelaustritt
16 Flachseite
18 Opferanodenschicht
20 Rohrgrundmaterial
22 Bereich für den Zn Gehalt
24 Hartlot
26 Lötkehle
30 Coil
32 Vorreinigung
34 Zinkatbad
36 Spüleinrichtung

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Flachrohrwärmetauschern, insbesondere Verflüssigern oder Verdampfern, für Kraftfahr zeuge, bei dem der Flachrohrwärmetauscher zwischen Sammlern (2), bei denen mindestens der jeweilige Rohrboden aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, parallel zueinander an geordnete extrudierte Flachrohre (4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweist, zwischen denen Zickzacklamellen (6) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eingeschachtelt sind, durch Aufbringen einer Zinkbeschichtung auf den extru dierten Flachrohren (4) und anschließendes Verlöten der mit der Zinkbeschichtung versehenen Flachrohre (4) mit den Zickzack lamellen (6) und den Sammlern (2) in einem Hartlötvorgang, bei dem die Zinkbeschichtung aufgeschmolzen und unter Eindiffusion in die Oberfläche der Flachrohre (4) zu einer Opferanode (18) gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die extrudierten Flachrohre (4) in einem Zinkatbad (34) mit der Zinkbeschichtung versehen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flachrohr (4) nach dem Extrudieren direkt, d. h. ohne oberflächenspezifische Vorbehandlung, im Zinkatbad (34) behan delt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Behandlungsdauer höchstens 2 Minuten, vor zugsweise 30 bis 60 Sekunden, beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Zinkatbad (34) eine Zinkkonzentration von 0,5 bis 1,5, vorzugsweise 1 bis 1,2 Gew%, vorgesehen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zink außer als Zinkat auch noch in komplexierter Form unter Verwendung eines Komplexbilders verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Komplexbildner Cyanid und/oder Weinsäure vorgesehen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Cyanidgehalt, vorzugsweise Natriumcyanid, weniger als 2,5 Gew% beträgt, vorzugsweise 0,09 Gew%.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gehalt an Weinsäure 2,5 bis 10 Gew% beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zinkat aus Zinksulfat, Heptahydrat, ge bildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalimetall Natrium verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Natrium 5 bis 15, vorzugsweise 9 bis 12, Gew% ausmacht.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß das Natrium als Natriumhydroxid, gegebenenfalls ergänzt durch weitere Natriumverbindungen, vorliegt, wobei vor zugsweise das Natriumhydroxid 10 bis 25 Gew% ausmacht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Natriumverbindungen Natriumcarbonat, vorzugs weise mit weniger als 2,5 Gew%, und/oder Natriumcyanid, vor zugsweise mit weniger als 2,5 Gew%, vorgesehen sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Sulfat zusätzlich Nickelsulfat vorgese hen ist, vorzugsweise jedoch mit weniger als 2,5 Gew%.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zinkatbad (34) mit einem pH-Wert von 10 bis 14, vorzugsweise 10 bis 12, verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachrohre (4) aus der Aluminiumlegie rung AA3102 extrudiert werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachrohre (4) aus einer sogenannten Longlife-Aluminiumlegierung extrudiert werden, vorzugsweise mit folgenden Anteilen neben dem Basismetall Aluminium und Verun reinigungen von weniger als 0,1%:
maximal 0,15 Gew% Si;
maximal 0,2 Gew% Fe;
0,4 bis 0,55 Gew% Cu;
0,1 bis 0,2 Gew% Mn;
maximal 0,03 Gew% Mg;
maximal 0,05 Gew% Cr;
maximal 0,04 Gew% Zn;
maximal 0,03 Gew% Ti.

18. Flachrohrwärmetauscher, insbesondere Verflüssiger oder Verdampfer, für Kraftfahrzeuge, bei dem der Flachrohrwär metauscher zwischen Sammlern (2), bei denen mindestens der je weilige Rohrboden aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, parallel zueinander angeordnete extrudierte Flachrohre (4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweist, zwi schen denen Zickzacklamellen aus Aluminium oder einer Alumini umlegierung eingeschachtelt sind, mit einer Al-Zn-Legierung als Opferanode (18) in einer Oberflächenschicht der extrudierten Flachrohre (4) und mit Hartverlötung der mit der Opferanode (18) versehenen Flachrohre (4) mit den Zickzacklamellen (6) und den Sammlern (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Zinkgehalt der Opferanode (18) 1 bis 3 g m^-2 be trägt.

19. Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß an beliebiger Stelle der freien Oberfläche der Flachrohre (4) der Zinkgehalt der Opferanode (18) an deren Oberfläche von 0,7 bis 1,5 Gew% Zink beträgt.

20. Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 18 oder 19, da durch gekennzeichnet, daß das Basismaterial (20) der Flachrohre (4) aus einer Longlife-Aluminiumlegierung besteht, vorzugsweise mit folgenden Anteilen neben dem Basismetall Aluminium und Ver unreinigungen von weniger als 0,1%:
maximal 0,15 Gew% Si;
maximal 0,2 Gew% Fe;
0,4 bis 0,55 Gew% Cu;
0,1 bis 0,2 Gew% Mn;
maximal 0,03 Gew% Mg;
maximal 0,05 Gew% Cr;
maximal 0,04 Gew% Zn;
maximal 0,03 Gew% Ti.

21. Flachrohrwärmetauscher nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Oberflächen gehalt der Zickzacklamellen (6) an Zink dem Oberflächengehalt an Zink der Opferanoden (18) entspricht, und zwar mit einer je weiligen Schwankungsbreite von 0,7 bis 1,5 Gew% Zink.