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Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von
Wärmetauschern, insbesondere für Kraftfahrzeuge, und bezieht
sich auf ein Verfahren zur Befestigung einer Endplatte an
einem Wärmeaustauschsystem umfassend eine Mehrzahl von
Rohren mit länglichem Querschnitt, bei dem die Enden der Rohre
so geformt werden, daß sie einen kreisförmigen Querschnitt
aufweisen, bevor sie in dichtende, in entsprechenden
Öffnungen in der Endplatte angeordneten Manschetten mit
kreisförmigem Querschnitt eingepaßt werden, und bei dem die
Rohre nach dem Einpassen in die dichtenden Manschetten
durch radiales Dehnen ihrer Enden an der Endplatte
befestigt werden.
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In einem Wärmetauscher der oben beschrieben Art ist das
Formen der Enden der Rohre notwendig, um eine wirksame und
dauerhafte Verbindung zwischen den Endplatten und den Enden
der Rohre zu erreichen. Da die Endplatten zur Befestigung
der Endbehälter dienen, welche die im Wärmeaustauschsystem
zirkluierende Flüssigkeit enthalten, muß ihre Befestigung
an den Enden der Rohre mechanisch sehr stabil sowie
flüssigkeitsdicht sein.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß es bei Rohren mit länglichem
Querschnitt (insbesondere mit einem sehr hohen Verhältnis
zwischen den maximalen und minimalen Dimensionen des
Querschnittes des Rohres) sehr schwierig ist, nur durch
Erweitern (Aufbördeln) der Enden der Rohre diese mit den
Endplatten mechanisch stabil und flüssigkeitsdicht zu
verbinden. In diesem Fall ist eine feste Verankerung der Wände
der Rohre, die sich parallel zu den Hauptachsen ihrer
Querschnitte erstrecken, ziemlich problematisch. Somit besteht
trotz der Erweiterung der Enden der Rohre die Gefahr, daß
die Wände der Rohre parallel zu ihren Hauptachsen brechen,
wodurch die mechanische Verbindung und die Dichtheit des
Wärmetauschers unsicher wird.
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Ein Verfahren zum Formen des Endes eines
Wärmetauscherrohres mit länglichem Querschnitt zu einem runden Querschnitt
ist aus dem franzosischen Patent Nr. 2,462,215 bekannt. Die
in dieser Schrift beschriebene Methode umfaßt zwei
Schritte, nämlich einen Schritt, in dem das Ende des Rohres
radialem Pressen unterworfen wird, und einen weiteren
Schritt, in dem ein Bördelstempel in das Ende eingepreßt
wird. Wenn die radiale Verformung zuerst erfolgt, wird das
Ende des Rohres zwischen zwei Backen gepreßt, die senkrecht
zur Achse des Rohres entlang der Hauptachse seines
Querschnittes bewegbar sind. Wenn der Bördelstempel zuerst in
das Ende des Rohres eingepreßt wird, erfolgt das
darauffolgende radiale Pressen mit Hilfe einer Buchse mit einem
konisch erweiterten Ende, welche entlang der Achse des
Rohres bewegbar ist.
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Aus praktischen Gründen weist die zwei Stufen umfassende
Methode zum Formen der Enden der Rohre verschiedene
Nachteile auf. Insbesondere kann das radiale Pressen mit Hilfe
von Backen, die senkrecht zur Achse des Rohres bewegbar
sind, bei Wärmetauschern mit zwei oder drei Rohrreihen
nicht ohne weiteres angewandt werden, da dabei zuviel Raum
zwischen den Reihen erforderlich wäre. Bei der Lösung, bei
der die radiale Verformung mit Hilfe einer entlang der
Achse des Rohres verschiebbaren Buchse bewirkt wird, treten
Schwierigkeiten beim Entfernen der Werkzeuge von den Enden
der Rohre auf, da nach erfolgtem Formen sowohl die Buchse
als auch der Bördelstempel mit dem Ende des Rohres
gekuppelt sind. Auf jeden Fall sind bei den zwei Stufen
umfassenden Formverfahren die Formwerkzeuge und -maschinen
komplexer als bei einem einstufigen Formverfahren.
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Bei einem aus der britischen Schrift Nr. 2,055,064
bekannten Verfahren zum Formen des Endes eines Metallrohres mit
länglichem Querschnitt zu einem runden Querschnitt erfolgt
das Formen in einem einzigen Schritt mit Hilfe eines
Bördelstempels mit einem zylindrischen Körper, welcher in das
Ende des Rohres eingepreßt wird. Diese Lösung ist
ungeeignet für Rohre mit einem Verhältnis im Bereich von 3:1
oder mehr zwischen ihren maximalen und minimalen
Durchmessern. Die Fig. 10 der beiliegenden Zeichnungen zeigt die
Form, welche ein Rohr 1 mit einem Verhältnis im Bereich von
3:1 zwischen seinen äußersten Durchmessern als Ergebnis
einer radialen Verformung von innen mit Hilfe eines
Stempels 2 annehmen würde. Die Krümmungen 3 mit kleinerem
Radius bleiben eher unverformt, da sie eine größere
Steifigkeit als der Rest der Wand aufweisen. Ein gleichmäßigerer
runder Querschnitt könnte durch die Verwendung eines
Stempels mit größerem Durchmesser erzielt werden, aber dadurch
würden die Wände des Rohres zu stark gedehnt werden. Dieses
Dehnen würde die Durchführung des darauffolgenden Schrittes
schwierig gestalten, bei dem die Enden der Rohre an den
dichtenden Manschetten in der Endplatte durch radiales
Dehnen befestigt werden. Zwei aufeinanderfolgende Schritte, in
denen die Wände des Rohres gedehnt werden, erhöht das
Bruchrisiko in den Wänden beträchtlich. Weiters erfordern
größere Durchmesser der Enden der Rohre mehr Raum zwischen
den Rohrreihen im Wärmeaustauschsystem.
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Zur Beseitigung der vorher erwähnten Probleme schafft die
vorliegende Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 bzw. ein Werkzeug mit den Merkmalen des
Anspruchs 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Rohre
in einem einzigen Schritt durch radiales Pressen von außen
geformt werden, und daß die Enden der Rohre in die
dichtenden Manschetten ohne weitere Verformung eingepaßt werden.
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Im Vergleich zu den zweistufigen Formverfahren ist das
erfindungsgemäße Verfahren schneller, erfordert einfachere
Werkzeuge und ermöglicht eine Vereinfachung der Maschinen,
welche die Werkzeuge bewegen, da die Maschinen nur eine
Bewegung und nicht zwei Bewegungen, wie sie bei Zwei-Stufen-
Verfahren erforderlich sind, bewirken müssen.
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Im Vergleich zur Lösung, bei der das Ende des Rohres von
innen mit Hilfe eines Stempels gedehnt wird, besteht hier
der Vorteil, daß das übermäßige Dehnen der Wände des
Rohres, insbesondere bei einem hohen Verhältnis zwischen den
maximalen und minimalen Durchmessern seines Querschnittes,
vermieden wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung besser
ersichtlich, welche ein nichteinschränkendes Beispiel
darstellt und in der Bezug genommen wird auf die beiliegenden
Zeichnungen, in denen:
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Die Fig. 1 ein Querschnitt eines Teiles eines
Wärmeaustauschsystems in einem Stadium des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist,
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die Fig. 2 ein Querschnitt entlang der Linie 11-11 der Fig.
1 ist,
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die Fig. 3 und 4 Ansichten ähnlich der Fig. 1 sind, wobei
weitere zwei Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt sind,
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die Fig. 5 eine Draufsicht eines Werkzeugs zum Formen der
Enden der Rohre ist,
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die Fig. 6 und 7 Querschnitte entlang der Linien VI-VI und
VII-VII der Fig. 5 sind,
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die Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Endes eines
Rohres geformt mit Hilfe des Werkzeuges der Fig. 5 ist,
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die Fig. 9 eine Ansicht entlang des Pfeiles IX der Fig. 8
ist, und
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die Fig. 10, welche bereits vorher erwähnt wurde, eine
schematische Ansicht ist, in der das Formen eines Rohres
mit Hilfe eines Verfahrens des Standes der Technik
dargestellt ist.
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Ein in den Fig. 1 und 2 der Zeichnungen dargestelltes, mit
10 bezeichnetes Wäremaustauschsystem umfaßt eine Vielzahl
von Rohren 12 mit flachen Querschnitten, jeweils bestehend
aus zwei geraden Linien 14 und zwei halbkreisförmigen
Verbindungsabschnitten 16. Die maximalen und minimalen
Dimensionen des Querschnittes jedes Rohres 12 werden mit und
bezeichnet; das Verhaltnis / liegt im Bereich von 3:1. In
dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Rohre 12 in zwei parallelen Reihen 18, 20
angeordnet.
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Die Rohre 12 sind an Metallrippen 22 befestigt, welche
übereinander entlang den Längsachsen der Rohre 12
angeordnet sind. In bekannter Weise haben die Rippen 22 Löcher,
die den Profilen der Rohre 12 entsprechende Formen
aufweisen und in denen die Rohre 12 mit geringem radialen Spiel
eingepaßt sind. Die Rohre 12 sind an den Rippen 22 in
bekannter Weise durch Dehnen der Rohre 12 befestigt.
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Nach dem Befestigen der Rohre 12 an den Rippen 22 zur
Bildung des Wärmeaustauschsystems 10, werden die Enden 24 der
Rohre an einer Endplatte 26 (Figuren 3 und 4) befestigt,
welche die untere Wand eines Endbehälters (nicht
dargestellt) zum Sammeln der in den Rohren 12 zirkulierenden
Kühlflüssigkeit bildet. Wie in den Fig. 3 und 4
dargestellt, hat die Endplatte 26 eine Vielzahl von Löchern 28
mit kreisförmigem Querschnitt, in welchen dichtende
Manschetten 30 einer Dichtung 32 aus elastomerem Material
angeordnet sind.
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Bevor die Enden 24 der Rohre 12 in die dichtenden
Manschetten 30 eingesetzt werden, werden die Enden 24 mit Hilfe von
entsprechenden Werkzeugen 34 so geformt, daß sie einen
kreisförmigen Querschnitt erhalten, wie in den Fig. 1 und 5
bis 7 gezeigt. Jedes Werkzeug 34 besteht aus einem
Metallkörper mit einem Hohlraum 36 mit einer Öffnung 38. In einem
Abstand e von der Öffnung 38 entlang der Achse des
Hohlraumes 36 ist der Querschnitt des Hohlraumes 36 kreisförmig.
Ein Abschnitt 40 des Hohlraumes 36 hat eine sich
verjüngende Wand, welche mit 2-3º zur Längsachse des Hohlraumes
36 geneigt ist. Die Länge des Abschnittes 40 ist gleich der
gewünschten Länge des Endabschnittes mit kreisförmigem
Querschnitt jedes Rohres 12. Am Ende des Hohlraumes 36
befindet sich ein Verbindungsabschnitt 42 mit dem Radius R,
welcher dem äußeren Rand des Rohres einen vollständig
kreisförmigen Querschnitt verleiht und dieses dadurch
leichter in eine Öffnung in einer dichtenden Manschette 30
durch Bildung einer Art Einlaß paßt. Der Hohlraum 36 steht
mit einer Öffnung 44 zur Befestigung des Werkzeugs 34 an
einem Rahmen (nicht dargestellt) in Verbindung, welcher die
Werkzeuge 34 entlang der durch den Pfeil 46 in Fig. 1
angedeuteten Linie bewegt. Die Öffnung 38 hat einen ovalen
Querschnitt und eine maximale Dimension , welche etwas
größer ist als die maximale Dimension des Querschnittes
des nichtverformten Rohres 12. Die mit bezeichnete
minimale Dimension der Öffnung 38 ist gleich oder größer als
der maximale Durchmesser des Abschnittes 40 mit
kreisförmigem Querschnitt des Hohlraumes 36. Die Öffnung 38 ist mit
dem sich verjüngenden Abschnitt 40 des Hohlraumes 36 mit
Hilfe eines Verbindungsbereiches verbunden, welcher zwei
gegenüberliegende Flächen 50 aufweist, welche bei Betrieb
allmählich ansteigenden Druck auf die Wände 16 des Rohres
12 ausüben, welche den geringsten Krümmungsradiums
aufweisen.
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Die Enden 24 der Rohre 12 werden durch Einpressen in die
entsprechenden Hohlräume 36 der Werkzeuge 34 geformt. Die
Verjüngung des Abschnittes 40 jedes Hohlraumes 36
erleichtert das Entfernen der Werkzeuge 34 bei Beendigung des
Formvorganges. Die Fig. 8 zeigt das Ende eines Rohres 12,
welches geformt wurde. Das Werkzeug 34 bewirkt kein Dehnen
des Materials in den verformten Bereichen. Nach dem Formen
ist der Umfang des Endes 24 gleich oder geringfügig kürzer
als der Umfang des nichtverformten Abschnittes des Rohres
12.
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Nach dem Formen der Enden 24 der Rohre 12 mit Hilfe der
Werkzeuge 34, werden die Enden 24 in die zylindrischen
Öffnungen in den dichtenden Manschetten mit radialem Spiel
eingepaßt (siehe Fig. 3). Stempel 52 werden dann in die
Enden der Rohre 12 eingeführt, um die Enden 24 radial gegen
die dichtenden Manschetten 30 zu erweitern. Durch dieses
Erweitern werden die Rohre 12 mit der Endplatte 26
mechanisch und fluiddicht verbunden. Während des Erweiterns
werden die Ränder 24a des Endes 24 umgebördelt, sodaß die
durch das Erweitern des Endes 24 entstehende Dichtheit
verbessert wird.
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Das Verfahren zum Formen der Enden der Rohre wurde unter
Bezugnahme aufflache Rohre beschrieben, es ist jedoch auch
zur Anwendung bei Rohren mit jedem beliebigen länglichen
Querschnitt, wie z.B. mit ovalem, elliptischem, eiförmigem
oder ähnlichem Querschnitt, geeignet.