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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines
Wärmetauschersystems nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Bei Wärmetauschern des sogenannten "mechanische Aufweitung"-
Typs wird die Verbindung zwischen den Röhren und den sich
orthogonal zu den Röhren erstreckenden, externen Kühllamellen
durch Röhrenaufweitung erreicht, welche eine permanente
radiale Verformung jeder Röhre und eine elastische Verformung
des entsprechenden Lochs in der Lamelle erzeugt, durch
welches die Röhre hindurchgeht, ohne die Notwendigkeit weiterer
Schweiß- oder Haftverfahren. Bei der Röhrenaufweitung runder
Röhren mit glattem Inneren verformt ein geeignetes
Erweiterungswerkzeug oder geeigneter Dorn mit Spitzbogenform die
Röhre plastisch und verformt die Lamellen elastisch, um einen
festen mechanischen Kontakt zwischen den beiden Teilen zu
erzeugen.
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Röhrenaufweitungsverfahren sind aus den Druckschriften US-
A4,706,355 und FR-A-2,647,375 bekannt, welche einen Dorn mit
einer starren Oberfläche verwenden, durch welche die radiale
Aufweitung der Röhre gleichzeitig mit der Riefelung der
Innenfläche erreicht werden kann. Aufgabe der Riefelung der
Innenwandung der Röhre ist es, den Wärmetauschwirkungsgrad
durch eine Vergrößerung des Flächenkontakts zwischen der
Röhre und dem durch diese zirkulierenden Fluid zu vergrößern.
Die während des Röhrenaufweitungsverfahrens gebildeten
gerieften Linien in den Röhren haben im Vergleich zur Dicke der
Röhrenwandung eine sehr kleine radiale Abmessung und können
in keinem Ball eine der Dicke der Röhrenwandung nahekommende
Abmessung erreichen. Wegen der kleinen Abmessungen der
gerieften Linien können derartige Röhren nur in Wärmetauschern
verwendet werden, welche von Fluiden mit geringem
Schmutzanteil, z.B. FREON, durchströmt werden, und können weder mit
Fluiden verwendet werden, welche Gefrierschutzzusätze des in
den Kühlern von Kühlkreisen von Kraftfahrzeugmotoren
verwendeten Typs enthalten, noch mit ähnlichen Fluiden mit einem
hohen Schmutzanteil. Tatsächlich würden die gerieften Linien
in Anbetracht der Tatsache, daß Gefrierschutzfluide und dgl.
zur Ablagerung von Kristallen führen im Laufe der Zeit völlig
verstopft werden und die aus der Riefelung der Innenfläche
der Röhre resultierenden Vorteile würden zunichte gemacht.
Ferner werden geriefte Röhren im allgemeinen aus Kupfer
hergestellt, während Aluminium (welches wegen seiner
niedrigeren Kosten bevorzugt würde) aufgrund seiner
unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften und Verhaltens während des
Röhrenaufweitungsverfahrens nicht verwendbar ist. Tatsächlich
führt Aluminium dazu, die während des
Röhrenaufweitungsverfahrens verwendeten Werkzeuge zu verunreinigen und sie
anhaftend zu machen, wodurch das Verfahren selbst schwierig
wird.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauscheranlage ist
aus der FR-A-2,369,033 bekannt, bei welchem die Röhren an den
äußeren Lamellen durch Röhrenaufweitung festgelegt sind. Die
FR-A-2,369,033 schlägt die Verwendung von ES-geschweißten
Röhren vor, welche durch das Rollen eines Metallstreifens und
das Verschweißen seiner zusammengeführten Ränder erzielt
werden. Der Schweißvorgang erzeugt eine longitudinale
Schweißraupe, welche sowohl von der Außenwandung als auch der
Innenwandung der Röhre vorsteht. Um Röhren mit einer inneren
Schweißraupe aufzuweiten, schlägt die FR-A-2, 369, 033 die
Verwendung eines eine Mehrzahl von Rillen aufweisenden
Röhrenaufweitungswerkzeugs vor, wobei eine der Rillen zum
Aufnehmen der Schweißraupe während des Einführen des Werkzeugs
in die Röhre bestimmt ist. Es ist ferner bereits die
Verwendung eines Röhrenaufweitungswerkzeugs vorgeschlagen worden,
welches die Schweißraupe während der Aufweitung der Röhre
entfernt.
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Wärmetauscherhersteller neigen gegenwärtig dazu, den
Wärmetauscherwirkungsgrad durch Verwendung von Röhren mit ovalen
oder abgeflachten Querschnitten zu verbessern, welche bei
gleichem Strömungsquerschnitt größere Wärmetauscherflächen
haben als Röhren mit kreisförmigem Querschnitt.
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Es ist bekannt, daß Röhren mit inneren Längsrippen größere
Wärmetauscherflächen bereitstellen und in dem Fluid eine
größere Turbulenz erzeugen. Bis jetzt jedoch ist die
Verwendung von Röhren mit Innenrippen nicht für die Herstellung von
Wärmetauschern des Typs mit äußeren Lamellen vorgeschlagen
worden, wobei die Lamellen an den Röhren durch mechanische
Aufweitung der Röhren angebracht werden.
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Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Herstellung einer Wärmetauscheranlage bereitzustellen, welches die
Verwendung von Röhren mit Innenrippen ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein die im Anspruch
1 festgelegten Eigenschaften aufweisendes Verfahren erzielt.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren werden Röhren verwendet,
welche Innenrippen mit einer größeren Dicke als die Dicke der
Röhrenwandung aufweisen, wodurch die Wärmetauscherfläche
beträchtlich vergrößert ist. Im Hinblick auf die
beträchtlichen Abmessungen der Innenrippen können diese Röhren ohne
Nachlassen des Wirkungsgrads im Laufe der Zeit mit Fluiden
betrieben werden, welche hohe Schmutzanteile haben. Ferner
können die Röhren aus Aluminium, Kupfer oder jedem anderem
Material ohne Beeinträchtigung des Röhrenaufweitungsvorgangs
erzeugt werden. Im Hinblick auf die Dynamik der Fluidströmung
vergrößern die Röhren mit Innenrippen zusätzlich zur
nennenswerten Vergrößerung der Wärmetauscherfläche die
Geschwindigkeit und das Turbulenzniveau des hindurchströmenden Fluids,
insbesondere dann, wenn sich die Rippen relativ zu der
Röhrenachse spiralig erstrecken. All dies führt zu einer
Gesamtvergrößerung des Wirkungsgrads des Wärmetauschers im
Vergleich zu demjenigen eines Wärmetauschers mit innen glatten
Röhren der gleichen Abmessungen.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch
die folgende detaillierte Beschreibung deutlich werden,
welche anhand eines nicht einschränkenden Beispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, in denen:
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Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines in dem
Verfahren der Erfindung verwendeten Röhrenaufweitungswerkzeugs ist,
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Figur 2 eine zusammengesetzte Darstellung eines das Verfahren
der Erfindung verwendenden Flüssigkeits/Luft-Wärmetauschers
ist,
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Figur 3 den Vorgang der Röhrenaufweitung mit dem in Figur 1
dargestellten Werkzeug zeigt,
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Figur 4 ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV von Figur 3
ist,
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Figur 5 ein Figur 4 ähnlicher Querschnitt ist, welcher eine
alternative Form der Rippen der Röhren zeigt,
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Figur 6 ein Longitudialquerschnitt einer Röhre mit sich
spiralig erstreckenden Innenrippen ist,
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Figur 7 ein Querschnitt entlang der Linie VII-VII von Figur 6
ist,
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Figur 8 eine Seitenansicht ist, welche eine bei dem Verfahren
der Erfindung verwendete Komponente zeigt, welche besonders
gut für die Röhrenaufweitung einer Röhre nach den Figuren 6
und 7 geeignet ist,
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Figur 9 ein schematischer Querschnitt ist, welcher die
Röhrenaufweitung einer Röhre unter Verwendung des Werkzeugs von
Figur 1 zeigt und
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Figur 10 ein schematischer Querschnitt ist, welcher die
Verwendung eines Röhrenaufweitungswerkzeugs mit alternativer
Gestalt zeigt.
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In Figur 1 ist ein Röhrenaufweitungswerkzeug allgemein mit 10
bezeichnet und weist einen ersten Endabschnitt 12 mit Faß
gestalt und einen zweiten Abschnitt 14 auf, welcher ebenfalls
von Faßgestalt ist und einen größeren Maximaldurchmesser
aufweist als der Maximaldurchmesser des ersten Abschnitts 12.
Der zweite Abschnitt 14 ist mit einer bewegbaren Welle 16
verbunden, welche in bekannter Weise durch eine
Betätigungseinheit betreibbar ist, um ihre
Longitudinaltranslationsbewegung anzutreiben.
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Wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, wird das Werkzeug 10 dazu
verwendet, eine Röhre 18 mit einer Mehrzahl von Innenrippen
20 aufzuweiten. Die Rippen 20 sind während eines
Extrusionsvorgangs einheitlich mit der Außenwandung der Röhre geformt.
Von der Anmelderin durchgeführte Tests haben ergeben, daß
eine beträchtliche Vergrößerung des
Wärmetauscherwirkungsgrads mit einer Rippenzahl gleich oder größer als 2 und mit
einer Radialdicke der Rippen (in Figur 4 angedeutet durch H)
gleich oder größer als 10% des Außendurchmessers der Röhre
(in Figur 4 mit D angedeutet) erreicht wird. Die in dem
erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Röhren mit inneren
Radialrippen unterscheiden sich wesentlich von den Röhren mit
inneren gerieften Flächen, insofern die Radialdicke H der
Rippen 20 größer als die Dicke S der Röhrenwandung ist.
Ferner ist das Verhältnis zwischen der von jeder Rippe
eingenommenen Querfläche und der Innenfläche der als glatt
betrachteten Röhre gleich oder größer als 2%.
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Das Röhrenaufweitungswerkzeug 10 weist eine der Anzahl der
Innenrippen 20 der Röhre 18 entsprechende Anzahl von
Longitudinalausnehmungen 22 in seiner Außenfläche auf. Die
Ausnehmungen 22 sind wie die Innenrippen 20 voneinander winkelmäßig
beabstandet und weisen eine Breite und eine Tiefe auf, welche
größer ist als die Höhe und die Breite der Rippen 20 (Figur
4).
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Der erste Abschnitt 12 des Werkzeugs 10 hat ein geformtes
Ende 24 (Figur 1) mit vier dreieckartigen Spitzen 26, von
denen jede eine Außenfläche 28 und zwei mit den Ausnehmungen
22 verbundene Innenflächen 30 aufweist, um die
Selbstzentrierung der Röhre 18 relativ zu dem Werkzeug 10 ohne die
Notwendigkeit einer Vorzentrierung des Werkzeugs und der Röhre zu
ermöglichen.
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In Figur 2 ist eine Wärmetauscheranlage mit 32 bezeichnet und
von einer Gruppe metallener Kühllamellen 34 gebildet, welche
sich orthogonal zu den Achsen der Röhren 18 erstrecken. Die
Röhren 18 werden mit Spiel in entsprechende Serien von
ausgerichteten Löchern in den Lamellen eingeführt, ehe der
endgültige Zusammenbau durch die Aufweitung der Röhren bewirkt
wird.
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Figur 3 zeigt die Röhrenaufweitungsphase einer Röhre 18 gegen
Ansätze 35 der Lamellen 34. In Figur 3 ist das
Aufweitungswerkzeug 10 strichpunktiert dargestellt, wobei die Funktion
des zur Durchführung einer einleitenden Verformung der Röhre
18 angepaßten Abschnitts 12 und des zum Folgen der
anfänglichen Verformung angepaßten Abschnitts 14 klar ist und
derart ist, daß ein Eingriff zwischen den Ansätzen 35 der
Lamellen 34 und der Röhre 18 in der Größenordnung eines
Zehntel Millimeters gewährleistet ist. Es ist möglich, ein
Aufweitungswerkzeug eines Typs zu verwenden, welcher sich von
dem in den Zeichnungen dargestellten Typ unterscheidet, z.B.
ohne die Unterteilung in zwei Abschnitte (im wesentlichen
kann das Aufweitungswerkzeug einzig von dem direkt mit der
bewegbaren Welle 16 verbundenen Endabschnitt 12 mit einem
geeignet vergrößerten Durchmesser gebildet sein).
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Bei der in Figur 5 dargestellten Variante weisen die Lamellen
20 eine Abmessung auf, welche sich radial von einem
Minimalwert L&sub1; bis zu einem Maximalwert L&sub2; verändert. Die Rippen 20
haben in der Nähe der Innenwandung der Röhre 18 eine kleinere
Breite. Die Ausnehmungen 22 des Röhrenaufweitungswerkzeugs 10
weisen ein hinterschnittenes Profil mit einer Minimalbreite
in Übereinstimmung mit der Außenfläche des Werkzeugs auf.
Durch diese Lösung kann die Breite der Zonen, in welchen kein
Kontakt zwischen dem Aufweitungswerkzeug 10 und der
Innenwandung der Röhre 18 vorliegt, verringert werden, um das
Erzielen eines regelmäßigeren Profils der Röhre am Ende des
Röhrenaufweitungsvorgangs zu ermöglichen.
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Figur 9 zeigt schematisch die Verformung einer Röhre als
Ergebnis der mit einem Werkzeug 10 durchgeführten
Röhrenaufweitung, wobei die Außenflächen des Werkzeugs einen um einige
Zehntel Millimeter größeren Krümmungsradius R aufweisen als
der Radius der Innenwandung der Röhre 18. Die Außenfläche der
Röhre 18 wird in Entsprechung mit den Zonen, in welchen die
Rippen 20 angeordnet sind, in einem geringeren Maße verformt.
Dementsprechend können Zonen 36 gebildet werden, in welchen
der Kontakt zwischen der Außenwandung der Röhre 18 und dem
Ansatz 35 der Lamelle 34 weniger fest ist.
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Die mit Bezug auf Figur 5 beschriebene Lösung neigt dazu,
dieses Problem durch Verringerung der Zonen zu begrenzen, in
welchen kein Kontakt zwischen dem Aufweitungswerkzeug und der
Innenwandung der Röhre 18 besteht.
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Figur 10 zeigt eine Lösung, welche dazu führt, daß dieses
gleiche Problem durch eine unterschiedliche plastische
Verformung der Röhre überwunden wird. In diesem Fall weisen die
Oberflächen des Aufweitungswerkzeugs 10 zwischen zwei
benachbarten Ausnehmungen 22 einen kleineren Krümmungsradius R&sub1; auf
als der Radius der Innenwandung der Röhre 18. Die gekrümmten
Abschnitte mit Radius R&sub1; sind mit flachen Oberflächen
verbunden, welche von der Achse des Werkzeugs einen Abstand
aufweisen, der geringfügig größer ist als der Radius R der
Innenwandung der Röhre 18. Die Ausnehmungen 22 öffnen sich in
die Flächen, welche zwei benachbarte gekrümmte Abschnitte
verbinden.
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Das in Figur 10 dargestellte Aufweitungswerkzeug bewirkt eine
plastische Verformung der Röhre in einem maximalen Ausmaß
entlang der radialen Richtungen zwischen den Rippen 20 und in
einem minimalen Ausmaß entlang der radialen Richtungen
entsprechend den Rippen 20. Dementsprechend nimmt die verformte
Röhre eine im allgemeinen polygonale Konfiguration mit der
gleichen Anzahl von Seiten wie die Anzahl der Rippen 20 ein.
Dieser Aufweitungstyp bewirkt, daß der Ansatz 35 der Lamelle
34 sich derart elastisch verformt, daß die Röhre 18 in den
Zonen maximaler Aufweitung gegen den Ansatz gebracht wird und
als Reaktion in den Zonen minimaler Aufweitung der Ansatz
gegen die Röhre 18 gebracht wird.
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Die Figuren 6 und 7 zeigen eine mit spiraligen Innenrippen 20
versehene Röhre. Um diese Röhren aufzuweiten, wird das
schematisch
in Figur 8 dargestellte Werkzeug verwendet. Dieses
Werkzeug weist zwischen den bewegbaren Antriebswellen 16 des
Aufweitungswerkzeugs 10 und einer Betätigungseinrichtung 37
mit unter Druck stehendem Fluid Drucklager 38 auf, um ein
Drehen der Werkzeuge 10 in den jeweiligen Röhren 18 während
des Röhrenaufweitungsvorgangs zu ermöglichen. Die Drehung der
Werkzeuge 10 wird durch den Kontakt der Rippen 20 mit den
Seitenwandungen der Ausnehmungen 22 bewirkt.
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Wie in den Figuren 11 und 12 dargestellt, sieht das
erfindungsgemäße Verfahren auch die Verwendung sich konisch
erweiternder Werkzeuge 40 vor, welche auch mit
Longitudinalausnehmungen 42 mit einer Gestalt und Abmessung entsprechend
denjenigen der Rippen 20 der Röhren 18 versehen sind. Die
sich konisch erweiternden Werkzeuge 40 werden in die Enden
der Röhren 18 eingeführt, um eine feste mechanische
Verbindung zwischen den Röhren 18 und der Verteilerplatte 44 unter
Zwischenanordnung einer Dichtung 46 aus Elastomermaterial
vorzusehen.