DE3013317A1

DE3013317A1 - Verfahren zum verstaerken der rohr/kopfplatten-verbindungen von waermetauschern

Info

Publication number: DE3013317A1
Application number: DE19803013317
Authority: DE
Inventors: Ralph Gordon Nanos
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 1979-05-01
Filing date: 1980-04-05
Publication date: 1980-11-06
Also published as: IT8021704A0; GB2048130B; GB2048130A; CA1154577A; ES8202502A1; FR2455704A1; IT1141939B; BR8002581A; ES491032A0

Description

Verfahren zum Verstärken der Rohr/Kopfplatten-Verbindungen von Wärmetauschern

In der Vergangenheit wurden bei Wärmetauschern dort Verstärkungsplatten eingesetzt, wo die Rohr/Kopfplatten-Verbindungen nicht zufriedenstellend sind oder dort wo die in der Wärmetauscherstruktur entstehenden Spannungen an den Lötverbindungen am äußeren Rohrrand konzentriert sind. Verbolzte Kühlerkerneinheiten weisen in den vier Ecken des Kernes angeordnete Verstärkungsplatten auf. Diese Verstärkungsplatten besitzen eine relativ geringe Länge. Andere Einheiten erfordern eine lange Verstärkungsplatte, oder es ist hierbei eine Verstärkungsplatte mit im wesentlichen den gleichen Abmessungen wie die Kopfplatte eingesetzt worden, so daß die Ränder von beiden Platten durch Bolzen etc. befestigt und abgedichtet werden müssen.

Die Rohrlöcher der Kopfplatte und der Verstärkungsplatte werden getrennt ausgestanzt, eingeschnitten und/oder formgestanzt. Die beiden Teile werden dann zusammengebracht, ausgerichtet und in geeigneter Weise miteinander verbunden, beispielsweise durch Punktschweißen, Nieten und/oder Löten. Die Rohre werden dann in der Kopfplatteneinheit montiert und angelötet. Diese Verfahren machen zur Verdoppelung der Ergebnisse komplex ausgebildete Werkzeuge erforderlich und schließen

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Probleme von Fehlpassungen ein, wo lange Verstärkungen hergestellt werden. Die gegenwärtig vorhandenen Verstärkungen besitzen des weiteren keine hohlraumfreien Verbindungen und machen getrenntes Stanzen für die Kopfplatte und die Verstärkungsplatte erforderlich, die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Arbeitsweise zur Verteilung der Spannungen, die in den Rohr/Kopfplatten-Lötverbindungen existieren.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Verfahren zur Verstärkung der Rohr/Kopfplatten-Verbindungen in einer Wärmetauschereinheit. In diesen Verbindungen entstehen infolge van Vibrationen hohe Spannungen und des weiteren Temperaturspannungen, dxB aus der unterschiedlichen Ausdehnung des Kernes und der Wärmetauscherstruktur resultieren. Dieses Verfahren erfordert im wesentlichen einen vorläufigen Verbindungsvorgang zwischen einer Verstärkungsplatte und der Rohrkopfplatte, dem ein Lochstanzvorgang an den montierten Platten zur Herstellung der Rohrlöcher folgt. Hierauf werden die Rohre in die Löcher eingesetzt und mit der Kopfplatte und der Verstärkungsplatte verlötet. Dieses Verfahren sichert vollständige Flexibilität bei der Auswahl von verschiedenen Materialdicken für die Kopfplatte und die Verstärkungsplatte, damit diese an den jeweiligen Einsatzzweck dBS Wärmetauschers angepaßt werden können, und gleichzeitig eine perfekte Anpassung zwischen beiden Platten. Diese Flexibilität ist von entscheidender Bedeutung, um eine Anpassung an die vom Wärmetauscher geforderte Haltbarkeit zu ermöglichen, wo zahlreiche thermische Schwankungen vorhanden sind, die eine dünne Kopfplatte und eine dicke

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Verstärkungsplatte erfordern. Wenn der Wärmetauscher hohen Schockbelastungen ausgesetzt ist, ist eine dicke Kopfplatte und eine dicke Verstärkungsplatte erforderlich. Diese Änderungen können mit geringen oder ohne jegliche Änderungen der Werkzeuge erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung umfaßt des weiteren die Anordnung einer Verstärkungsplatte, die mit den Rohren und der Kopfplatte so verbunden wird, daß verringerte Spannungen in der Lötverbindung am Außenrand des Außenrohres erzeugt werden. Mit der Erfindung wird im wesentlichen folgendes erreicht:

(1) Ein größerer Lötverbindungsbereich parallel zur Längsachse des Rohres um den Rohrumfang herum;

(2) eine Versteifung des Bereiches, auf den die Verstärkungsplatte aufgebracht wird, und somit eine gleichmäßigere Verteilung der Spannungen um die Rohrlötverbindung herum und in benachbarte Rohrverbindungen; und

(3) eine Bewegung der Spannungskonzentrationen an der schwachen Lötverbindung an den Außenrohrrändern in das feste Kopfplattenmaterial an den Außenrändern der Verstärkung.

Die vorliegende Erfindung schließt des weiteren die Anordnung einer Verstärkungsplatte ein, die so mit einer Rohr/Kopfplatte verbunden wird, daß Fehlpassungen von Öffnungen dort vermieden werden, wo lange Verstärkungsplatten erforderlich sind, daß die Verwendung

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von komplexen Werkzeugen zur Verdoppelung von Ergebnissen überflüssig

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wird und daß ein ausgezeichneter Lötmassenauftrag/und eine ausgezeichnete Lötverbindung zwischen allen drei Teilen, nämlich dem Rohr, der Rohrkopfplatte und der Verstärkungsplatte, erreicht wird.

Weitere Ziele der Erfindung sind die Schaffung einer Konstruktion von größter Einfachheit, Wirksamkeit, Wirtschaftlichkeit und leichter Montage. Weitere Ziele, Vorteile und Möglichkeiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die die Ausrichtung einer Kopfplatte und einer Verstärkungsplatte zeigt, die durch das erfindungsgemäße Verfahren miteinander verbunden werden sollen;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der miteinander verbundenen Kopf- und Verstärkungsplatte;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der miteinander verbundenen Platten mit eingestanzten Rohröffnungen;

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Fig. 4 einen Schnitt im vergrößerten Maßstab entlang Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt ähnlich Fig. 4, jedoch mit den in die Öffnungen eingesetzten Rahren;

Fig. 6 einen vergrößerten Schnitt ähnlich Fig. 5, in dem eine Lötverbindung für ein Rohr dargestellt ist;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Kernes für einen Wärmetauscher, der eine Vielzahl von Rohren aufweist, die sich zwischen verstärkten Kopfplatten erstrecken und mit diesen verbunden sind;

Fig. 8 eine Draufsicht auf die verstärkte Kopfplatte und die Rohre nach Fig. 7;

Fig. 9 einen Schnitt durch sine gegenwärtig verwendete Verstärkungsverbindung mit einer eingeschnittenen Kopfplatte und einer ausgestanzten Verstärkungsplatte; und

Fig. 10 einen Schnitt durch eine andere gegenwärtig verwendete Verstärkungsverbindung mit einer formgestanzten Kopfplatte und Verstärkungsplatte.

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In Fig. 1 ist der erste Schritt zur Ausbildung einer verstärkten Rohrkopfplatte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt, pemäß dem eine Rohrkopfplatte 10, die auf die erforderliche Größe geschnitten ist und in einem Rohrrippenkern für einen Wärmetauscher (nicht gezeigt) eingesetzt werden kann, mit einer zu der erforderlichen Größe geschnittenen Verstärkungsplatte 11 ausgerichtet wird, wie durch die Pfeile A gezeigt ist. Wenn die Rohrkopfplatte und die Verstarkungsplatte ausgerichtet sind, werden sie durch Punktschweißen, Schweißen, Löten, Hartlöten oder in anderer V/eise an einer Vielzahl von Stellen 12, die etwa in einem Abstand von 2 bis 3 Zoll in der Nähe des Umfangs der Platte 11 angeordnet sind, miteinander verbunden. Die Kopfplatte 10 weist einen von der PlattB 11 freigegebenen Rand 13 auf, der mit einem Einlaß- oder Auslaßtank eines Wärmetauschers verklemmt oder in anderer Weise befestigt werden kann.

Die montierte Rohrkopf/Verstärkungsplatte wird dann in eine Formstanze oder Einschlagstanze (punch single hit die) eingebracht, um das Rohrlochmuster (s. Fig. 3) herzustellen, das Reihen von Öffnungen 14 und 15 durch die Verstärkungsplatte 11 und die Rohrkopfplatte 10 aufweist. Durch diese Stanze können alle Öffnungen gleichzeitig oder nacheinander ausgestanzt werden, wie in Fig. 4 deutlicher gezeigt ist. In Fig. 5 ist dargestellt, wie die Rohre 16 des KernBS in die Öffnungen 14,15 eingesetzt sind, wonach Lötmasse aufgebracht wird. Die Auftragung bzw. der Einzug der Lötmasse ist einwandfrei, so daß sich hohlraumfreie Verbindungen 17 am Rohr und den Außenrändern 18,19 der

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Verstärkungsplatte bzw. Rohrkopfplatte herstellen lassen. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist die Lötverbindung 17 nicht nur hohlraumfrei, sondern es wird eine geringe Menge Lötmasse 21 zwischen die Verstärkungsplatte 11 und die Kopfplatte 10 eingezogen. Des weiteren wird auch Lötmasse 17 zwischen die Verstärkungsplattenränder 18, Kopfplattenränder 19 und das Rohr 16 eingezogen, und es bildet sich ein Lötmassenwulst 22 an dem heruntergedrückten Rand 18 der Platte 11 aus.

Die Strecke zwischen dem Außenrand 23 der Verstärkungsplatte 11 und der Ruhrspitze 24 weist eine minimale akzeptierbare Abmessung auf. Diese ist so festgelegt, daß keine Verformung bei der Verstärkungsplatte 11 auftritt, die eine Lücke zwischen der Kopfplatte 10 und der Verstärkungsplatte 11 hervorrufen könnte. In Fig. 7 ist ein zusammengebauter Rohrkern 25 gezeigt, der an jedem Ende verstärkte Kopfplatten 26 aufweist, die am Einlaß- und Auslaßtank eines Wärmetauschers befestigt werden sollen. Fig. θ zeigt die fertige Kopfplatte 26 mit den darin eingelöteten Rohren. Zwischen der Kopfplatte und der Verstärkungsplatte und zwischen den Rohren IS sind Hohlräume vorhanden, wodurch jedoch die strukturelle Wirkungsweise der Kopfplatte nicht berührt wird.

Durch das vorstehend beschriebene Verfahren werden viele Probleme beseitigt, die bei der Herstellung von in wirksamer Weise verstärkten Verbindungen auftreten. Es ist nicht mehr erforderlich, komplex ausgebildete Werkzeuge zur Verdoppelung von Ergebnissen einzusetzen, und

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es wird vollständige Flexibilität bei der Änderung von Materialdicken ohne Änderung der erforderlichen Stanzen erreicht. Wie die Fig. 9 und 10 zeigen, ermöglichen die gegenwärtig verwendeten Arten von Verstärkungen keine hohlraumfreien Verbindungen. Wie in Fig. 9 dargestellt ist, besitzt die Kopfplatte 31 eingeschnittene üffnungen 32, während die Verstärkungsplatte 33 ausgestanzte üffnungen 34 besitzt. Nach der Herstellung der Löcher werden die Platten zueinander ausgerichtet und durch Punktschweißen, Nieten und/oder Löten miteinander verbunden, wonach die Rohre 35 in die Öffnungen eingeführt und dort verlötet werden. Wie man der Zeichnung entnehmen kann, bildet die Lötmasse 36 keine hohlraumfreie Verbindung, was durch dxB Hohlräume 37 angezeigt wird. Wie vorstehend erwähnt, sind zwei getrennte Stanzen erforderlich, um die Rohrkopfplatte und die Verstärkungsplatte herzustellen. Des weiteren kann auch die Blechdicke der Kopfplatte nicht geändert werden, ohne die Stanze zu ändern. Wenn eine schrittweise arbeitende Stanze verwendet wird, um die Rohrlöcher in der Kopfplatte und/oder der Verstärkungsplatte auszustanzen, können Fehlpassungen auftreten, wenn eine relativ lange Verstärkung hergestellt wird. Diese Fehlpassungen können verhindert werden, indem kleine Abschnitte zusammen durchstochen werden, was jedoch lästig ist.

Bei der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform sind sowohl die üffnungen in der Kopfplatte als auch die öffnungen in der Verstärkungsplatte durch die gleiche Stanze hergestellt. Wie man erkennen kann, weist die Kopfplatte 41 formgestanzte üffnungen 42 auf, während die

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Verstärkungsplatte 43 formgestanzte Öffnungen 44 besitzt. Wenn die Kopfplatte 41 und die Verstärkungsplatte 43 miteinander verbunden
werden, passen sie nicht zusammen, wodurch zwischen ihnen Lücken 45 entstehen. Wenn das Rohr 46 eingesetzt und Lötmasse 4? aufgebracht worden ist, können Hohlräume 48 möglich sein.

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Claims

Patentanwälte ; Dlpj. Inst'ii Dipl. Physl W.- "DipKlng.e. Dipl. Ing. W. Wehnert Dipt. Phys. W. Carstens Dr.-Ing. W. Döring Mozartstraße 23 8000 München 2 Borg-Warner Corporation South Michigan Ave. München, 3.ApJTiI 1980 Chicago/ 111. 60604,USA Anwaltsakte: M-5191 Patentansprüche

1. ^Verfahren zum Verstärken der Rohr/Kopfplatten-Verbindungen

von Wärmetauschern, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Schneiden einer Rohrkopfplatte (1O) auf Größe und Versehen einer Verstarkungsplatte (11) mit kleineren Abmessungen als die Kopfplatte, Verbinden der Verstarkungsplatte mit der Rohrkopfplatte, Ausbildung von Rohröffnungen (14) durch die miteinander verbundenen Platten, Einsetzen eines Rohres (16) in jede Öffnung und Aufbringen von Lötmasse (17) auf den Verbindungsbereich .

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrkopfplatte (1O) und die Verstarkungsplatte (11) durch Punktschweißen (12), Löten, Schweißen oder Hartlöten miteinander verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohröffnungen (14) gleichzeitig in der Kopfplatte (1O) und der Verstärkungsplatte (11) ausgebildet werden.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (14) in die Platten gestanzt werden.

5. Verfahren .nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (14) in die Platten formgestanzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rohr (16) und den Platten (10,11) ein ausgezeichneter Lötmasseneinzug und eine ausgezeichnete Lötverbindung erreicht wird·

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfplatte einen über die Verstärkungsplatte hinausgehenden Umfangsrand (13) aufweist, der an einem Kopfplattentank in einem Wärmetauscher befestigt werden kann.

8· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten in Intervallen von 2 bis 3 Zoll in der Nähe des Umfangs der Verstärkungsplatte durch Punktschweißen (12) verbunden werden, um einen übermäßigen Spalt zwischen den Platten zu verhindern.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswahl der verschiedenen Materialdicken sowohl für die Kopfplatte (1O) als auch die Verstärkungsplatte (11) vollständige Flexibilität erzielt wird, um eine Anpassung an den jeweiligen Einsatzzweck des Wärmetauschers zu ermöglichen.

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10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bevorzugte Anpassung zwischen der Kopfplatte (10) und der Verstärkungsplatte (11) mit verschiedenen Materialdicken mit geringer oder keiner Werkzeugänderung erreicht wird.

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