ITTO20080624A1 - Gruppo di adduzione per un circuito di aria condizionata e relativo metodo di realizzazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“GRUPPO DI ADDUZIONE PER UN CIRCUITO DI ARIA CONDIZIONATA E RELATIVO METODO DI REALIZZAZIONEâ€

SETTORE TECNICO

La presente invenzione si riferisce ad un gruppo di adduzione per un circuito di aria condizionata di un autoveicolo e al relativo metodo di realizzazione.

STATO DELL’ARTE ANTERIORE

I sistemi aria condizionata degli autoveicoli sono circuiti percorsi da un fluido refrigerante e sono formati da una pluralità di componenti, comprendenti in particolare un compressore, un condensatore, un serbatoio essiccatore, un sistema di espansione ed un evaporatore. Tutti questi componenti sono collegati tra loro per mezzo di elementi tubolari che presentano, alle loro estremità, elementi di fissaggio e mezzi di raccordo in grado di garantire la tenuta stagna.

I componenti costitutivi del sistema aria condizionata sono alloggiati all’interno del vano motore del veicolo, con il compressore trascinato dallo stesso albero motore del veicolo, mentre gli altri componenti risultano fissati a porzioni della carrozzeria. Nel sistema aria condizionata esistono elementi a bassa pressione e elementi ad alta pressione. Queste ultime possono essere sottoposte in uso a pressioni del fluido refrigerante dell’ordine di 30 bar. Da lungo tempo viene utilizzato come fluido refrigerante per le automobili il gas freon denominato "R-134". Per ovviare alle proprietà inquinanti di tale gas, à ̈ particolarmente importante che un tubo destinato al suo trasporto risulti ad esso sostanzialmente impermeabile. Inoltre, una bassa permeabilità à ̈ anche desiderata affinché il sistema mantenga la sua funzionalità ed efficienza nel tempo.

Tuttavia, le norme internazionali in materia ambientale impongono di trovare soluzioni alternative al freon R-134 che abbiano un GWP (potenziale di riscaldamento globale) inferiore. Tra queste si à ̈ dimostrato efficace il gas 1234 YS proposto da Honeywell e Dupont. Anche utilizzando come fluido refrigerante un gas con GWP inferiore, tuttavia, rimane di fondamentale importanza che gli elementi, ovvero tubi e raccordi, destinati al suo trasporto presentino la permeabilità più bassa possibile nei suoi confronti, unitamente a soddisfacenti proprietà meccaniche ad alta pressione, in particolare dopo prolungato invecchiamento e sostanzialmente per l’intero ciclo di vita dell’autoveicolo.

In particolare, le case automobilistiche impongono che le linee formate da tubi e raccordi destinate all’impiego per il trasporto del fluido refrigerante nell’impianto dell’aria condizionata superino una molteplicità di prove sperimentali, ad esempio prove di scoppio a caldo per verificane le caratteristiche meccaniche, prove di resistenza a variazioni cicliche di pressione, prove di permeabilità al fluido da trasportare e prove di resistenza agli agenti chimici.

Generalmente, nei sistemi aria condizionata nel settore automobilistico, tali requisiti vengono soddisfatti impiegando, per il trasporto del fluido refrigerante, tubazioni in alluminio alle cui estremità sono previste flangie brasate e tubazioni in gomma intermedie con raccordi a campana o innesti rapidi stampati sulla gomma stessa, eventualmente utilizzando tale metallo in combinazione con tubazioni in gomma multistrato.

Tuttavia, la tendenza generale nel settore automobilistico à ̈ quella di sostituire, ove possibile, le tubazioni metalliche o in gomma con strutture equivalenti in plastica, in modo da favorire una riduzione dei costi di realizzazione oltre che di peso complessivo del risultante sistema aria condizionata e di relativo beneficio per le emissioni di CO2nel motore grazie ai minori consumi.

In seguito all’impiego di un tubo in plastica per un circuito di aria condizionata sorge l’esigenza di collegare il raccordo al tubo secondo una modalità atta a garantire sia elevata resistenza meccanica che ridotti livelli di permeazione del fluido refrigerante.

OGGETTO DELL’INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di realizzare un gruppo di adduzione in grado di sostituire efficacemente gli elementi basati sull’impiego di alluminio utilizzati attualmente nei sistemi aria condizionata nel settore automobilistico.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un gruppo di adduzione per un circuito di aria condizionata secondo la rivendicazione 1. Inoltre, la rivendicazione 7 si riferisce a un metodo di realizzazione per il gruppo di adduzione secondo la presente invenzione.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, essa verrà ulteriormente descritta con riferimento alle figure allegate, in particolare:

la Figura 1 Ã ̈ uno schema di un circuito di aria condizionata; e

la Figura 2 Ã ̈ una vista prospettica di un gruppo di adduzione di fluido refrigerante del circuito di figura 1.

In Figura 1 viene indicato nel suo complesso con 1 un sistema aria condizionata per un autoveicolo, comprendente un condensatore 2, un serbatoio essiccatore 3, un sistema di espansione 4, un evaporatore 5, un compressore 6. Una sezione di bassa pressione BP viene individuata in Figura 1 da una linea tratto-punto. Una linea continua indica invece una sezione di alta pressione AP, individuabile sostanzialmente tra il compressore 6 e il sistema di espansione 4. Nella sezione di alta pressione AP il fluido refrigerante (R-134) si trova in uso a temperature intorno ai 100°C e ad una pressione dell’ordine di 20 bar. I componenti del sistema aria condizionata schematizzati in Figura 1 sono collegati tra loro da una pluralità di componenti cavi, cioà ̈ di tubi 7 e rispettivi raccordi 8 (figura 2).

Il raccordo 8 comprende una porzione tubolare 9 all’interno della quale viene inserita assialmente per interferenza radiale una porzione di estremità del tubo 7. La porzione il raccordo 8 e il tubo 7 sono successivamente saldati tramite un fascio di luce laser come verrà meglio descritto nel seguito e il valore dell’interferenza à ̈ tale da mantenere il raccordo 8 nella corretta posizione rispetto al tubo 7 durante l’operazione di saldatura.

Secondo una forma preferita di realizzazione, il tubo 7 e il raccordo 8 comprendono uno strato comprendente un copolimero termoplastico comprendente una poliammide 6,10. Preferibilmente lo strato comprendente la poliammide 6,10 comprende più del 60% di poliammide 6,10. Più preferibilmente lo strato comprende più del 90% di poliammide 6,10. Ancor più preferibilmente lo strato à ̈ interamente costituito di poliammide 6,10.

Preferibilmente, la poliammide 6,10 comprende più del 60% di un copolimero ottenuto a partire da un primo monomero comprendente unità di acido sebacico e da un secondo monomero comprendente unità di esametilendiammina. Più preferibilmente, la poliammide 6,10 comprende più del 90% di un copolimero ottenuto a partire da un primo monomero comprendente unità di acido sebacico e da un secondo monomero comprendente unità di esametilendiammina. Ancora più preferibilmente, la poliammide 6,10 consiste in un copolimero ottenuto a partire da un primo monomero comprendente unità di acido sebacico e da un secondo monomero comprendente unità di esametilendiammina.

Preferibilmente, viene utilizzata una resina della serie Grilamid® S prodotta da EMS. Per esempio, si può utilizzare la resina Grilamid® S FR5347

Tale resina, avente una densità pari a circa 1,07 g/cm<3>, presenta un punto di fusione pari a circa 220°C e un modulo di Young di circa 2,3 GPa. Un elemento realizzato in tale resina possiede, oltre a spiccate proprietà di resistenza chimica agli oli, per esempio PAG2 o POE, ai combustibili, all’acqua e alle soluzioni saline, buone proprietà di resistenza termica a breve termine e di resistenza all’idrolisi, ridotta tendenza ad assorbire acqua, ed una migliore stabilità meccanica e resistenza all’abrasione, rispetto a tubi realizzati in altre poliammidi come la PA6 e la PA12.

Inoltre, poiché una delle sue unità monomeriche costitutive à ̈ principalmente acido sebacico, un composto abbondantemente disponibile in natura in quanto ricavabile dall’olio di ricino, il suo impiego costituisce vantaggiosamente una forma di utilizzo di risorse rinnovabili. Preferibilmente, il raccordo 8 comprende una carica di fibre, più preferibilmente una carica di fibra di vetro.

Preferibilmente le fibre di vetro vengono aggiunte in una quantità in peso rispetto alla poliammide compresa tra il 10 ed il 60%. Risultati ottimali nei test sono stati ottenuti con una percentuale in peso compresa tra il 20 ed il 40 %, ad esempio 30%.

Secondo una forma di attuazione preferita dell’invenzione, le fibre di vetro hanno lunghezza compresa tra 0,05 e 1,0 mm, ma ancora più preferibilmente hanno lunghezza compresa tra 0,1 e 0,5 mm.

Inoltre, tali fibre hanno preferibilmente diametro compreso tra 5 e 20 mm, e più preferibilmente hanno diametro compreso tra 6 e 14 mm.

Preferibilmente, il raccordo 8 comprende almeno il 60% di tale poliammide 6,10 caricata con fibre di vetro. Più preferibilmente, il raccordo 8 comprende almeno il 90% di tale poliammide 6,10 caricata con fibre di vetro. Ancora più preferibilmente à ̈ interamente realizzato in tale poliammide 6,10 caricata con fibre di vetro.

Secondo una forma di realizzazione, il tubo 7 Ã ̈ costituito da un unico strato comprendente poliammide 6,10 non caricato di fibre di vetro secondo quanto descritto nei paragrafi precedenti e ha preferibilmente uno spessore compreso tra 1,5 e 3 mm.

Secondo una alternativa forma di realizzazione dell’invenzione, il tubo 7 può comprendere un secondo strato comprendente una resina poliammidica preferibilmente selezionata tra poliammide 12 e una copoliammide ottenuta a partire da unità dicarbossiliche che sono acido tereftalico o acido isoftalico per più del 60%. Nel caso in cui il tubo 7 sia multistrato, il raccordo à ̈ realizzato di un materiale termoplastico compatibile alla saldatura con il materiale dello strato più esterno del tubo 7. Preferibilmente, il raccordo 8 comprende il medesimo materiale termoplastico di cui à ̈ realizzato lo strato più esterno del tubo 7.

Preferibilmente, il secondo strato comprende almeno il 60% di detta resina poliammidica. Più preferibilmente, il secondo strato comprende almeno il 90% di detta resina poliammidica. Ancora più preferibilmente, il secondo strato à ̈ interamente realizzato in detta resina poliammidica.

Secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, detta resina poliammidica à ̈ una poliammide 12 modificata per resistere agli impatti a freddo.

Preferibilmente la poliammide 12 Ã ̈ selezionata in modo da avere un punto di fusione compreso tra 170 e 176°C, una resistenza a trazione compresa tra 25 e 35 MPa, una resistenza alla flessione compresa tra 20 e 30 MPa, un modulo di flessione compreso tra 400 e 600 MPa, una resistenza agli urti compresa tra 100 e 120 kJ/m<2>a 23°C e tra 10 e 20 kJ/m<2>a -40°C.

Preferibilmente, il tubo comprende un primo strato comprendente poliammide 6,10 e un secondo strato comprendente poliammide 12, il primo strato essendo interno al secondo strato.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione, tale copoliammide à ̈ una poliftalammide (PPA).

Preferibilmente, tale copoliammide à ̈ un copolimero ottenuto a partire da unità di carbossiliche che sono acido tereftalico per più del 60 % e da unità diamminiche che sono 1,9-nonandiammina o 2-metil-1,8-ottandiammina per più del 60%.

Più preferibilmente, le unità dicarbossiliche sono acido tereftalico per più del 90 %. Ancor più preferibilmente l’acido tereftalico costituisce il 100 % delle unità dicarbossiliche.

Preferibilmente le unità diamminiche sono 1,9-nonandiammina o 2-metil-1,8-ottandiammina per più del 60%. Più preferibilmente, le unità diamminiche sono 1,9-nonandiammina o 2-metil-1,8-ottandiammina per più del 90%. Ancor più preferibilmente 1,9-nonandiammina o 2-metil-1,8-ottandiammina costituiscono il 100 % delle unità diamminiche.

Esempi di unità dicarbossiliche diverse dall’acido tereftalico comprendono acidi alifatici dicarbossilici come acido malonico, acido dimetilmalonico, acido succinico, acido glutarico, acido adipico, acido 2-metiladipico, acido trimetiladipico, acido pimelico, acido 2,2-dimetilglutarico, acido 3,3-dietilsuccinico, acido azelaico, acido sebacico e acido suberico; acidi dicarbossilici aliciclici come 1,3-ciclopentandicarbossilico e acido 1,4-cicloesandicarbossilico; acidi dicarbossilici aromatici come acido isoftalico, acido 2,6-naftalendicarbossilico, acido 2,7-naftalendicarbossilico, acido 1,3-fenilendiossidiacetico, acido difenico, acido 4,4’ossidibenzoico, acido difenilmetano-4,4’-dicarbossilico, acido difenilsulfone-4,4’-dicarbossilico e acido 4,4’-bifenildicarbossilico; o una loro miscela.

Tra questi, sono preferiti gli acidi dicarbossilici aromatici.

Esempi di unità diamminiche diverse dalle summenzionate 1,9-nonandiammina e 2-metil-1,8-ottandiammina comprendono diammine alifatiche come etilendiammina, propilendiammina, 1,4-butandiammina, 1,6-esandiammina, 1,8-ottandiammina, 1,10-decandiammina, 3-metil-1,5-pentandiammina; diammine alicicliche come cicolesandiammina, metilcicloesandiammina e isoforondiammina; diammine aromatiche come pfenilendiammina, m-fenilenediammina, p-xilendiammina, mxilendiammina, 4,4’-diaminodifenilmetano, 4,4’-diaminodifenilsulfone, 4,4’-diaminodifenil etere; e una loro miscela arbitraria.

Tale poliammide à ̈ preferibilmente P9T del tipo descritto nel brevetto US6989198. Più preferibilmente la resina poliammidica à ̈ una resina Genestar® di Kuraray. Ancora più preferibilmente à ̈ una resina Genestar® di Kuraray, per esempio Genestar 1001 U03, U83, o H31.

Il gruppo di adduzione comprendente il raccordo 8 e il tubo 7 secondo i paragrafi precedenti, soddisfa i requisiti imposti dalle case automobilistiche per l’impiego nei sistemi aria condizionata. In particolare, lo strato in PA 6,10 à ̈ in grado di soddisfare i requisiti di permeabilità e di resistenza alle oscillazioni di pressione, anche dopo invecchiamento. Inoltre, l’accoppiamento dello strato in PA 6,10 con uno strato esterno in PA12, PPA oppure P9T consente di superare i problemi legati alla resistenza all’attacco chimico eliminando sfaldamenti e rotture in corrispondenza delle saldature o alla limitata resistenza della filettatura.

Esempio 1

Un tubo mono-strato in Grilamid S FE 5347 7x11 circa montato su un raccordo 8 di Grilamid S FE 5351 7x11 con 30% di fibre di vetro e avente un colore rosso per essere trasparente alla luce laser.

La sorgente laser à ̈ a diodi e presenta una potenza massima di 50W. Il trasporto del fascio viene realizzato tramite fibre ottiche e la focalizzazione viene eseguita tramite ottiche cilindriche in modo da generare uno †̃spot’ laser a forma di lama.

Secondo una forma di attuazione non limitativa, il raccordo 8 e il tubo 7 si sovrappongono in direzione assiale per 13mm e la lunghezza della lama laser à ̈ inferiore alla lunghezza del tratto di sovrapposizione, ad esempio la lunghezza della lama à ̈ di 11mm.

Il gruppo di adduzione 1 viene fatto ruotare su un mandrino mentre la lama di luce laser rimane fissa.

L’esigenza primaria di un gruppo di adduzione un fluido refrigerante à ̈ di evitare trafilamenti. A tale scopo, dopo aver fissato la geometria dello †̃spot’ di luce laser, rimangono da determinare la velocità di passata e la potenza del fascio.

Un fascio troppo potente potrebbe provocare bruciature e/o bolle lungo l’area di saldatura. Una velocità di passata eccessiva potrebbe invece disperdere l’energia del fascio e non portare a fusione alcune zone dell’area di saldatura. In entrambi i casi la tenuta del gruppo di adduzione à ̈ compromessa.

Secondo la presente invenzione à ̈ stato verificato che una velocità di rotazione compresa fra 2 e 9 secondi al giro, preferibilmente di 6 secondi al giro, cioà ̈ fra 230 e 1037 mm/min, preferibilmente 345 mm/min in combinazione con un fascio laser avente una densità di potenza lineare compresa fra 2 e 3.5 KW/mm, preferibilmente di 2,7 KW/mm consentono di ottenere una fusione omogenea delle pareti sovrapposte rispettivamente del raccordo 8 e del tubo 7 in modo da ottenere una saldatura continua e sprovvista di bolle.

PROVE DI SCOPPIO A CALDO

Le prove sono state eseguite alla temperatura di 120 °C , dopo stabilizzazione per 1h alla temperatura di prova. È stata applicata una pressione idraulica crescente sul tubo descritto precedentemente, con incremento di 5 bar/s fino allo scoppio del tubo. La pressione alla quale avviene lo scoppio viene quindi confrontata con i valori prescritti per l’impiego per esempio da una casa automobilistica.

La prova à ̈ inoltre stata eseguita dopo le prove a pressione pulsante (descritte nel seguito), facendo registrare un valore di 89-92 bar, ancora nettamente al di sopra dei 30 bar prescritti.

PROVE DI PERMEABILITA’

Tali prove hanno l’obiettivo di misurare, mediante la perdita di peso, la quantità di fluido che fuoriesce attraverso la parete dei tubi. Per ottenere un dato statisticamente significativo, le prove vengono eseguite contemporaneamente su 4 tubazioni.

Vengono innanzitutto misurate, a pressione atmosferiche, le lunghezze (L1, L2… L4) di tubi in prova, esclusi i raccordi. Sulle estremità delle tubazioni vengono montati due dispositivi di chiusura, uno dei quali à ̈ munito di una valvola di riempimento.

Viene calcolato il volume teorico interno dei primi 3 tubi e negli stessi viene introdotto un quantitativo di HFC134 pari a 0,55 g/cm<3>che equivale a circa il 50% del volume interno del tubo in prova. Mediante un rilevatore alogeno, viene verificata l’assenza di perdite dai dispositivi di chiusura.

I 4 tubi (3 pieni più il campione bianco) vengono introdotti in camera ambientale alla temperatura di 100°C per 1h, quindi viene ripetuta la verifica con il rilevatore alogeno. A questo punto, i 4 tubi vengono condizionati in camera ambientale a 100°C per 24h.

Terminata questa fase di condizionamento, i tubi vengono pesati e se ne registrano i valori P1, P2, … P4.

I tubi 7 vengono dunque nuovamente condizionati ancora a 100°C per la durata di 72h, trascorse le quali vengono pesati e si determinano le singole perdite di peso DPi. La perdita di peso dei tubi caricati con il fluido refrigerante viene dunque valutata come valore medio sui tre tubi, e ad essa viene sottratto il valore rilevato per il tubo “bianco†. La differenza risultante costituisce l’indice di permeabilità in g/m<2>/72h.

Per il tubo secondo l’invenzione à ̈ stato registrato un valore inferiore a 1,82 g/m<2>/72h.

PROVE DI RESISTENZA A PRESSIONE PULSANTE

I tubi 7 in esame vengono montati su un banco di prova dotato di un dispositivo in grado di inviare impulsi di pressione. I tubi, montati ad U con raggio di curvatura pari a quello minimo previsto per il tubo in esame, sono caricati internamente con il lubrificante previsto per il compressore oppure con un olio siliconico; l’ambiente in cui viene condotta la prova contiene aria. Fluido interno ed aria vengono portati alla temperatura di 100-120°C e sottoposti a cicli con pressione di prova pari a 0 ± 3,5 MPa (oppure tra 0 e 1 MPa, a seconda del tipo di tubo), con una frequenza di prova di 15 cicli al minuto. Vengono eseguiti almeno 150.000 cicli, da proseguire fino a rottura se essa non si à ̈ verificata entro i 150.000 cicli.

Al termine, viene eseguito un ciclo di verifica, rimuovendo il tubo dal banco di prova, immergendolo in acqua, ed inviando una pressione pneumatica di 3,5 MPa per 30 s controllando l’assenza di perdite. Nel caso in cui si manifesti la presenza di bollicine, viene mantenuta la pressione per 5 minuti, al fine di accertarsi che si tratti effettivamente di una perdita e non, per esempio, ad aria eventualmente intrappolata tra strati del tubo (nel caso di tubo multistrato).

A complemento dell’analisi, campioni di tubo vengono sezionati in corrispondenza delle zone terminali raccordate ed esaminati visivamente per accertare l’assenza di lacerazioni sul condotto interno. La presenza di questo tipo di difetto sarebbe motivo di non superamento della prova.

Per il tubo secondo l’invenzione non si sono verificate rotture dopo 150.000 cicli.

PROVE DI ESTIRPAZIONE

Le prove sono eseguite a temperatura ambiente e dopo permanenza di 1h a 150° ad una velocità di trazione di 25mm/min. Il valore medio del carico di estirpazione che in tutti i casi ha portato alla rottura del tubo à ̈ di 2470 N per la prova eseguita a temperatura ambiente e 1172N per la prova eseguita a caldo.

Solo i gruppi di adduzione secondo l’invenzione superano tutti i test necessari per assicurare una durata sufficiente del tubo secondo le richieste delle case automobilistiche.

I vantaggi che il raccordo e il gruppo di adduzione secondo la presente invenzione consentono di ottenere sono i seguenti.

La saldatura laser per collegare il tubo 7 e il raccordo 8 di materiale termoplastico à ̈ adatta a soddisfare i requisiti di tenuta meccanica e di permeazione richiesti dai costruttori di autoveicoli per l’approvazione della fornitura. E’ possibile in questo modo sostituire i tubi in alluminio riducendo i pesi e i costi.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Gruppo di adduzione di un fluido refrigerante per un impianto di climatizzazione di un veicolo, caratterizzato dal fatto di comprendere raccordo (8) e un tubo inserito nel detto raccordo (8), in cui i detti tubo e raccordo comprendono un materiale termoplastico e sono collegati rigidamente tramite una saldatura laser.
2. 2. Gruppo di adduzione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto materiale termoplastico à ̈ una poliammide.
3. 3. Gruppo di adduzione secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il detto materiale termoplastico à ̈ una poliammide 6,10.
4. 4. Gruppo di adduzione secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il detto tubo à ̈ costituito da un unico strato di poliammide 6,10. 5. Gruppo di adduzione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto raccordo (8) comprende lo stesso materiale termoplastico dello strato più esterno del detto tubo (7). 6. Circuito di aria condizionata per un veicolo caratterizzato dal fatto di comprendere un gruppo di adduzione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti. 7. Metodo di realizzazione di un gruppo di adduzione per un circuito di aria condizionata di un veicolo, comprendente un tubo (7) e un raccordo (8) di materiale termoplastico, detto metodo comprendendo la fase di saldare al laser il detto tubo (7) al detto raccordo (8). 8. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la velocità di saldatura à ̈ compresa fra 230 e 1037 mm/min. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la densità lineare di potenza del detto fascio laser à ̈ compresa fra 2 e 3.
5. 5 KW/mm.