Blechkörper, insbesondere für Wärmeaustauscher, und Verfahren zu dessen Herstellung Das vorliegende Patent betrifft einen Blechkörper, insbesondere für Wärmeaustauscher, und ein Verfah ren zu dessen Herstellung.
Es gibt Bauteile, die für gewisse Zwecke wenig stens eine flache oder ebene Fläche aufweisen müssen, wie sie z. B. an Flugzeugrumpf-, Flügel- oder Schwanz flächen vorhanden sind. Bis jetzt wurden für solche Bauteile gewöhnlich zwei aufeinandergelegte Bleche verwendet, von denen das eine flach und das andere eingekerbt ist und die durch Nieten, Punktschweissen oder Hartlöten miteinander verbunden sind.
In sol chen zusammengesetzten Bau- oder Bauwerkteilen verstärken und versteifen die Rippen oder Ausbuch tungen des eingekerbten Bleches das flache Blech und verstärken dadurch den Bauwerkteil. Bei Kühl schrankverdampfern, Radiatoren und dergleichen be stehen solche Wärmeaustauscher im allgemeinen aus einer Anzahl von Röhren oder Kammern, die so aus gebildet sind, dass sie als Leitung für das Strömungs mittel im Wärmeaustauscher dienen. Diese Wärme- austauscher wurden bis jetzt aus relativ dünnem Blech mittels eines Verfahrens hergestellt, bei dem Rinnen oder Vertiefungen eines vorbestimmten Musters in jedes Blech eingearbeitet wurden.
Diese Rinnen bil deten nach dem Zusammenbau der Bleche die mitein ander in Verbindung stehenden Kanäle, denn zwei Bleche wurden mit ihren Flächen so aneinandergelegt und durch Hartlöten oder Punktschweissen längs vor bestimmter Flächen miteinander vereinigt, dass sich die gewünschten Kanäle für das Strömungsmittel zwi schen den Blechen bilden.
Ein anderes Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern besteht, kurz angeführt, darin, zwei Bleche übereinanderzulegen, die Blechränder durch Schweissen dicht aneinanderzuheften, die Blech innenseiten in gleichmässigen Abständen durch Punkt schweissen miteinander zu verbinden, und dann durch ein Loch in einem der Bleche ein Strömungsmittel unter Druck einzuleiten, um die Bleche zwischen den Punktschweissstellen auszudehnen und zu trennen.
Die beim Herstellen solcher Blechkörper ange wandten Hartlöt-, Niet- und Punktschweissverfahren weisen aber Nachteile auf. Wenn z. B. die Bleche durch Hartlöten vereinigt werden, muss ein Hartlot verwendet und der Lötstreifen eingesetzt und in die richtige Lage gebracht werden. Ferner ist dann diese Hartlötverbindung nicht immer mechanisch vollkom men, und die Bleche können sich beim Auftreten von Spannungen trennen. Ebenso geht das Aushärten der Rohr- oder Rippenwände infolge Bearbeitens wegen der beim Löten auftretenden Glühwirkung wieder verloren.
Punktschweissen und Nieten sind nicht ge eignet für das Abdichten der Bleche zwischen den Rippen bzw. um die Kanäle für das Strömungsmittel, insbesondere nicht, wenn diese lange Durchlässe dar stellen, die gerade oder in Kurven verlaufen. Bei solchen Blechkörpern werden oft zwischen den Ble chen an Stellen, die nicht mit den Kanälen zusammen fallen, Hohlräume gefunden, wodurch sich bei Bau werkteilen möglicherweise eine geringere Festigkeit und bei Wärmeaustauschern undichte Stellen er geben und der Wert solcher Fabrikate beeinträchtigt wird. Weiter schwächt die grobkörnige Gussstruktur der Punktschweissstellen den Blechkörper.
Ebenso ist das Punktschweissen für Legierungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit im allgemeinen nicht gut geeignet, und in vielen Fällen haben die Blechflächen das Bestreben, an den Punktschweisselektroden fest zukleben, wodurch die Bleche beschädigt werden und die Elektroden oft gereinigt werden müssen.
Der erfindungsgemässe Blechkörper, der insbe sondere für Wärmeaustauscher verwendbar sein soll, ist dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer ein zigen Metallplatte besteht, die eine Anzahl innerer Kanäle enthält, welch letztere miteinander in Ver bindung stehen und einen Leitungsweg für ein Strö mungsmittel bilden, wobei jeder Kanal zumindest auf einer Seite der Platte eine aussen vorspringende, längs des Kanals verlaufende Ausbuchtung aufweist, die von kleinerer Wandstärke ist als die Platte und dass der Leitungsweg sich zumindest in zwei verschie dene Richtungen und zumindest an einem Ende bis zum Plattenrand erstreckt.
Das Verfahren zur Herstellung des Blechkörpers ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch die folgen den Massnahmen: Aufbringen eines Distanzierungs- materials in einem dem gewünschten Verlauf von im fertigen Blechkörper zu erhaltenden Kanälen ent sprechenden Muster auf die eine der gereinigten Flä chen eines Einzelbleches, Auflegen auf dieser Fläche eines zweiten Bleches gleicher Zusammensetzung wie das erste, Befestigen der beiden Bleche aneinander an Stellen, die nicht durch das Distanzierungsmaterial voneinander getrennt sind, und dadurch ein gegen seitiges Verschieben der Bleche und Beschädigen des Musters zu verhüten,
Walzen des so erhaltenen Ge bildes, um ein gegenseitiges Verschweissen der Bleche an allen Stellen, die nicht durch das Distanzierungs- material getrennt sind, herbeizuführen, Ausweiten des Abstandes der Bleche, aus welchen die so erhaltene Platte sich zusammengesetzt, an einer Stelle, die am Plattenrand liegt und an der die anfänglichen Einzel bleche durch Distanzierungsmaterial noch getrennt sind, zwecks Bildens einer Anschlussstelle für eine Druckmittelleitung und Einführen von einem Druck mittel an der so gebildeten Anschlussstelle,
um an den Stellen mit Distanzierungsmaterial die Platte von innen her so auszuweiten, dass zumindest nach einer Seite der Platte längs des Musters verlaufende Aus buchtungen und in der Platte ein dem Muster ent sprechendes Leitungssystem entstehen.
Ausführungsbeispiele für den Blechkörper nach der Erfindung und das erfindungsgemässe Verfahren für die Herstellung des Blechkörpers werden anhand der beigefügten Zeichnung nachfolgend beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 im Grundriss ein mit Distanzierungsmaterial überzogenes Blech, Fig. 2 im Grundriss ein auf das überzogene Blech nach Fig. 1 aufzubringendes Blech, Fig. 3 eine Stirnansicht eines aus der Zusammen setzung der beiden Bleche nach Fig. 1 und 2 erhal tenen Gebildes,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der aus dem Gebilde der Fig.3 durch Warmwalzen erhaltenen Platte, Fig. 5 einen Schnitt durch die Platte nach der Linie B -B in Fig. 4, Fig. 6 eine Draufsicht auf einen nach dem erfin dungsgemässen Verfahren und ausgehend von den Blechen nach Fig. 1 und 2 hergestellten, als Wärme- austauscher verwendbaren Blechkörper, Fig.7 einen Schnitt nach der Linie<B><I>A -A</I></B> in Fig. 6,
Fig. 8 in einem Schnitt analog Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 6, wobei der Blechkörper nur auf der einen Seite vorspringende Teile aufweist, Fig. 9 im Schnitt eine zwischen einer Matrize und einer Patrize gehaltene, nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte und den Fig. 4 und 5 entspre chende Platte, Fig. 10 im Schnitt einen weiteren nach dem er findungsgemässen Verfahren hergestellten Blech körper, Fig. 11 in Draufsicht ein weiteres Ausführungs beispiel für den Blechkörper,
bei dem die Vor sprünge auf den beiden Seiten des Blechkörpers gegen einander versetzt angeordnet sind, und Fig. 12 den Blechkörper nach Fig. 11 im Quer schnitt.
In Fig. 1 und 2 sind für die Herstellung eines Wärmeaustauschers zwei Feinbleche 1 und 2 von 1,78 mm Dicke vorgesehen, wobei das Material 92 bis 94 lo Kupfer, 2,05-2,60 ' Eisen, 0,025% Phosphor, 0,05% Blei und als Rest Zink enthält. Diese Bleche 1 und 2 werden durch Eintauchen in ein organisches Lösungsbad, z. B. Benzin oder Erdöldestillat, mit einer Siedetemperatur von 15-150 C zuerst entfettet und dann vom Lösungsmittel gereinigt.
Die Bleche 1 und 2 werden alsdann in einem Säurebad gereinigt, das zirka einen Volumteil 68%iger Salpetersäure, einen Volumteil 95%iger Schwefelsäure und einen Volum- teil Wasser von Raumtemperatur enthält. Durch diese Behandlung soll jeglicher Oxydfilm von den Blechen 1 und 2 entfernt werden. Die Bleche 1 und 2 werden sodann gründlich in kaltem und anschliessend in hei ssem Wasser gewaschen und bei Raumtemperatur in der Luft getrocknet. Die gereinigte Blechoberfläche soll beim anschliessenden Kalt- bzw. Warmwalzen eine gute Verbindung gewährleisten.
Distanzierungsmaterial, bestehend aus einer Mi schung von Graphit und Wasserglas wird dann zum Verhüten des Verschweissens an bestimmten vor gesehenen Stellen z. B. gemäss dem in Fig. 1 ge zeigten Muster 3 in einer dünnen Schicht auf die eine Seite des Bleches 1 aufgetragen. Dieses Distanzie- rungsmaterial kann durch eine Abdeckung hindurch aufgespritzt, durch eine Schablone aufgemalt, durch ein Seidenraster aufgedrückt oder auf andere Art und Weise aufgebracht werden. Soll z.
B. das Distanzie- rungsmaterial durch ein Seidenraster auf die vor gesehenen Stellen aufgebracht werden, so wird Gra phit im Verhältnis von 3-4 kg auf drei Liter Wasser glas verwendet. Soll das Distanzierungsmaterial durch Aufmalen oder Aufspritzen aufgebracht werden, so wird natürlich eine dünnere bzw. flüssigere Mischung verwendet.
Der Dehnung, die während des nachfolgenden Walzvorganges des aus den zwei aufeinanderliegenden Blechen 1 und 2 mit dazwischen angeordnetem Di- stanzierungsmaterial erhaltenen Gebildes an diesem auftritt, muss bei der Wahl der Dimensionen des Musters 3, in dem das Distanzierungsmaterial an- fänglich auf das Blech 1 aufgetragen wird, Rech nung getragen werden.
Wird das zusammengesetzte Gebilde in der Walzrichtung in angenähert gleichem Verhältnis verlängert, wie die Dicke des Gebildes ver ringert wird, so sind senkrecht zur Walzrichtung ver laufende Musterstreifen, wie die Streifen 10 und 11 in Fig. 1, nach dem Walzvorgang breiter, beispiels weise von der Breite der Streifen 12 und 13 in Fig. 6, und zwar im gleichen Verhältnis breiter, wie die Dicke des Gebildes verringert wurde.
In der Walzrichtung laufende Streifen werden nicht nennenswert verbreitert, wie bei 6 in Fig. 6 angedeutet. Wird somit ein senkrecht zur Walzrich- tung laufender Kanal von 2,5 cm Durchmesser ge wünscht und die Dicke des Gebildes während des Walzens auf die Hälfte der ursprünglichen Dicke ver ringert, dann müssen die senkrecht zur Walzrichtung laufenden Streifen nur etwa 1,2 cm breit gemacht werden.
Die Dicke der Schicht des Distanzierungs- materials nimmt beim Walzvorgang infolge der dabei auftretenden Vergrösserung der Länge und Breite der Streifen im gleichen Verhältnis ab wie die Dicke des Gebildes und sollte nach dem Walzen noch ge nügend stark sein, um an den vorgesehenen Stellen ein Sichverbinden der beiden Bleche 1 und 2 zu ver hindern.
Nach dem Auftragen des Distanzierungsmaterials auf das Blech 1 wird das Blech 2 auf das Blech 1 gelegt. Würde das Blech 2 vor dem Walzvorgang auf dem Blech 1 verschoben, so würde das Muster 3 wahrscheinlich beschädigt oder verzerrt, so dass die gewünschte Kanalanordnung nicht erhalten würde. Um dies zu vermeiden, werden die beiden Bleche 1 und 2 aneinander befestigt, z. B. durch Punktschweissen oder Falzen ihrer Ränder.
Das so erhaltene Gebilde wird dann in einen Ofen gebracht und auf etwa 900 C erhitzt. Um die Oxydation der Innenflächen der beiden Bleche 1 und 2 zu verhindern, können die Ränder der beiden Bleche 1 und 2 z. B. durch Schweissen dicht mit einander verbunden werden, oder es kann in den Ofen ein inertes oder reduzierendes Gas eingeführt wer den. Die Temperatur von 900 C liegt etwa 100 C unter dem Schmelzpunkt der Legierung, aus der die Bleche 1 und 2 bestehen und ist genügend hoch, um die beiden Bleche 1 und 2 in dem nachstehend be schriebenen Walzvorgang durch Druck miteinander zu verschweissen. Die genaue, beim Druckschweissen anzuwendende Temperatur hängt natürlich vom Schmelzpunkt der Legierung ab und sollte nahe bei diesem Schmelzpunkt liegen.
Da jedes der beiden Bleche 1, 2 eine Dicke von 1,78 mm und die Schicht des Distanzierungsmaterials nur eine solche von 0,05-0,12 mm aufweist, be sitzt das in Fig.3 dargestellte Gebilde eine Dicke zwischen 3,61 und 3,68 mm. Sobald das Gebilde eine Temperatur von etwa 900 C erreicht hat, wird es in einem einzigen Durchgang auf eine Dicke von etwa 1,78 mm warmgewalzt und dann mit Säure ge reinigt, gewaschen und getrocknet, wie in der vor- stehend beschriebenen Einzelbehandlung der beiden Bleche 1 und 2 dargelegt worden ist. Das Warm walzen sollte eine Dickenverringerung von wenigstens 35% ergeben, damit die beiden Bleche 1 und 2 mit einander verschweisst werden.
Doch ist eine Dicken verringerung von etwa 50% in einem einzigen Durch gang, wie vorstehend beschrieben, vorzuziehen.
Die aus den verschweissten Blechen 1 und 2 bestehende Platte 9 (Fig. 4 und 5) wird auf ein End- mass von etwa 1,2 mm Dicke kaltgewalzt, dann bei einer Temperatur von etwa 750 C während einer halben Stunde geglüht, um die härtende Wirkung des Warmwalzens zu beheben und sodann mit Säure ge reinigt, gewaschen und getrocknet, wie vorstehend beschrieben. Das Kaltwalzen dient zur genauen Kon trolle der Blechdicke. Wenn eine genügende Mess- genauigkeit für die spezielle Verwendung durch Warmwalzen erzielt werden kann, so können die Kaltwalz- und Glühbehandlungen weggelassen wer den.
Die Festigkeit der durch Warmwalzen erhaltenen Platte 9 ist beträchtlich grösser als diejenige des durch Punktschweissen erhaltenen Gusses. Letzterer weist beträchtlich grössere Körner auf als jedes einzelne Blech 1 bzw. 2 vor dem Verschweissen, während die warmgewalzte Platte 9 eine angenähert gleichmässige Korngrösse besitzt.
Beim Aufbringen des Distanzierungsmaterials auf das Blech 1 (Fig. 1) wird das Muster 3 des Distan- zierungsmaterials so ausgebildet, dass es mindestens an einer Stelle bis zum Blechrand reicht. An dieser Stelle werden deswegen die beiden Bleche 1 und 2 beim Aneinanderbefestigen und beim darauffolgen den Walzvorgang nicht miteinander verbunden. Auf mechanischem Weg wird diese Trennungsstelle zwi schen den beiden ehemaligen Einzelblechen nach dem Walzvorgang vom Rand her aufgeweitet, so dass sich eine Öffnung an dieser Randstelle der Platte 9 (Fig. 6) bildet.
In diese Öffnung wird ein Kupfer röhrchen 7 eingeführt und z. B. durch Hartlöten an der Platte 9 befestigt. Das freie Ende dieses Kupfer röhrchens 7 wird z. B. mittels einer Hülse und Mut ter an eine Druckmittelpumpe angeschlossen (nicht dargestellt). Die Platte 9 wird dann an den Stellen, an denen die beiden ursprünglichen Bleche 1 und 2 nicht verschweisst sind, sondern durch das Distanzie- rungsmaterial getrennt bestehen, durch Einleiten eines Druckmittels mit einem Druck von etwa 15 bis 22 Atmosphären aufgeweitet. Dabei bilden sich in der Platte 9 die gewünschten miteinander in Verbindung stehenden Kanäle 6, 12 und 13 (Fig. 6 und 7), wo durch der fertige Blechkörper erhalten wird.
Das Distanzierungsmaterial in den Kanälen, das an der Metallplatte 9 haftet, wird beim Aufweiten teilweise von dem Druckmittel mitgeführt. Der ver bleibende Teil wird später ausgewaschen. Beim Aus weiten bildet jeder Kanal, wie weiter hinten näher erläutert ist, zumindest auf einer Seite der Platte 9 eine aussen vorspringende, dem Kanalverlauf ent sprechende Ausbuchtung. Wie ersichtlich ist, ver laufen im Blechkörper nach Fig. 6 die Kanäle 6 quer zum Kanal 12, der sich bis zum Blechkörperrand bzw. Plattenrand erstreckt, wobei diese Kanäle 6 nicht bis zum besagten Rand reichen.
Die Höhe der für das Aufweiten erforderlichen Druckes des flüssigen oder gasförmigen Druckmittels variiert mit der Dicke, Vergütung oder Zusammensetzung der verwendeten Bleche 1 und 2. Gewünschtenfalls kann die Platte 9 (Fig. 5) zur Erzeugung sehr scharfer oder kompli zierter Kanalquerschnittsformen vor der Anwendung des vorgenannten Druckes, wie Fig. 9 zeigt, zwischen eine Patrize 17 und eine Matrize 16 eingesetzt werden, wobei die Matrize 16 gemäss der gewünschten Kanal querschnittsform mit Vertiefungen versehen ist.
Durch das Strömen des Druckmittels in das Innere der Platte 9 werden die Wände der Kanäle 6, 12 und 13 (Fig. 6) innerhalb der Matrize 16 von ihrer ursprünglichen Dicke von etwa 0,6 mm auf jeder Seite des Distan- zierungsmaterials um etwa 0,02 bis 0,04 mm reduziert und erscheinen als Ausbauchungen 19 auf der einen Seite der Platte 9 (Fig. 10), wobei diese Ausbau chungen 19 eine kleinere Wandstärke als diejenige der Platte 9 haben. Die Kanalwände werden durch die infolge der Ausweitung der Platte 9 eingetretene Kalt härtung verfestigt. Die Länge und die Breite der Platte 9 bleiben erhalten.
Wird keine Matrize verwendet, so erfolgt die Ausweitung der Kanäle in der Platte 9 mit nur geringer oder überhaupt keiner Verdünnung der Kanalwände, und die Kanäle werden beim Strömen des Druckmittels im Innern der Platte 9 nur durch Öffnung der mit Distanzierungsmaterial ausgefüllten Stellen der Platte 9 gebildet, wobei die Länge oder Breite derselben oder beide etwas vermindert wer den, je nach Anordnung und Dimensionierung der ent stehenden Kanäle.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, den Blechkörper nicht flach, sondern z. B. in U-Form herzustellen, wie er zum teilweisen Umschliessen des Eiswürfel- oder Gefrierabteils eines Kühlschrankes verwendet wird. Zu diesem Zweck kann die Platte 9 bzw. der Blechkörper vor bzw. nach der Anwendung des Druckes für die Bildung der Kanäle in die ge wünschte Form gebogen werden. Wird das Biegen nach dem Bilden der Kanäle vorgenommen, so sollte das Kanalmuster so entworfen sein, dass dieses Bie gen wirklich vorgenommen werden kann, und bei solchen Biegearbeiten sorgfältig darauf geachtet wer den, dass keine Kanäle verschlossen werden.
In einem der Kanäle wird sodann ein Loch 8 (Fig. 6) gebohrt und in dieses ein Kupferröhrchen (nicht dargestellt) teilweise eingesetzt und darin festgelötet. Dieses Röhr chen dient dann, zusammen mit dem Röhrchen 7, als Ein- und Auslass für das das Kanalsystem durch strömende Wärmeaustauschmittel, falls der Blech körper als Wärmeaustauscherelement dient. Die Ka näle 6, 12 und 13 entsprechen im wesentlichen dem Muster 3 des Distanzierungsmaterials in Fig. 1.
Das oben angeführte Beispiel betrifft die Herstel lung eines aus zwei Blechen 1 und 2 gebildeten Blech körpers. Die dabei ausgeweitete Platte 9 (Fig.6) ist relativ stark und steif infolge der durch die Ka näle 6, 12 und 13 gebildeten Versteifungen. Der Blechkörper kann somit mit Vorteil als ein aus Blech gearbeiteter Bauwerk-teil verwendet werden. Wird ein Blechkörper mit nur längslaufenden versteifenden Vorsprüngen gewünscht, so können das obere und das untere Ende des Blechkörpers in Fig. 6 genügend weit zurückgeschnitten werden, um die querlaufenden Kanäle 12 und 13 zu entfernen. Die Kanäle im Blech körper können, ob sie nun nur zur Versteifung des selben angeordnet sind oder als Durchflusskanal z. B.
für ein Kältemittel oder für das eine und das andere benützt werden, praktisch jede beliebige Anordnung erhalten, da diese durch das entsprechende Muster des Distanzierungsmaterials leicht erhalten wird.
Für einige Verwendungszwecke kann es wün schenswert sein, die durch die Kanäle gebildeten Aus buchtungen nur auf der einen Seite des Blechkörpers vorzusehen statt auf beiden Seiten. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 8 im Schnitt dargestellt, bei dem die Ka näle 6 Ausbuchtungen nur auf der einen Seite des Blechkörpers bilden. Eine solche Konstruktion eignet sich für Blechkörper, die eine ebene oder flache Seite aufweisen müssen, und kann z. B. erhalten werden, wenn das eine der verwendeten Bleche genügend dicker ist als das andere, so dass beim Strömen des Druckmittels im Innern der Platte nur auf derjenigen Seite derselben eine Ausweitung erfolgt, die dem dün neren Blech entspricht. So kann z. B. das eine Blech zehnmal dicker sein als das andere.
Wird dann das Muster aufgebracht, die beiden Bleche aufeinander gelegt und warmgewalzt, bis sie durch Druck mitein ander verschweisst sind, und die weiteren Schritte vorgenommen, wie dies weiter vorn angeführt ist, so wird die Enddicke der Platte natürlich grösser infolge der grösseren Dicke des einen Bleches. Eine Kon struktion, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist, kann auch erhalten werden durch Einsetzen der gewalzten, das Distanzierungsmaterial enthaltenden Platte 9 in eine Matrize, deren eine Fläche in Anpassung an die Kanalquerschnittsform ausgenommen ist und deren andere Fläche eben ist.
Beim Anlegen von Druck mit Druckmittel auf die ungeschweissten Innenflächen der Platte 9 wird die eine Seite der letzteren von der ebenen Matrizenfläche am Ausweiten gehindert, wäh rend sich die andere Seite der Platte 9 in die Aus- nehmungen der andern Matrizenfläche ausweiten lässt.
Es kann dabei statt einer im Querschnitt halbkreis förmigen Ausweitung nach Fig. 8 eine andere Form wünschenswert sein. Fig. 9 zeigt ein Beispiel für das Bilden von Kanälen mit dreieckiger Querschnittsform. Die das Distanzierungsmaterial enthaltende, nicht ausgeweitete Platte 9 ist dabei zwischen der ebenen Patrize 17 und der Vertiefungen 18 von dreieckiger Querschnittsform aufweisenden Matrize 16 fest gehalten (Fig. 6).
Beim Einführen von Druckmittel in die Platte 9 werden, wie vorbeschrieben, die Kanäle in der Platte 9 gebildet, und auf der einen Plattenseite erscheinen eckig vorstehende Ausbauchungen 19 (Fig. 10). In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, die Ausbauchungen teilweise auf der einen Seite und teilweise auf der gegenüberliegenden Seite des Blechkörpers gegeneinander versetzt anzuordnen. Ein solches Beispiel ist in Fig. 11 und 12 dargestellt, aus dem hervorgeht, dass die Kanäle durch Aus weitungen an der einen Seite des Blechkörpers bei dessen beiden Enden und durch Ausweitungen an der andern Seite des Blechkörpers bei dessen Mitte ge bildet sind.
Auch hier wird das Ausweiten dadurch erreicht, dass die Platte 9 in eine Matrize eingelegt wird, deren der Platte 9 benachbarten Flächen ent sprechend der Kanalanordnung Vertiefungen auf weisen, damit die gewünschten Ausweitungen 14 und 15 an den beiden Seiten des fertigen Blechkörpers entstehen. Wenn der Blechkörper zwecks Umhüllung des Eiswürfelabteils eines Kühlschrankes U-Form er halten soll, kann es zweckmässig sein, dass er, wie vorbeschrieben, nur in bestimmten Zonen Ausbau chungen besitzt.
In den obigen Ausführungen wurde eine bestimmte Reihenfolge beim Walzen, Glühen und Reinigen be schrieben. Je nach der vorherrschenden Praxis und den im Fertigprodukt gewünschten körperlichen Ei genschaften können aber auch zwischen den Vor gängen des Ausbringens des Distanzierungsmaterials und der Einführung des Druckmittels in die Platte ver schiedene Walz-, Glüh-, Reinigungs-, Beschneid-, Zusammenheft-, Form- und andere derartige Behand lungen vorgenommen werden. So kann z. B. das Warm- und das Kaltwalzen in einer Anzahl von Stu fen ausgeführt werden, je nach der zur Verfügung stehenden Walzausrüstung und dergleichen, oder das Kaltwalzen oder Glühen, oder beides, kann ganz weg gelassen werden.
Obschon gemäss der bevorzugten, vorbesehriebenen Verfahrensart die Druckschweissung durch Warmwalzen des Gebildes aus Blechen und Distanzierungsmaterial ausgeführt wird, so kann doch auch ein Teil des Gebildes nur durch Anwendung eines ausreichenden Druckes bei Raumtemperatur druckgeschweisst werden.
Ungeachtet der zur Anwen dung gelangenden Zwischenbehandlung müssen jedoch immer die beiden Einzelbleche passend miteinander verbunden werden, um an allen übereinanderliegen- den, vom Distanzierungsmaterial nicht getrennten Stellen vor Anwendung des Ausweitdruckes eine ein zige, annähernd gleichmässige Schicht zu bilden.
Das beschriebene Verfahren eignet sich speziell für kontinuierlichen Betrieb. So kann z. B. das Distan- zierungsmaterial in dem vorgesehenen Muster auf die Oberfläche eines von einer Rolle ablaufenden Metall streifens aufgebracht und ein zweiter Metallstreifen von einer zweiten Rolle abgewickelt und auf den ersten Streifen aufgelegt werden, worauf beide Strei fen durch Punktschweissen, Falzen der Ränder usw. zusammengeheftet und kontinuierlich durch einen Ofen und eine Warmwalzvorrichtung geführt werden.
Nach Beendigen des Walzvorganges und der andern Bearbeitungen wird dann das druckgeschweisste, das Distanzierungsmaterial enthaltende, aus den beiden Streifen bestehende Gebilde mittels eines Druck- mittels, wie vorbeschrieben, ausgeweitet. Es kann ein beliebiges geeignetes Distanzierungsmaterial verwen det werden. So können z. B. neben der oben an geführten Mischung von Wasserglas und Graphit andere anorganische Bestandteile und Mischungen benutzt werden, z. B. Zinkoxyd, Kieselgur, Feuer stein, Talk, Quarzpulver, Ton usw., und Mischungen aus diesen Materialien oder aus letzteren mit Graphit, Wasserglas usw.
Das verwendete Distanzierungs- material muss natürlich so zusammengesetzt sein, dass es mit dem Metall, aus dem das Blech besteht, fliesst oder gestreckt werden kann und durchgehend ge nügend Dicke aufweist, um ein Binden zwischen den beiden Blechen zu verhindern, wo dies nicht ge wünscht ist. Ebenso ist das hier beschriebene Ver fahren auch bei Blechen anderer Zusammensetzung als vorbeschrieben anwendbar, z. B. bei solchen aus Aluminium, Magnesium, Stahl und dergleichen, die sich für das Druckschweissen eignen.
Wie aus Vor stehendem hervorgeht, erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren die Fabrikation eines Blechkörpers, der mit Innenkanälen von beinahe jedem gewünschten Verlauf versehen sein kann, und dieser Blechkörper mit seinen Kanälen ist geeignet zur Verwendung als Wärmeaustauscher, der billiger und geeigneter ist als die mit bekannten Verfahren hergestellten Wärme- austauscher. Dabei kann relativ schweres, billiges Blech verwendet werden, da die geringe Dicke der Kanalwand im -Verlauf des Verfahrens erhalten wird,
und zwar einerseits durch das Verdünnen beim Warm walzen der Bleche und anderseits durch das an schliessende Ausweiten zur Bildung der Kanäle mittels Innendruck. Bei bekannten früheren Verfahren wird die Kanalwand hohlgeprägt oder gezogen, und das verwendete Blechmaterial muss annähernd die ge wünschte geringe Dicke der fertigen Kanalwand auf weisen.
Sheet metal body, in particular for heat exchangers, and a method for producing it. The present patent relates to a sheet metal body, in particular for heat exchangers, and a method for producing it.
There are components that little least have to have a flat or flat surface for certain purposes, as z. B. on aircraft fuselage, wing or tail surfaces are available. Up to now, two stacked metal sheets have usually been used for such components, one of which is flat and the other of which is notched and which are connected to one another by riveting, spot welding or brazing.
In such composite structural or structural parts, the ribs or bulges of the notched sheet reinforce and stiffen the flat sheet and thereby reinforce the structural part. In refrigerator evaporators, radiators and the like, such heat exchangers are generally made up of a number of tubes or chambers that are formed so that they serve as a line for the flow medium in the heat exchanger. These heat exchangers have hitherto been manufactured from relatively thin sheet metal by means of a process in which grooves or depressions of a predetermined pattern are machined into each sheet metal.
After the sheets were assembled, these grooves formed the channels that were connected to one another, because the surfaces of two sheets were placed against one another and joined together by brazing or spot welding along certain surfaces in such a way that the desired channels for the fluid were between the sheets form.
Another method of manufacturing heat exchangers is, briefly stated, to lay two sheets on top of one another, to tack the sheet edges tightly together by welding, to connect the inner sides of the sheet at regular intervals by spot welding, and then insert a fluid through a hole in one of the sheets Apply pressure to expand and separate the sheets between the spot welds.
The brazing, riveting and spot welding processes used in the manufacture of such sheet metal bodies have disadvantages. If z. B. the sheets are united by brazing, a brazing solder must be used and the soldering strip inserted and brought into the correct position. Furthermore, this brazed connection is not always mechanically perfect, and the metal sheets can separate when stresses occur. The hardening of the pipe or rib walls is also lost again as a result of machining because of the glowing effect that occurs during soldering.
Spot welding and riveting are not suitable for sealing the metal sheets between the ribs or around the channels for the fluid, especially not if these are long passages that are straight or curved. In such sheet metal bodies, cavities are often found between the sheets in places that do not coincide with the channels, which may result in lower strength in construction parts and leaks in heat exchangers and the value of such products is impaired. The coarse-grained cast structure of the spot welds also weakens the sheet metal body.
Likewise, spot welding is generally not well suited for alloys with high electrical conductivity, and in many cases the sheet metal surfaces tend to stick to the spot welding electrodes, thereby damaging the sheets and often cleaning the electrodes.
The sheet metal body according to the invention, which should be used in particular special for heat exchangers, is characterized in that it consists of a single metal plate which contains a number of inner channels, which the latter are in connection with each other and form a conduit for a flow medium, wherein each channel has at least one side of the plate an outwardly protruding bulge running along the channel, which is of smaller wall thickness than the plate and that the conduction path extends at least in two different directions and at least at one end to the plate edge.
The method for producing the sheet metal body is characterized according to the invention by the following measures: Applying a spacing material in a pattern corresponding to the desired course of the channels to be obtained in the finished sheet metal body on one of the cleaned surfaces of a single sheet, placing one on this surface second sheet of the same composition as the first, attaching the two sheets to one another at points that are not separated by the spacing material, and thereby to prevent mutual displacement of the sheets and damage to the pattern,
Rolling of the resulting Ge image to cause a mutual welding of the sheets at all points that are not separated by the spacing material, widening the distance between the sheets, from which the resulting plate is composed, at a point on the The edge of the plate lies and on which the initial individual sheets are still separated by spacing material, for the purpose of forming a connection point for a pressure medium line and introducing a pressure medium at the connection point thus formed,
in order to expand the plate from the inside at the points with spacing material in such a way that at least one side of the plate extends along the pattern from bulges and a line system corresponding to the pattern is created in the plate.
Exemplary embodiments for the sheet metal body according to the invention and the method according to the invention for the production of the sheet metal body are described below with reference to the accompanying drawings. 1 shows a plan view of a sheet metal coated with spacer material, FIG. 2 shows a plan view of a sheet metal to be applied to the coated sheet metal according to FIG. 1, FIG. 3 shows an end view of a combination of the two sheets according to FIGS. 1 and 2 preserved structure,
4 shows a perspective view of the plate obtained from the structure of FIG. 3 by hot rolling, FIG. 5 shows a section through the plate along the line B-B in FIG. 4, FIG. 6 shows a plan view of a method according to the invention and starting from the metal sheets according to FIGS. 1 and 2, sheet metal bodies that can be used as heat exchangers, FIG. 7 shows a section along the line <B> <I> A </I> </B> in FIG. 6,
8 in a section analogous to FIG. 7 shows a further exemplary embodiment according to FIG. 6, the sheet metal body only having parts protruding on one side, FIG. 9 in section a held between a die and a male mold and produced according to the method according to the invention 4 and 5 corresponding plate, Fig. 10 in section a further sheet metal body produced by the method according to the invention, Fig. 11 in plan view another embodiment example for the sheet metal body,
in which the jumps before on the two sides of the sheet metal body are arranged offset from one another, and Fig. 12 the sheet metal body according to FIG. 11 in cross section.
In Fig. 1 and 2 two thin sheets 1 and 2 of 1.78 mm thickness are provided for the production of a heat exchanger, the material 92 to 94 lo copper, 2.05-2.60 'iron, 0.025% phosphorus, 0, 05% lead and the remainder zinc. These sheets 1 and 2 are immersed in an organic solution, for. B. gasoline or petroleum distillate, with a boiling temperature of 15-150 C first degreased and then cleaned of the solvent.
The sheets 1 and 2 are then cleaned in an acid bath that contains approximately one part by volume of 68% nitric acid, one part by volume of 95% sulfuric acid and one part by volume of water at room temperature. This treatment is intended to remove any oxide film from sheets 1 and 2. The sheets 1 and 2 are then washed thoroughly in cold and then in hot water and dried in the air at room temperature. The cleaned sheet metal surface should guarantee a good connection during the subsequent cold or hot rolling.
Distancing material consisting of a mixture of graphite and water glass is then used to prevent welding at certain points in front of z. B. according to the ge in Fig. 1 showed pattern 3 in a thin layer on one side of the sheet 1 applied. This spacing material can be sprayed on through a cover, painted on using a stencil, pressed on using a silk screen or applied in some other way. Should z.
If, for example, the spacing material is applied to the areas provided through a silk screen, then graphite is used in a ratio of 3-4 kg to three liters of water glass. If the distancing material is to be applied by painting or spraying, a thinner or more liquid mixture is of course used.
The expansion that occurs during the subsequent rolling process of the structure obtained from the two sheets 1 and 2 lying on top of one another with spacing material arranged in between must be taken into account when choosing the dimensions of the pattern 3 in which the spacing material is initially applied to sheet 1 is applied, account must be taken.
If the composite structure is extended in the rolling direction in approximately the same ratio as the thickness of the structure is reduced ver, so are perpendicular to the rolling direction ver running pattern strips, such as the strips 10 and 11 in Fig. 1, wider after the rolling process, for example from the width of strips 12 and 13 in Fig. 6, wider in the same proportion as the thickness of the structure was reduced.
Strips running in the rolling direction are not widened appreciably, as indicated at 6 in FIG. If a duct with a diameter of 2.5 cm running perpendicular to the direction of rolling is desired and the thickness of the structure is reduced to half the original thickness during rolling, then the strips running perpendicular to the direction of rolling only need to be about 1.2 cm wide be made.
The thickness of the layer of the spacer material decreases during the rolling process due to the resulting increase in the length and width of the strips in the same proportion as the thickness of the structure and should still be strong enough after rolling to allow the to prevent both sheets 1 and 2.
After the spacing material has been applied to the sheet metal 1, the sheet metal 2 is placed on the sheet metal 1. If the sheet 2 were shifted on the sheet 1 before the rolling process, the pattern 3 would likely be damaged or distorted, so that the desired channel arrangement would not be obtained. To avoid this, the two sheets 1 and 2 are attached to one another, e.g. B. by spot welding or folding their edges.
The structure thus obtained is then placed in an oven and heated to about 900.degree. To prevent the oxidation of the inner surfaces of the two sheets 1 and 2, the edges of the two sheets 1 and 2 z. B. be tightly connected to each other by welding, or an inert or reducing gas can be introduced into the furnace. The temperature of 900 C is about 100 C below the melting point of the alloy from which the sheets 1 and 2 are made and is high enough to weld the two sheets 1 and 2 together by pressure in the rolling process described below. The exact temperature to be used for pressure welding depends of course on the melting point of the alloy and should be close to this melting point.
Since each of the two sheets 1, 2 has a thickness of 1.78 mm and the layer of the spacer material has only one of 0.05-0.12 mm, the structure shown in Figure 3 sits a thickness between 3.61 and 3.68 mm. As soon as the structure has reached a temperature of about 900 C, it is hot-rolled in a single pass to a thickness of about 1.78 mm and then cleaned with acid, washed and dried, as in the individual treatment of the two sheets described above 1 and 2 has been set out. The hot rolling should result in a reduction in thickness of at least 35% so that the two sheets 1 and 2 are welded together.
However, a thickness reduction of about 50% in a single pass, as described above, is preferable.
The plate 9 (FIGS. 4 and 5) consisting of the welded sheets 1 and 2 is cold-rolled to a final dimension of about 1.2 mm thickness, then annealed at a temperature of about 750 ° C. for half an hour to get the hardening Fix the effect of hot rolling and then acid clean, wash and dry as described above. Cold rolling is used for precise control of the sheet thickness. If sufficient measurement accuracy can be achieved for the specific use by hot rolling, the cold rolling and annealing treatments can be omitted.
The strength of the plate 9 obtained by hot rolling is considerably greater than that of the cast obtained by spot welding. The latter has considerably larger grains than each individual sheet 1 or 2 before welding, while the hot-rolled plate 9 has an approximately uniform grain size.
When the spacing material is applied to the sheet metal 1 (FIG. 1), the pattern 3 of the spacing material is formed in such a way that it extends at least at one point to the sheet metal edge. At this point, the two sheets 1 and 2 are therefore not connected to one another when they are fastened together and when the rolling process follows. This separation point between the two former individual sheets is mechanically expanded from the edge after the rolling process, so that an opening is formed at this edge point of the plate 9 (FIG. 6).
In this opening a copper tube 7 is inserted and z. B. attached to the plate 9 by brazing. The free end of this copper tube 7 is z. B. connected to a pressure medium pump by means of a sleeve and courage ter (not shown). The plate 9 is then expanded at the points at which the two original sheets 1 and 2 are not welded, but are separated by the spacing material, by introducing a pressure medium with a pressure of about 15 to 22 atmospheres. In the process, the desired communicating channels 6, 12 and 13 (FIGS. 6 and 7) are formed in the plate 9, through which the finished sheet metal body is obtained.
The spacing material in the channels, which adheres to the metal plate 9, is partly carried along by the pressure medium when it is expanded. The remaining part will be washed out later. When widening each channel, as will be explained in more detail further below, at least on one side of the plate 9, an outwardly projecting bulge corresponding to the channel course. As can be seen, ver run in the sheet metal body according to FIG. 6, the channels 6 transversely to the channel 12, which extends to the edge of the sheet metal body or plate edge, these channels 6 not extending to said edge.
The level of the pressure of the liquid or gaseous pressure medium required for expanding varies with the thickness, compensation or composition of the sheets 1 and 2. If desired, the plate 9 (Fig. 5) can be used to produce very sharp or compli ed channel cross-sectional shapes before the application The aforementioned pressure, as FIG. 9 shows, can be inserted between a male mold 17 and a female mold 16, the female mold 16 being provided with depressions in accordance with the desired channel cross-sectional shape.
As a result of the pressure medium flowing into the interior of the plate 9, the walls of the channels 6, 12 and 13 (FIG. 6) within the die 16 are reduced by about 0 from their original thickness of about 0.6 mm on each side of the spacing material , 02 reduced to 0.04 mm and appear as bulges 19 on one side of the plate 9 (FIG. 10), these expansion chungen 19 having a smaller wall thickness than that of the plate 9. The channel walls are solidified by the cold hardening that occurred as a result of the expansion of the plate 9. The length and width of the plate 9 are retained.
If no die is used, the channels in the plate 9 are widened with little or no thinning of the channel walls, and the channels are only formed when the pressure medium flows inside the plate 9 by opening the areas of the plate 9 filled with spacer material , the length or width of the same or both slightly reduced who, depending on the arrangement and dimensions of the resulting channels.
In some cases it may be desirable to make the sheet metal body not flat, but z. B. in U-shape, as used to partially enclose the ice cube or freezer compartment of a refrigerator. For this purpose, the plate 9 or the sheet metal body can be bent into the desired shape before or after the application of pressure for the formation of the channels. If the bending is done after the channels have been formed, the channel pattern should be designed so that this bending can actually be done and care should be taken during such bending work to ensure that no channels are blocked.
A hole 8 (FIG. 6) is then drilled in one of the channels and a small copper tube (not shown) is partially inserted and soldered into it. This tube then serves, together with the tube 7, as an inlet and outlet for the heat exchange medium flowing through the channel system if the sheet metal body serves as a heat exchange element. The channels 6, 12 and 13 essentially correspond to the pattern 3 of the spacing material in FIG. 1.
The above example relates to the produc- tion of a sheet metal body formed from two sheets 1 and 2. The expanded plate 9 (Figure 6) is relatively strong and stiff due to the stiffeners formed by the Ka channels 6, 12 and 13. The sheet metal body can thus be used with advantage as a structural part made from sheet metal. If a sheet metal body with only longitudinal stiffening projections is desired, the upper and lower ends of the sheet metal body in FIG. 6 can be cut back sufficiently far to remove the transverse channels 12 and 13. The channels in the sheet metal body, whether they are only arranged to stiffen the same or as a flow channel z. B.
are used for a refrigerant or for one and the other, can be obtained practically any arrangement, since this is easily obtained by the corresponding pattern of the spacer material.
For some uses, it may be desirable to provide the bulges formed by the channels from only on one side of the sheet metal body instead of on both sides. An example of this is shown in Fig. 8 in section, in which the Ka channels 6 bulges form only on one side of the sheet metal body. Such a construction is suitable for sheet metal bodies that must have a flat or flat side, and can, for. B. can be obtained if one of the sheets used is thick enough than the other, so that when the pressure medium flows inside the plate only on that side of the same an expansion occurs that corresponds to the thinner sheet. So z. B. one sheet may be ten times thicker than the other.
If the pattern is then applied, the two sheets are placed on top of one another and hot-rolled until they are welded together by pressure, and the further steps are carried out, as mentioned above, the final thickness of the plate is of course greater due to the greater thickness of one Sheet metal. A construction as shown in Fig. 8 can also be obtained by inserting the rolled plate 9 containing the spacer material into a die whose one surface is recessed to match the channel cross-sectional shape and the other surface is flat.
When applying pressure with pressure medium to the unwelded inner surfaces of the plate 9, one side of the latter is prevented from expanding by the flat die surface, while the other side of the plate 9 can be expanded into the recesses of the other die surface.
Instead of a semicircular cross-section expansion according to FIG. 8, a different shape may be desirable. Fig. 9 shows an example of forming channels with a triangular cross-sectional shape. The non-expanded plate 9 containing the spacing material is held firmly between the flat male mold 17 and the female mold 16 having a triangular cross-sectional shape (FIG. 6).
When the pressure medium is introduced into the plate 9, as described above, the channels are formed in the plate 9, and angular protruding bulges 19 appear on one side of the plate (FIG. 10). In some cases it may be desirable to dispose the bulges partially offset from one another on one side and partially on the opposite side of the sheet metal body. Such an example is shown in FIGS. 11 and 12, from which it can be seen that the channels are formed by widenings on one side of the sheet metal body at its two ends and by widenings on the other side of the sheet metal body at its center.
Here, too, the expansion is achieved in that the plate 9 is inserted into a die whose surfaces adjacent to the plate 9 have depressions corresponding to the channel arrangement so that the desired expansions 14 and 15 arise on both sides of the finished sheet metal body. If the sheet metal body is to keep a U-shape for the purpose of enclosing the ice cube compartment of a refrigerator, it can be useful that it has expansion chungen, as described above, only in certain zones.
In the above, a certain sequence of rolling, annealing and cleaning has been described. Depending on the prevailing practice and the physical properties desired in the finished product, various rolling, annealing, cleaning, trimming, stitching, form can also be used between the processes of applying the spacing material and the introduction of the pressure medium into the plate - and other such treatments are carried out. So z. B. hot and cold rolling can be carried out in a number of stages, depending on the rolling equipment available and the like, or cold rolling or annealing, or both, can be omitted entirely.
Although, according to the preferred type of procedure described above, the pressure welding is carried out by hot rolling the structure made of sheet metal and spacer material, a part of the structure can only be pressure welded at room temperature by applying sufficient pressure.
Regardless of the intermediate treatment used, however, the two individual sheets must always be connected to one another in a suitable manner in order to form a single, approximately uniform layer at all superimposed points not separated from the spacing material before the expansion pressure is applied.
The method described is particularly suitable for continuous operation. So z. B. the spacing material is applied in the intended pattern to the surface of a metal strip running off a roll and a second metal strip is unwound from a second roll and placed on the first strip, whereupon both strips are made by spot welding, folding the edges, etc. stitched together and continuously passed through a furnace and hot rolling device.
After completion of the rolling process and the other processing operations, the pressure-welded structure containing the spacing material and consisting of the two strips is expanded by means of a printing means, as described above. Any suitable spacing material can be used. So z. B. in addition to the mixture of water glass and graphite listed above, other inorganic ingredients and mixtures are used, e.g. B. zinc oxide, kieselguhr, fire stone, talc, quartz powder, clay, etc., and mixtures of these materials or of the latter with graphite, water glass, etc.
The spacing material used must of course be composed in such a way that it flows or can be stretched with the metal from which the sheet is made and has sufficient thickness throughout to prevent bonding between the two sheets where this is not desired is. Likewise, the process described here is also applicable to sheets of different composition than described above, eg. B. in those made of aluminum, magnesium, steel and the like, which are suitable for pressure welding.
As can be seen from the above, the method according to the invention allows the production of a sheet metal body which can be provided with internal channels of almost any desired course, and this sheet metal body with its channels is suitable for use as a heat exchanger, which is cheaper and more suitable than those with known methods manufactured heat exchanger. Relatively heavy, cheap sheet metal can be used, since the low thickness of the duct wall is retained in the course of the process,
namely on the one hand by the thinning during hot rolling of the sheets and on the other hand by the subsequent expansion to form the channels by means of internal pressure. In known previous methods, the channel wall is embossed or drawn, and the sheet metal material used must have approximately the desired small thickness of the finished channel wall.