DE4445590C2 - Verfahren zum Aufweiten der Rohrenden von Rohren eines Wärmetauschers, Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens sowie nach dem Verfahren und mit dem Werkzeug hergestellter Wärmetauscher - Google Patents
Verfahren zum Aufweiten der Rohrenden von Rohren eines Wärmetauschers, Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens sowie nach dem Verfahren und mit dem Werkzeug hergestellter WärmetauscherInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufweiten der
Rohrenden von Rohren eines Wärmetauschers mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft
außerdem ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7. Schließlich
betrifft die Erfindung einen nach dem Verfahren und mit dem
Werkzeug hergestellten Wärmetauscher.
Mit der EP 0 387 678 A1 ist ein Wärmetauscher und ein Verfahren zur flüssigkeitsdichten Befestigung eines Rohrbodens an
Rohrenden bekannt geworden. Bei diesem Verfahren werden die
Rohrenden nach dem Herstellen des Rohr-Kühllamellen-Verbundes
vorgeformt, indem ihr großer Durchmesser verkleinert und ihr
kleiner Durchmesser vergrößert wird. Hierzu wird ein
Drückwerkzeug verwendet, welches einen komplizierten Aufbau
aufweist. Neben dem zusätzlichen Arbeitsschritt des
Vorumformens und der Verwendung eines komplizierten
Vorumformwerkzeugs wird als nachteilig angesehen, daß durch
die Aufbauchung der Rohre deren Abstand ein voneinander
gewisses Mindestmaß (Teilung) betragen muß, welches nicht
unterschritten werden kann. Selbst bei flachovalen Rohren, die
aufgrund ihres Querschnitts eine enge Teilung erlauben würden,
ist ein relativ großer Abstand erforderlich, da ihre Enden zum
Aufsetzen des Rohrbodens tulpenförmig aufgeweitet werden.
Außerdem erfordert das radiale Heranfahren des
Aufweitwerkzeugs für die Vorumformung einen gewissen Platz
neben der Rohrreihe, wodurch bei mehrreihigen Wärmetauschern
ein gewisser Mindestabstand zwischen zwei benachbarten
Rohrreihen außerdem erforderlich ist. Nach dem Aufsetzen des
Rohrbodens werden die Rohrenden durch Einführen eines
Aufweitdorns nochmals umgeformt.
Aus der US 4 570 317 ist ein Verbindungsverfahren von Rohren
mit Kühlblechen bekannt geworden, bei dem ein Ziehdorn nach
dem Aufsetzen der Kühlbleche auf die Rohre durch die Rohre
hindurchgezogen wird, wobei die Rohre zunächst in Richtung des
großen Durchmessers und anschließend in Richtung des kleinen
Durchmessers aufgeweitet werden. Eine Verbindung von Rohrenden
mit einem Rohrboden kann mit einem derartigen Ziehdorn nicht
durchgeführt werden.
Die DE 27 47 275 A1 zeigt einen Wärmetauscher mit ovalen
Rohren, bei dem die Enden der Rohre aufgeweitet werden. Dabei
wird der kleine Durchmesser der Rohre aufgeweitet. Aus der
US 5,101,561 ist ein Aufweitdorn bekannt, mit dem Rohrenden
aufgeweitet werden können.
Der JP abstract 59-29994 offenbart einen Wärmetauscher, dessen
Rohrenden aufgeweitet sind und eine Auszugsverhinderung
aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Herstellungsverfahren, ein Werkzeug
zur Durchführung eines derartigen
Verfahrens und einen Wärmetauscher bereitzustellen, mit
dem ein Wärmetauscher einfacher und dadurch
kostengünstiger herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1, mit einem Werkzeug mit den Merkmalen des
Anspruchs 7 und mit einem Wärmetauscher mit den Merkmalen
des Anspruchs 12 gelöst.
Dadurch, daß zuerst der kleine Durchmesser vergrößert wird,
wird der flache Abschnitt des Rohrendes plastisch verformt,
ohne daß die beiden stark gekrümmten Abschnitte beansprucht
werden. Da in den flachen Abschnitten sehr viel Material für
die plastische Verformung zur Verfügung steht, können hier
wesentlich größere Querschnittsverformungen vollzogen werden
als in den stark gekrümmten Abschnitten.
Dadurch, daß der Durchmesser B des Rohrendes über das Maß des
Durchmessers D hinaus vergrößert wird, bevor der Durchmesser A
erweitert wird, wird in der Überdehnung des Durchmesser D
Material gespeichert, welches bei der Vergrößerung des
Durchmessers A benötigt wird. Die Materialbeanspruchung im
gekrümmten Abschnitt des Rohrendes ist dadurch wesentlich
geringer als bei herkömmlichen Umformungsverfahren.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird beim flachen
Abschnitt des Rohrendes im wesentlichen dessen Mitte über eine
Kante am Aufweitwerkzeug aufgeweitet. Diese gerade Kante
verursacht eine örtliche plastische Verformung zuerst im
mittleren Bereich des flachen Abschnitts, die dann im Laufe
der weiteren Aufweitung sich in Richtung der gekrümmten
Abschnitte fortpflanzt. Außerdem bewirkt die Kante eine
Ausstülpung des flachen Abschnitts über den Enddurchmesser D
hinaus. Erst wenn dieser flache Abschnitt vollständig
aufgeweitet ist, und zwar über den Enddurchmesser D hinaus,
wird der Durchmesser A auf den Durchmesser C aufgeweitet. Die
beiden Durchmesser A und B werden also zwar mit einem Werkzeug
aber nacheinander aufgeweitet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der der
Rohröffnung abgewandte Teil des flachen Abschnitts des
Rohrendes beim Vergrößern des Durchmessers B gegen Kollabieren
abgestützt. Da der flache Abschnitt nach außen ausgestülpt
wird, tendiert der noch unverformte Teil des flachen
Abschnitts zum Kollabieren, was durch eine radiale innere
Abstützung verhindert wird, die außerdem die plastische
Verformung des flachen Abschnitts unterstützt.
Schließlich ist noch vorgesehen, daß nach Beendigung der
Vergrößerung des Durchmessers A auf den Durchmesser C der
flache Abschnitt örtlich mit einer einen Abzug des Rohrbodens
vom Rohrende verhindernden Aufweitung versehen wird. Diese
Aufweitung besteht z. B. in einer zusätzlichen örtlichen
Ausstülpung oder Ausbauchung des flachen Abschnitts bzw. des
gesamten Rohrendes.
Der Aufweitdorn, der in das Rohrende eingeschoben wird,
besitzt einen ersten und einen zweiten, sich an den ersten
anschließenden Aufweitabschnitt. Dabei kann der erste
Aufweitabschnitt in den zweiten Aufweitabschnitt übergehen
oder von diesem in axialer Richtung getrennt sein. Beim einen
Ausführungsbeispiel findet also ein fließender Übergang von
der Aufweitung des Durchmessers B zur Aufweitung des
Durchmesser A statt, wohingegen beim zweiten
Ausführungsbeispiel zuerst die Aufweitung des Durchmessers B
beendet wird, bevor der zweite Aufweitabschnitt den
Durchmesser A aufweitet.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist der erste Aufweitabschnitt
eine Auflaufkante auf, die in der durch dessen kleinen
Durchmesser verlaufenden Symmetrieebene liegt. Durch diese
gerade Auflaufkante wird der flache Abschnitt des Rohrendes,
wie bereits erwähnt, radial nach außen gestülpt und plastisch
so sehr verformt, daß der Durchmesser B des Rohrendes über den
Enddurchmesser D hinaus aufgeweitet wird. Außerdem bewirkt die
Auflaufkante eine Materialverdrängung in Richtung der
gekrümmten Abschnitte. Einer Eindellung bzw. einem Kollabieren
des unverformten flachen Abschnitts des Rohrendes wird dadurch
entgegengewirkt, daß dem ersten Aufweitabschnitt ein
Stützbereich vorgelagert ist, der zusätzlich als
Führungsabschnitt für den Aufweitdorn dient.
Schließlich folgt dem zweiten Aufweitabschnitt ein dritter
Aufweitabschnitt für die Ausbildung einer Auszugsverhinderung
am Rohrende.
Dadurch, daß die beiden Durchmesser der Rohrenden größer als
die entsprechenden Durchmesser der Rohre, d. h. des zwischen
den Rohrenden liegenden und die Kühllamellen tragenden
Bereichs der Rohre sind, können die Rohrböden nachdem die
Kühllamellen auf die Rohre aufgesteckt und befestigt worden
sind, auf die Rohrenden aufgesetzt werden, ohne daß diese
zuvor vorumgeformt werden müssen. Die Rohrenden weisen beim
Aufsetzen der Rohrböden einen Querschnitt auf, der dem im
Netzbereich entspricht. Da dieser Querschnitt kleiner als der
Endquerschnitt der Rohrenden und somit kleiner als die
Aufnahmeöffnungen der Rohrböden für die Rohrenden ist, müssen
diese Rohrenden vor dem Aufsetzen des Rohrbodens nicht
vorumgeformt werden. Hierdurch wird ein Verfahrensschritt
eingespart und es ist kein besonders hierzu ausgebildetes
Werkzeug erforderlich. Außerdem können die einzelnen Rohre
wesentlich dichter angeordnet werden, da sie nicht in Richtung
des kleinen Durchmessers voraufgeweitet werden.
Der Verzicht auf eine Vorumformung, insbesondere Voraufweitung
hat außerdem zur Folge, daß das Verhältnis des großen
Durchmessers C und des kleinen Durchmessers D der Rohrenden
größer als 3 : 1 ist. Durch dieses Größenverhältnis wird
insbesondere die Teilung der Rohre bestimmt.
Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Durchbrüche im
Rohrboden von Durchzügen gebildet und es sind zwischen den
Durchzügen und den Rohrenden elastische Dichtmittel
vorgesehen. Diese elastischen Dichtmittel gewährleisten eine
gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den Rohrenden
und dem Rohrboden. Dabei können die elastischen Dichtmittel
von Kunststoff- oder Gummieinsätzen, von einer elastisch
aushärtenden Dichtungspaste, z. B. Silikonpaste oder dgl.
gebildet werden. Diese elastischen Dichtmittel haben den
Vorteil, daß sie rückfedernd sind und den Spalt zwischen den
Rohrenden und den Durchzügen mit Sicherheit verschließen.
Ein ungewolltes Lösen des Rohrbodens von den Rohrenden wird
dadurch verhindert, daß der flache Abschnitt der Rohrenden auf
seinem der Rohröffnung zugewandten Teil eine Auszugs
verhinderung aufweist. Diese Auszugsverhinderung wird von
einer örtlichen Aufweitung oder Ausbauchung des kleinen
Durchmessers D gebildet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der
unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel im einzelnen dargestellt ist. Dabei
können die in der Zeichnung dargestellten und in der
Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich
oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In
der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt I-I gemäß Fig. 4 durch ein in
einen Rohrboden eingesetztes aufgeweitetes
Rohrende;
Fig. 2 eine Draufsicht II auf das aufgeweitete Rohrende
der Fig. 1;
Fig. 3 eine erste Seitenansicht eines Aufweitdorns;
Fig. 4 einen zum Längsschnitt I-I der Fig. 1
orthogonalen Längsschnitt IV-IV durch das
Rohrende; und
Fig. 5 eine zweite Seitenansicht des Aufweitwerkzeugs.
Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt I-I durch eine
Verbindung eines Rohrendes 1 eines Rohrs 2 mit einem
Rohrboden 3. Auf das Rohr 2 sind Kühllamellen 4, die
lediglich andeutungsweise dargestellt sind, aufgesteckt. Der
Rohrboden 3 weist einen Durchzug 5 auf, dessen Öffnung
größer ist als der Querschnitt des Rohres 2 und des
Rohrendes 1. Auf den Rohrboden 3 ist eine Gummidichtung 6
aufgesetzt, die einen am Durchzug 5 anliegenden, in Richtung
des Rohrs 2 sich erstreckenden Kragen 7 aufweist. Dieser
Kragen 7 befindet sich zwischen dem Rohrende 1 und dem
Durchzug 5 und stellt eine gas- und flüssigkeitsdichte
Verbindung zwischen dem Rohrende 1 und dem Rohrboden 3 her.
In der Ansicht der Fig. 1 ist der große Durchmesser A des
Rohrs 2 und der große Durchmesser C des Rohrendes 1
erkennbar, wobei der Durchmesser C deutlich größer als der
Durchmesser A ist.
Bei der Draufsicht auf das Rohrende 1 in Fig. 2 in Richtung
des Pfeils II gemäß Fig. 1 ist außerdem erkennbar, daß das
Rohrende 1 eine Ausbauchung 8 besitzt, die als
Auszugsverhinderung dient. Außerdem ist erkennbar, daß der
Querschnitt des Rohrs 2 sowie des Rohrendes 1 flachoval ist.
Das Verhältnis des großen Durchmesser C zum kleinen
Durchmesser D (Fig. 4) des Rohrendes 1 ist größer als 3 : 1,
wohingegen das Verhältnis der Durchmesser A : B im Kühlnetz
größer als 4 : 1, vorzugsweise 5 : 1 bis 6 : 1 ist.
In Fig. 4 ist ein Schnitt IV-IV gemäß Fig. 1 dargestellt,
wobei hier der kleine Durchmesser H des Rohrs 2 und der
kleine Durchmesser D des Rohrendes 1 deutlich erkennbar
sind. Außerdem ist die Ausbauchung 8 deutlich erkennbar. In
der Fig. 4 ist außerdem dargestellt, daß der Durchmesser D
des Rohrendes 1 größer als der entsprechende Durchmesser B
des Rohrs 2 ist. Ferner ist in den Fig. 1 und 4 deutlich
dargestellt, daß der Übergang vom Durchmesser B zum
Durchmesser D von der Rohröffnung 9 weiter entfernt liegt
als der Übergang vom Durchmesser A zum Durchmesser C, und in
der Regel unmittelbar nach der letzten Kühllamelle 4 liegt.
Dies bedeutet, daß mit einem Aufweitdorn 10, der in den
Fig. 3 und 5 dargestellt ist, zuerst der Durchmesser B
auf den Durchmesser D und anschließend der Durchmesser A auf
den Durchmesser C aufgeweitet wird. Außerdem ist erkennbar,
daß die Ausbauchung 8 im mittleren Bereich des flachen
Abschnitts 11 und an der Rohröffnung 9 vorgesehen ist.
Der Aufweitdorn 10 wird in Richtung des Pfeils II in die
Rohröffnung 9 eingeführt und weist einen konischen
Einführabschnitt 12 und einen sich daran anschließenden
Stützabschnitt 13 auf. Der Stützabschnitt 13 besitzt in
Fig. 3 einen Durchmesser A', der gleich oder geringfügig
kleiner als der Durchmesser A des Rohrs 2 ist. Außerdem
besitzt der Stützabschnitt 13 in Fig. 5 einen Durchmesser
B', der gleich oder geringfügig kleiner als der Durchmesser
B des Rohrs 2 ist. Somit kann der Aufweitdorn 10 mit
geringer Kraft in das den Rohrboden 3 überragende noch nicht
aufgeweitete Rohrende 1 eingeführt werden. An den
Stützabschnitt 13 schließt sich ein erster Aufweitabschnitt
14 an, der eine in der Symmetrieebene 15 liegende
Auflaufkante 16 aufweist. Diese Kante 16 erstreckt sich, wie
aus Fig. 5 ersichtlich, geradlinig und schräg von der Achse
17 und der Spitze 18 des Aufweitdorns 10 weg. Von der Spitze
19 der Auflaufkante 16 erstreckt sich der erste
Aufweitabschnitt 14 (radial betrachtet) geradlinig bis zum
großen Durchmesser A'. Im Bereich des stark gekrümmten
Abschnitts 20 des Rohrendes 1 erfolgt nur noch eine geringe
und im Scheitelpunkt keine Aufweitung in Richtung des
kleinen Durchmessers. Durch die Auflaufkante 16 wird der
flache Abschnitt 11 des Rohrendes 1 in dessen mittleren
Bereich vom Durchmesser B über den Durchmesser D hinaus
aufgeweitet, also überdehnt. Ein Kollabieren des noch nicht
verformten Bereichs des flachen Abschnitts 11 wird dadurch
verhindert, daß sich dieser mit seiner Innenoberfläche am
Stützabschnitt 13 des Aufweitdorns 10 abstützen kann.
Dem ersten Aufweitabschnitt 14 folgt ein zweiter
Aufweitabschnitt 21 mit schräg vom Durchmesser D zum
Durchmesser C verlaufender Kante 21', mit dem der
Durchmesser A des Rohrs 2 auf den Durchmesser C des
Rohrendes 1 aufgeweitet wird. Dabei wird der stark gekrümmte
Abschnitt 20 verformt und der über den Durchmesser D hinaus
verformte und überdehnte flache Abschnitt 11 auf den
Durchmesser D rückverformt. Dieser flache Abschnitt stützt
sich nun am Kalibierabschnitt 22 des Aufweitdorns 10 ab, der
gemäß den Fig. 3 und 5 einen großen Durchmesser C und
einen kleinen Durchmesser D entsprechend dem Rohrende 1
besitzt. Dieser Kalibierabschnitt 22 ist mit einer
Aufweitwarze 23 versehen, mit der die Ausbauchung 8 gebildet
wird.
Aus der Zeichnung ist deutlich erkennbar, daß das Rohrende 1
einen größeren Querschnitt als das Rohr 2 aufweist und daß
zuerst der kleine Durchmesser und anschließend der große
Durchmesser umgeformt werden. Hierfür bedarf es eines
einzigen Aufweitdorns 10, der über eine einzige
Zustellbewegung in Richtung des Pfeils II sämtliche
Umformungen durchführt.
Claims (16)
1. Verfahren zum Aufweiten der Rohrenden (1) von Rohren (2)
eines Wärmetauschers, wobei die Rohre (2) einen ovalen,
insbesondere flachovalen Querschnitt mit einem großen
Durchmesser (A) und einem kleinen Durchmesser (B)
aufweisen, und die aufgeweiteten Rohrenden (1) ebenfalls
einen ovalen Querschnitt mit einem großen Durchmesser (C)
und einem kleinen Durchmesser (D) aufweisen, dadurch
gekennzeichnet, dass mit einem Aufweitdorn (10) zuerst
der kleine Durchmesser (B) des Rohres (2) auf den Durch
messer (D) des Rohrendes (1) und anschließend der große
Durchmesser (A) des Rohrs (2) auf den Durchmesser (C) des
Rohrendes (1) vergrößert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Durchmesser (B) des Rohres (2) über das Maß des
Durchmessers (D) hinaus vergrößert wird, bevor der
Durchmesser (A) vergrößert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Rohrboden (3) ohne vorherige Vorumformung der
Rohre (2) auf diese aufgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der flache Abschnitt (11) der
Rohrenden (1) im wesentlichen in seiner Mitte über eine
Kante (16) am Aufweitwerkzeug (10) aufgeweitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der der Rohröffnung (9) abgewandte
Teil des flachen Abschnitts (11) des Rohrendes (1) beim
Vergrößern des Durchmessers (B) gegen Kollabieren
abgestützt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass nach beendeter Vergrößerung des
Durchmessers (A) der flache Abschnitt (11) örtlich mit
einer einen Abzug des Rohrbodens (3) vom Rohrende (1)
verhindernden Aufweitung (8) versehen wird.
7. Werkzeug zum Aufweiten der Rohrenden (1) von Rohren (2)
eines Wärmetauschers zur Durchführung eines Verfahrens
nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass das Werkzeug entgegen der Einführrichtung (II)
zuerst einen Stützabschnitt (13) mit Abmessungen (A', B')
aufweist, die etwa denen des ungeweiteten Rohres (2)
entsprechen, dann einen ersten Aufweitabschnitt (14)
aufweist, mit dem das Rohr (2) vom kleinen Durchmesser
(B) auf einen kleinen Durchmesser (D) aufgeweitet wird,
und anschließend einen zweiten Aufweitabschnitt (21)
aufweist, mit dem das Rohr (2) vom großen Durchmesser (A)
auf einen großen Durchmesser (C) aufgeweitet wird.
8. Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Aufweitabschnitt (14) in den zweiten Aufweitab
schnitt (21) übergeht oder von diesem in axialer Richtung
getrennt ist.
9. Werkzeug nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Aufweitabschnitt (14) eine Auflaufkante
(16) aufweist, die in der durch dessen kleinen
Durchmesser (D) verlaufenden Symmetrieebene (15) liegt.
10. Werkzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass dem zweiten Aufweitabschnitt (21)
ein dritter Aufweitabschnitt (23) für eine
Auszugsverhinderung folgt.
11. Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der dritte Aufweitabschnitt (23) in einem Kalibrierab
schnitt (22), der einen großen Durchmesser (C) und einen
kleinen Durchmesser (D) aufweist, liegt.
12. Wärmetauscher, der durch ein Verfahren nach
einem der Ansprüche 1 bis 6 und mit einem Werkzeug nach
einem der Ansprüche 7 bis 11 hergestellt wird.
13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis der Durchmesser (C) : (D) der Rohrenden
(1) größer als 3 : 1 ist.
14. Wärmetauscher nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Durchbrüche im Rohrboden (3) von
Durchzügen (5) gebildet werden und dass zwischen den
Durchzügen (5) und den Rohrenden (1) elastische
Dichtmittel vorgesehen sind.
15. Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
dass die elastischen Dichtmittel von Kunststoff- oder
Gummieinsätzen (6), von einer elastisch aushärtenden
Dichtungspaste, z. B. Silikonpaste oder dgl. gebildet
werden.
16. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, dass die Auszugsverhinderung von einer
örtlichen Aufweitung (8) des Durchmessers (D) gebildet
wird.
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