DE2515378A1 - Verfahren zum herstellen von waermeaustauschern - Google Patents

Verfahren zum herstellen von waermeaustauschern

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Description

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8 MONCHEiI δϋ ■ MAUcHKiaCHERSTR.45
Anwaltsakte 25 889 9. April 1975
Case 37-9371/ARL 219 DEUTSCHLAND
Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern sowie auf unter Anwendung eines solchen Verfahrens hergestellte Wärmeaustauscher.
Es gibt bekannte Wärmeaustauscher mit einem oberen und einem unteren Behälter und einer Anzahl von die beiden Behälter miteinander verbindenden Metallrohren, durch welche eine Heiz- oder Kühlflüssigkeit hindurchgeleitet
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wird. Die Herstellung solcher Wärmeaustauscher ist ziemlich teuer, da sie eine Anzahl von Profilrohren enthalten, welche in öffnungen im oberen und im unteren Behälter eingepaßt und abdichtend befestigt werden müssen. In einem Verfahren für die Herstellung solcher bekannter Wärmeaustauscher werden die Rohre in der Weise hergestellt, daß man dünne, entsprechend geformte Metallstücke mit einem Kleber versieht und sie dann unter Druck stoffschlüssig miteinander verbindet. Dieses Verfahren erfordert sehr große Sorgfalt. Werden nämlich die einzelnen Stücke nicht unter Einhaltung sehr enger Toleranzen vorgefertigt, so kann es aufgrund von ungleichmäßiger Druckverteilung zum Verrutschen der Teile und zu mangelhafter Abdichtung kommen.
Aus den Britischen Patentschriften 770 296 und 1 167 090 sind Verfahren für die Herstellung von Wärmeaustauschern bekannt, in welchen dünne Metallstreifen entlang ihren Längsrändern stoffschlüssig miteinander verbunden, die miteinander verbundenen Paare der Metallstreifen in Form einer Schlange gebogen und dann unter Einführung eines Druckmittels aufgebläht oder auseinandergetrieben werden. Dieses Verfahren hat wenigstens einen schwerwiegenden Mangel. Um zu gewährleisten, daß an den Biegungen jeweils ein offener Durchlaß vorhanden ist, werden die miteinander verbundenen, jedoch noch nicht auseinandergetriebenen Streifenpaare um bogenförmige Formstücke herum gebogen, weshalb der sich dabei ergebende Stapel jedoch nicht
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gepreßt werden kann. Der noch nicht aufgeblähte Stapel ist daher ziemlich voluminös, was sich in bezug auf Lagerung und Transport abträglich auswirkt.
Die Erfindung schafft ein Verfahren, bei welchem diese Schwierigkeiten im wesentlichen beseitigt sind und die Streifen im noch nicht auseinandergetriebenen Zustand einstückig damit gebildete Biegungen haben. In diesem Zustand läßt sich der Wärmeaustauscher lagern und transportieren, so daß er dann erst bei Bedarf aufgebläht bzw. auseinandergetrieben zu werden braucht.
In diesem Verfahren werden wenigstens sechs Materialstreifen übereinandergestapelt und, gewöhnlich unter Druck, stoffschlüssig miteinander verbunden, so daß eine flach zusammengelegte Leitungsschlange entsteht, welche dann bei Bedarf durch Einführen eines Druckmittels, etwa Druckluft oder Wasser, aufgeweitet werden kann. Dadurch ergibt sich eine Wärmeaustauscherschlange mit einstückig gebildeten Umkehrbiegungen, in denen ohne besondere Vorkehrungen ein offener Durchlaß vorhanden ist.
Demgemäß ist bei einem Verfahren zum Herstellen eines Wärmeaustauschers in Form einer Leitung mit mehreren über Umkehrbiegungen miteinander verbundenen Leitungsstücken gemäß der Erfindung vorgesehen, daß wenigstens drei Paare von Materialstreifen derart übereinandergestapelt werden, daß jedes Streifenpaar gegenüber einem benachbarten seitlich versetzt ist, daß die Streifen
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zur Bildung einer flach zusammengelegten, in Schlangenlinien verlaufenden Leitung stoffschlüssig miteinander verbunden werden und daß die Leitung durch Einführen eines Druckmittels aufgeweitet wird.
Gewöhnlich verlaufen die Leitungsstücke im aufgeweiteten Zustand parallel zueinander. In anderen Ausführungen können jedoch auch gekrümmte oder gewellte Leitungsstücke vorgesehen sein.
Die zum Herstellen des Wärmeaustauschers verwendeten Werkstoffe müssen gegenüber dem Wärmeaustauschermedium sowie gegenüber dem zum Aufweiten verwendeten Druckmittel widerstandsfähig und dabei, gegebenenfalls unter Erwärmung, ausreichend biegsam bzw. verformbar sein, so daß sich die Leitung unter dem von innen auf sie einwirkenden Druck verformen bzw. aufweiten läßt. Geeignet sind metallische und nichtmetallische Werkstoffe wie etwa Kupfer, Weichstahl, Aluminium, Aluminiumlegierungen, sowie die folgenden thermoplastischen Harze: Polyphenylenoxide, Polyphenylensulfide, Polysulfone, Polyimide, und Phenoxyharze. Vorzugsweise verwendet man metallene Streifen insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Die Streifen haben vorzugsweise eine Stärke von 0,01 bis 0,8 mm, insbesondere von 0,05 bis 0,35 mm, so daß sie sich zum Aufweiten der Leitung leicht verformen lassen.
Die Streifen können unter Verwendung eines Klebers, ins-
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besondere eines solchen auf duroplastischer Harzbasis, oder, sofern sie aus Metall sind, durch Schweißen, Löten oder Hartlöten stoffschlüssig miteinander verbunden werden. In jedem Falle muß die Verbindung der Streifen in einem durchgehenden Muster erfolgen, welches die nachher auseinanderzutreibenden Bereiche unverbunden läßt. Bei Verwendung eines Klebers wird dieser nur auf den miteinander zu verbindenden Bereichen aufgetragen. Werden die Streifen zusammengeschweißt, -gelötet oder hartgelötet, so wird auf die nachher zu den Durchlässen aufzuweitenden Bereiche gewöhnlich ein Trennmittel aufgetragen.
Wie bereits bemerkt muß ein zur Verwendung kommender Kleber gegenüber den im Gebrauch des Wärmeaustauschers zu erwartenden Bedingungen widerstandsfähig sein. Soll der Wärmeaustauscher beispielsweise als Kühler für eine wassergekühlte Brennkraftmaschine verwendet werden, so muß der Kleber widerstandsfähig gegenüber Ithylenglykol oder ein anderes Frostschutzmittel enthaltendem heißem Wasser sein. Der Kleber kann duroplastisch, elastomer oder thermoplastisch sein, wobei duroplastische Kleber, wie bereits angedeutet, den Vorzug verdienen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß Kleber verwendet werden können, welche zum Zusammenfließen und Herstellen einer sicheren Verbindung eines hohen Drucks bedürfen. Solche Kleber konnten wegen der Gefahr einer Verformung der Euckwärtsbiegungen nicht in bekannten
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Verfahren zum Herstellen solcher Wärmeaustauscher verwendet werden. Geeignete duroplastische Kleber sind beispielsweise Epoxidharze und Phenolharze, einschließlich von Phenolharzen mit Zusatz eines Elastomers, etwa eines Nitrilguminis, oder eines Thermoplasten, etwa Nylon oder eines Vinylpolymers. Als elastomere Kleber eignen sich natürliche oder künstliche Gummis wie Chlorkautschuk, Nitrilgummis und Polysulfidgummis. Geeignete thermoplastische Kleber sind u.A. Polyvinylazetat, Polyvinylchlorid, Polyakrylate und Polyamide.
Der Kleber oder das Trennmittel wird vor dem Übereinanderstapeln der Streifen aufgetragen. Bei der Fertigung der Leitung wird das Entstehen der stoffschlüssigen Verbindüngen durch Anwendung von Druck unterstützt. Gleichzeitig damit kann auch Wärme zugeführt werden, um ein als Kleber verwendetes duroplastisches Harz auszuhärten oder um die Streifen zusammenzuschweißen, zu löten oder hartzulöten. Vor Ausübung des Druck kann, es vorteilhaft sein, in den Bereichen der Rückwärtsbiegungen Zwischenlagen zwischen die die Leitungsstücke bildenden Streifenpaare einzulegen, wobei die Zwischenlagen jeweils im wesentlichen die doppelte Haterialstärke der Streifen haben. Im Bereich der Biegungen ist die Materialstärke nämlich nur gleich der Hälfte von der in der Mitte des Stapels vorhandenen. Die Zwischenlagen gleichen also diese Stärkenunterschiede aus, so daß der ausgeübte Preßdruck überall gleichmäßig zur Wirkung kommt und damit eine
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sichere Verbindung entsteht. Die Zwischenlagen sind zweckmäßig aus Materialstücken von der Stärke der Streifen gebildet und werden vor dem Einlegen einmal zusammengefaltet. Nach dem Pressen des Stapels und Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung können die Zwischenlagen dann wieder entfernt werden. Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen der Zwischenlagen besteht darin, daß am Ende jedes Streifens überschüssiges Material stehen gelassen und vor dem Übereinanderstapeln der Streifen umgefaltet wird. Diese Zwischenlagen können nachher abgeschnitten werden, sie können jedoch nach dem Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung an Ort und Stelle verbleiben.
In der einfachsten Ausführungsform hat ein solcher Wärmeaustauscher nur einen einzigen Leitungsdurchlaß. Es lassen sich jedoch auch aufwendigere Wärmeaustauscher herstellen, bei welchen die stoffschlüssige Verbindung entlang mehreren Linien erfolgt, welche die Leitung in wenigstens zwei Durchlässe unterteilen. Gegebenenfalls kann die Leitung auch zwei miteinander strömungsverbundene Durchlässe erhalten, indem die Streifen in ihren inneren Bereichen entlang unterbrochenen Linien stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Die Durchlässe brauchen in den einzelnen Leitungsteilen nicht geradlinig zu verlaufen sondern können auch gewundene Bahnen beschreiben.
Die Erfindung sieht ferner die Möglichkeit vor, einen aus den Lagen der Leitung gebildeten Stapel auf jede
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benötigte Länge zuzuschneiden oder, falls mehrere Durchlässe vorhanden sind, den Stapel in mehrere schmälere. Leitungen zu zerlegen und diese gegebenenfalls einzeln aufzuweiten. Auf diese Weise ist es möglich, einen Wärmeaustauscher von beliebig verkleinerten Abmessungen aus einem Stapel von Standardgröße herzustellen.
Vor dem Aufweiten der Leitungen durch' Einleiten eines gasförmigen oder flüssigen Druckmittels werden vorzugsweise Formstücke zwischen die einzelnen Lagen des Stapels eingeführt und der Stapel wird in einen Rahmen eingespannt und mittels Zugstreben gesichert.
Zur Vergrößerung der Oberfläche des Wärmeaustauschers können vor oder nach dem Aufweiten der Leitung Verrippungsteile zwischen die einzelnen Lagen eingesetzt v/erden. Diese sind vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Leitungsteile und können mittels eines Elebers befestigt werden. Werden die Verrippungsteile vor dem Aufweiten der Leitung eingesetzt, so brauchen sie gewöhnlich nicht stoffschlüssig befestigt zu werden, da sie beim Aufweiten der Leitungsteile mit genügend großer Kraft zwischen den einzelnen Lagen festgeklemmt werden.
Die fertigen Wärmeaustauscher können, falls notwendig, mit einem gegen Korrosion schützenden Überzug versehen werden, welcher gleichzeitig als Kleber zum Befestigen der Verrippungsteile dienen kann. Das Aufbringen des Überzugs geschieht zweckmäßig durch Eintauchen in eine
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organische Überzugsmasse, welche gegebenenfalls metallische Teilchen enthalten kann. ... . , ...
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.
In Pig. 1a bis 1g sind verschiedene Ausführungsformen von mit einem Kleber oder einem Trennmittel behandelten Streifen vor dem Übereinanderstapeln dargestellt. Bei Verwendung eines Klebers ist dieser mit 10 bezeichnet, während das unbehandelte Material mit 11 bezeichnet ist. Sollen die Streifen zusammengeschweißt werden, so bezeichnet 10 das unbehandelte Metall, wahrend das mit einem Trennmittel behandelte Metall mit 11 bezeichnet ist.
Fig. 1a zeigt einen Streifen A, welcher entlang drei Seiten mit einem benachbarten Streifen zu verbinden ist. Ein in Fig. 1b gezeigter Streifen B wird nur entlang einer Seite mit dem benachbarten Streifen verbunden. Die punktierten Linien A-A1 und B-B1 bezeichnen FaItlinien, entlang welchen die Streifen vor dem Herstellen der Verbindungen utngefaltet werden können, um eine gleichmäßige Verteilung des ausgeübten Drucks auf den Stapel zu gewährleisten.
Fig. 1c und 1d zeigen jeweils einen Streifen A bzw. B, welche für einen Wärmeaustauscher mit mehreren Durchlässen stapelbar und miteinander verbindbar sind.
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Ein in Fig. 1e gezeigter Streifen A ergibt bei Verbindung mit dem in Fig. 1d gezeigten Streifen B einen Wärmeaustauscher mit mehreren Durchlässen, von denen einige miteinander strömungsverbunden sind.
Fig. 1f zeigt einen Streifen A, welcher bei Verbindung mit dem in Fig. 1d gezeigten Streifen B einen Wärmeaustauscher ergibt, bei welchem die verwendete Heiz- oder Kühlflüssigkeit in den einzelnen Lagen einer gewundenen Bahn folgt. Fig. 1g zeigt ein Paar Streifen A und B, bei welchen ein Umfalten der Enden nicht vorgesehen ist.
Fig. 2 zeigt eine zerlegte Schrägansicht eines aus mehreren noch nicht miteinander verbundenen Streifen gebildeten Stapels. Die jeweils aus einem Streifen A und einem Streifen B gebildeten Streifenpaare sind gegenüber dem jeweils benachbarten versetzt angeordnet, und zwar so, saß die mit Kleber behandelten Schmalseiten einander benachbarter Paare abwechselnd an den Stirnseiten des Stapels liegen. Die Endstücke der mit 21 bzw. 22 bezeichneten Streifen A und B sind hier noch nicht entlang den Faltlinien A-A1 bzw. B-B1 umgefaltet.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines auseinandergezogenen Stapels aus Streifen mit umgefalteten Endstücken vor dem Zusammenpressen. Die stoffschlüssig miteinander zu verbindenden Flächenteile sind hier durch punktierte Linien 31 und 32 miteinander verbunden.
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Pig. 4 zeigt eine Schrägansicht eines gepreßten Stapels vor dem Aufweiten der Leitungen. Vor dem Aufweiten kann der Stapel zur Verringerung der Anzahl der Durchlässe in oe<3-er Lage etwa entlang einer Linie C-C1 und/oder zur Verringerung der Höhe des Wärmeaustauschers etwa entlang einer Linie D-D1 durchschnitten werden.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines Stapels nach dem Aufweiten der Leitung. Die hier mit 52 und 53 bezeichneten Streifen bilden eine Leitung mit einem durchgehend über die gesamte Länge verlaufenden Durchlaß 5^. Zwischen die einander benachbarten Leitungsteile oder Lagen sind Formstücke 51 eingesetzt. Das eine Ende 55 cLer Leitung ist mit einer (nicht gezeigten) Druckmittelquelle ver— bunden und das andere Ende 56 ist dicht verschlossen. In einer anderen Ausführungsform können beide Enden und 56 mit der Druckmittelquelle verbunden sein. Fig. 5a zeigt eine Ansicht des Stapels nach dem Aufweiten der Leitung mit einem einzigen Durchlaß im Schnitt entlang der Linie E-E' in Fig. 5· Fig. 5b zeigt eine entsprechende Querschnittansicht eines Leitungsstapels mit mehreren Durchlässen.
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten fertigen Wärmeaustauschers. Zwischen die einzelnen Leitungsstücke oder -lagen sind Verrippungsteile 61 eingesetzt und die beiden Enden 62 und 63 der Leitung sind für den Anschluß an einer (nicht gezeigten) Quelle eines Wärmeaustauschmediums
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Ausführungsbeispiel:
Folienstreifen aus der Aluminiumlegierung "Alcan 2S" in geglühtem Zustand, mit einer Dicke von 0,1 mm, einer Breite von 63 »5 mm und einer Länge von 500 mm wurden abwechselnd in der in Fig. 1a und der in Fig. 1b gezeigten Weise jeweils auf einer Seite mit 6,5 mm breiten Streifen eines Klebers beschichtet.
Der aufgetragene Kleber war eine 16%ige Lösung eines Gemischs aus einem phenolischen Resol mit einem P : F-Verhältnis von 1:1,43 und einem Polyvinylbutyral mit einem mittleren Molekulargewicht von 41 000 im Verhältnis von 1:2 in Methanol. Der Kleber wurde bei Zimmertemperatur luftgetrocknet, wobei an den Streifen
22 g Kleber pro m zurückblieb.
Nach dem Umfalten der Enden in der in Fig. 3 gezeigten Weise wurden die Streifen in der in Fig. 2 dargestellten versetzten Anordnung ubereinandergestapelt. Der Stapel wurde in einer Presse einem Druck von 2,1 MN/m unterworfen und zum Verfestigen des Klebers während 30 min auf 150 0C erwärmt. Anschließend wurde der Stapel mit Luft unter einem Druck von 70 kN/m aufgeweitet, so daß sich eine Värmeaustauscherschlange mit einem einzigen Durchlaß ergab.
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Claims (16)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines Wärmeaustauschers in Form einer Leitung mit mehreren über Umkehrbiegungen einstückig miteinander verbundenen Leitungsstücken, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Paare von Materialstreifen derart übereinandergestapelt werden, daß jedes Streifenpaar gegenüber einem benachbarten seitlich versetzt ist, daß die Streifen zur Bildung einer flach zusammengelegten, in Schlangenlinien verlaufenden Leitung stoffschlüssig miteinander verbunden werden und daß die Leitung durch Einführen eines Druckmittels aufgeweitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstreifen aus Metall sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstreifen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sind.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennz eichnet, daß die Materialstreifen 0,01 bis 0,8 mm dick sind.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsstücke der aufgeweiteten Leitung parallel zueinander verlaufen.
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6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die
, Streifen unter Verwendung eines Klebers stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kleber auf duroplastischer Harzbasis verwendet wird.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß die metallenen Streifen durch Schweißen, Löten oder Hartlöten stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
9· Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Umkehrbiegungen Zwischenlagen von der doppelten Materialstärke der Streifen zwischen die einander benachbarten Paare der Leitungsstücke eingelegt werden und daß zum stoffschlüssigen Verbinden der einander benachbarten Streifen zu der Leitung ein Druck ausgeübt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch g e k e η η zeichne t, daß die Zwischenlagen aus überschüssigem Material am Ende jedes Streifens gebildet und vor dem Über einander stapeln umgefaltet v/erden.
11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
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Leitung zwei oder mehr voneinander getrennte Durchlässe erhält.
12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennz eichnet, daß die Leitung zwei oder mehr miteinander strömungsverbundene Durchlässe erhält.
13· Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufweiten der Leitung Formstücke zwischen die Leitungsstücke oder -lagen eingesetzt werden und der Stapel in einen Rahmen eingespannt und zwischen Zugstreben gesicherte wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach dem Aufweiten Verrippungsteile zwischen die Leitungsstücke oder -lagen eingesetzt v/erden.
15- Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß er unter Anwendung eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist.
16. Wärmeaustauscher, gekennzeichnet durch wenigstens drei seitlich zueinander versetzt angeordnete Paare von Materialstreifen, welche jeweils ein Leitungsstück bilden und zur Bildung einer flach zusammen gelegten, in Schlangenlinien verlaufenden Leitung stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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