DE102005057327A1

DE102005057327A1 - Herstellungsverfahren und Hochdruckwärmetauscher

Info

Publication number: DE102005057327A1
Application number: DE102005057327A
Authority: DE
Inventors: Stephan B. Kenosha Memory; Gregory G. Milwaukee Hughes; James C. Racine Rogers; Siegbert Altendorfer; Johannes Moser
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2006-06-22
Also published as: BRPI0505385A; JP2006162245A; FR2878949A1; US20060118286A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Hochdruckwärmetauschern und ein Hochdruckwärmetauscher mit hochdruckbeständigen Endkammern (10, 12) bereitgestellt, das für die Massenproduktion geeignet ist und es gestattet, die Endkammern (10, 12) aus einer Endkammerkonstruktion (10), (12) mit einem relativ dünnen Wandteil (32) und einem relativ dicken Wandteil (30) herzustellen. Ein Streifen (40) wird zur Bereitstellung der erwünschten Dicke am dünnen Wandteil (32) verwendet, wobei sowohl der dünne Wandteil (32) als auch der Streifen (40) Rohrschlitze (34), (42) aufweisen, die darin durch einen einen Schritt umfassenden Stanzvorgang ausgebildet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl ein Herstellungsverfahren für Hochdruckwärmetauscher mit einer Hochdruckendkammer als auch einen Hochdruckwärmetauscher, der eine Hochdruckendkammer aufweist.
Die Sorge hinsichtlich globaler Erwärmung und der Beeinträchtigung der Ozonschicht infolge des Entweichens von fluorhaltigen Kältemitteln aus Kälteanlagen, einschließlich Klimaanlagen, war der Anlass für eine neue Betrachtung von Kälteanlagen, die umweltfreundlichere Kältemittel verwenden. Eine solche untersuchte Anlage ist eine Anlage auf Kohlendioxidbasis (CO₂-Basis), bei der CO₂ als das Kältemittel eingesetzt wird. CO₂-Anlagen werden mit einem bedeutend höheren Innendruck betrieben als herkömmliche Anlagen, bei denen auf Fluor basierende Kältemittel eingesetzt werden, und infolgedessen besteht der Bedarf, den Druckwiderstand von in solchen Anwendungen verwendeten Wärmetauschern, wie zum Beispiel dem Gaskühler und dem Verdampfer solcher Anlagen, zu verbessern.
Gleichzeitig haben diese Anlagen das Potential für eine umfassende Verwendung in Fahrzeugklimaanlagen, wo das Gewicht aufgrund seiner Auswirkung auf Kraftstoffwirtschaftlichkeit ein großes Anliegen ist. Diese Betrachtung macht es aufgrund des höheren Gewichts dickerer Wandelemente unmöglich, den gewünschten Druckwiderstand einfach durch Erweitern der Wanddicke herkömmlicher, in solchen Anlagen verwendeter Wärmetauscher ohne große Änderungen zu erreichen. Des Weiteren ist diese Lösung wirtschaftlich nicht realisierbar, weil das Vergrößern der Wanddicke bestehender Komponenten ohne Änderung ihrer Größe zur Erreichung von Druckwiderstand bedeutet, dass Material in den Wärmetauscher, in besonderem Maße in die Endkammern, gehen muss, wodurch die Kosten des sich ergebenden Wärmetauschers erhöht werden.
Es sind verschiedene Lösungen für dieses Problem vorgeschlagen worden. Zum Beispiel werden bei vielen der Wärmetauscher röhrenförmige Endkammern eingesetzt, die eine allgemein zylindrische Form aufweisen. Die Enden herkömmlicher abgeflachter Rohre sind in Rohrschlitzen in der Endkammer angeordnet, wobei sich diese Rohrschlitze quer zur Erstreckungsrichtung der Endkammer erstrecken. Es ist vorgeschlagen worden, den Durchmesser der Endkammer zu verkleinern und die Rohrschlitze so neu auszurichten, dass sie sich in Erstreckungsrichtung der Endkammer erstrecken. Die Rohre sind dann in der Nähe ihrer Enden mit einer Verdrehung versehen, um eine erwünschte Ausrichtung der Rohre für Luftstrom zwischen den Rohren durch den Wärmetauscher zu präsentieren.
Eine Hauptschwierigkeit bei diesem Lösungsansatz besteht darin, dass bei Endkammern mit kleinerem Durchmesser der Vorgang der Herstellung der Rohrschlitze in den Endkammern zunehmend schwieriger geworden ist. Damit die den kleineren Durchmesser aufweisenden Endkammern eine erwünschte Wanddicke aufweisen, ist es erforderlich geworden, die Rohrschlitze maschinell, zum Beispiel durch Fräsen, herauszuarbeiten. Leider sind diese maschinellen Bearbeitungsvorgänge zeitaufwendig und teuer und sind insbesondere teurer als die verschiedenen Stanztechniken, die zur Herstellung von in Querrichtung verlaufenden Rohrschlitzen in zylindrischen Endkammern bei herkömmlichen Wärmetauschern, die herkömmliche Kältemittel verwenden, verwendet worden sind.
Somit besteht ein echter Bedarf an einer kostengünstigeren Endkammer zur Verwendung bei Hochdruckwärmetauschern, wie zum Beispiel jene als Verdichter, Gaskühler und/oder Verdampfer in Hochdruckkälteanlagen verwendeten. Die vorliegende Erfindung betrifft die Erfüllung des Bedarfs.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung a) eines neuen und verbesserten Verfahrens zur Herstellung eines Hochdruckwärmetauschers mit einer Hochdruckendkammer, und b) eines neuen und verbesserten Hochdruckwärmetauschers mit verbessertem Druckwiderstand, der es ihm gestattet, in einer Hochdruckanlage, wie zum Beispiel einer Hochdruckkälteanlage wie beispielsweise einer CO₂-Kälteanlage, zu funktionieren.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckwärmetauschers mit hochdruckbeständigen Endkammern bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer länglichen Endkammerkonstruktion mit einem Paar nebeneinander liegender, sich in Längsrichtung erstreckender Durchlässe, die von einer Wand umgeben sind, deren Dicke dazu ausreicht, einer Verformung zu widerstehen, wenn ein Fluid in den Durchlässen mit einem Betriebsdruck beaufschlagt wird, bei dem Verformung widerstanden werden soll, b) Verdünnen der Wand entlang ihrer Länge durch Bereitstellung einer ersten Pass-Außenfläche an einem Teil davon, so dass die Wand an der ersten Pass-Außenfläche so dünn ist, dass Rohrschlitze darin durch Stanzen im Gegensatz zu teureren maschinellen Bearbeitungsvorgängen hergestellt werden können, c) Stanzen von Rohrschlitzen in vorbestimmten Abständen der Wand an der ersten Passfläche, d) Bereitstellen eines länglichen Streifens mit einer zweiten Passfläche, die komplementär zur ersten Passfläche ist und eine solche Dicke aufweist, dass die kombinierte Dicke des Streifens und der Wand an ihrer ersten Passfläche ungefähr gleich der erwünschten Dicke der Wand oder größer als diese ist, e) Stanzen von Rohrschlitzen in den Streifen in den vorbestimmten Abständen, f) Anlegen der zweiten Passfläche des Streifens an die erste Passfläche der Endkammerkonstruktion, wobei die Rohrschlitze in jeder aufeinander ausgerichtet sind, und g) Verbinden des Streifens mit der Endkammerkonstruktion entlang ihren jeweiligen Längen zur Bereitstellung einer einteiligen Endkammer mit Rohrschlitzen darin.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind beide Passflächen flache Flächen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird des Weiteren in Betracht gezogen, dass die Schritte a) und b) durch Extrusion der Endkammerkonstruktion gleichzeitig ausgeführt werden.

Bei einer Ausführungsform wird Schritt b) durch Bereitstellung einer Streifenaufnahmenut in dem Teil der Endkammerkonstruktionsaußenfläche durchgeführt und weist die Nut eine flache Bodenfläche auf, die die erste Passfläche definiert.

Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Hochdruckwärmetauscher bereitgestellt, der eine Hochdruckendkammer enthält. Es sind mehrere Rohre, von denen jedes einen abgeflachten Querschnitt aufweist, vorgesehen, deren Enden jeweils in entsprechenden der Rohrschlitze angeordnet sind.

Bei einer Form sind die Enden der Rohre um 90° zum Rest des entsprechenden Rohrs verdreht, und Rippen erstrecken sich zwischen benachbarten des Rests der Rohre und sind damit verbunden.

Vorzugsweise handelt es sich bei den Rippen um serpentinenförmige Rippen.

Gemäß einem Aspekt wird die Hochdruckendkammer für den Hochdruckwärmetauscher bereitgestellt. Die Endkammerkonstruktion enthält ein längliches röhrenförmiges Element mit einem Paar nebeneinander liegender, sich in Längsrichtung erstreckender Durchlässe und einer Rohraufnahmeseite. Das Element ist eine einteilige Konstruktion und weist eine relativ dicke Wand, die den Durchlass teilweise umgibt, und eine relativ dünne Wand an der Rohraufnahmeseite auf. Eine erste Pass-Außenfläche, die durch eine Aussparung definiert wird, befindet sich an der relativ dünnen Wand des Elements, und mehrere gestanzte erste Rohraufnahmeschlitze befinden sich in vorbestimmten Abständen an der ersten Passfläche und stehen mit dem Durchlass in Strömungsverbindung. Es ist ein länglicher Streifen mit einer zweiten Passfläche, die zu der ersten Passfläche komplementär ist und daran anliegt, so dass die Dicke des Streifens und der dünnen Wand im Wesentlichen gleich der Dicke der dicken Wand oder größer als diese Dicke ist, vorgesehen. Mehrere zweite Rohraufnahmeschlitze befinden sich in den gleichen vorbestimmten Abständen wie die Rohrschlitze in der ersten Passfläche in dem Streifen und sind darin ausgestanzt. Sie sind auf die ersten Rohraufnahmeschlitze ausgerichtet. Es ist eine Verbindung vorgesehen, die das Element und den Streifen zusammenfügt.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Verbindung um eine Hartlötverbindung.

Andere Aufgaben und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Aufriss eines erfindungsgemäß hergestellten Wärmetauschers;

2 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform einer hergestellten Endkammer;

3 ist eine Draufsicht einer hergestellten Endkammer;

4 ist eine Draufsicht eines Streifens, der an dem in 3 gezeigten Endkammerelement angebracht ist, um eine hergestellte Endkammer zu bilden;

5 ist ein Querschnitt einer modifizierten Ausführungsform der Endkammer;

6 ist ein Querschnitt noch einer anderen modifizierten Ausführungsform;

7 ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer hergestellten Endkammer;

8 ist ein Querschnitt noch einer anderen Ausführungsform einer hergestellten Endkammer; und

9 ist eine ähnliche Ansicht wie 7, zeigt aber eine alternative Rohrkonstruktion zur Verwendung mit der Endkammer;

10 ist ein Querschnitt noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung in einem Zustand kurz vor der Endmontage vor dem Hartlöten; und

11 ist ein Querschnitt der Ausführungsform von 10 bei einem anschließenden Schritt ihrer Montage vor dem Hartlöten.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In 1 wird ein erfindungsgemäß hergestellter Wärmetauscher dargestellt, der im Zusammenhang mit einer Kälteanlage beschrieben wird. Die Erfindung ist jedoch gemäß jedem ihrer Aspekte auf Hochdruckwärmetauscher im Allgemeinen anwendbar; und es ist keine Einschränkung auf Kälteanlagen, außer wie in den Ansprüchen angeführt, beabsichtigt. In der Darstellung enthält der Wärmetauscher einander gegenüberliegende, beabstandete Endkammern 10 und 12. Die Endkammern 10 und 12 sind röhrenförmig, wie im Folgenden zu sehen, und nehmen die Enden 14 von geraden, abgeflachten Rohren 16 auf. Die Enden 14 stehen mit dem Inneren der Endkammern 10, 12 in Strömungsverbindung und sind voneinander beabstandet. Als Alternative dazu könnten die Endkammern dicht nebeneinander angeordnet sein, wobei U-förmige abgeflachte Rohre (nicht gezeigt) mit dem Inneren der Endkammern 10, 12 in Strömungsverbindung stehen.
Rippen 18, bei denen es sich vorzugsweise um serpentinenförmige Rippen handelt, erstrecken sich zwischen benachbarten der Rohre 16 zwischen den Enden 14 und sind mit den Rohren verbunden.
Die Rohre 16 sind abgeflachte Rohre, und ihre große Abmessung verläuft zwischen den Enden 14 von der Vorder- zur Rückseite des Wärmetauschers. Das heißt, die Rippen 18 sind entlang ihren großen Abmessungen mit den Seiten der Rohre 16 verbunden. Die kleine Abmessung weist nach vorne, um die Behinderung von Luftstrom, durch die Rohre 16 selbst eingeführt, auf ein Minimum zu reduzieren.
Neben den Enden 14 enthalten die Rohre 16 eine Verdrehung 20, die es gestattet, die Enden 14 in Rohrschlitze (in 1 nicht gezeigt) einzusetzen, die länglich sind und sich in Erstreckungsrichtung der Endkammern 10, 12 erstrecken. Normalerweise beträgt die Verdrehung 20 90°, obgleich, falls gewünscht, auch andere Winkel verwendet werden können.
Eine der Endkammern 10 kann mit einem Einlass versehen sein, der durch einen Pfeil 22 schematisch angedeutet ist, während die gegenüber liegende Endkammer mit einem Auslass versehen ist, der durch einen Pfeil 24 schematisch angedeutet ist. Natürlich kann es sich in einigen Fällen bei dem Wärmetauscher um einen so genannten mehrzügigen Wärmetauscher handeln, wobei dann Prallflächen zum Hin- und Herleiten des Stroms zwischen den Endkammern 10, 12, zumindest einmal, vorgesehen sind. Wenn die Anzahl von Zügen eine gerade Anzahl ist, befinden sich sowohl der Einlass 22 als auch der Auslass 24 in der gleichen Endkammer 10, 12, während sich bei einem 1-Zug-Wärmetauscher oder einem mehrzügigen Wärmetauscher mit einer ungeraden Anzahl von Zügen der Einlass 22 und der Auslass 22 in verschiedenen der Endkammern 10, 12 befinden werden. Falls gewünscht, könnte darüber hinaus ein mehrreihiger Wärmetauscher unter Verwendung mehrerer der in 1 gezeigten Konstruktionen in gestapelter Beziehung mit den Endkammern 10 und/oder 12 hergestellt werden, die durch Verteiler verbunden sind, die wiederum auch mit Prallflächen versehen sein können, um einen beliebigen gewünschten Stromkreislauf bereitzustellen.
Nunmehr auf die 2 – 4 Bezug nehmend, werden die Endkammern 10, 12 beschrieben. Da sie identisch miteinander sind, wird nur die Endkammer 10 ausführlich beschrieben, wobei die gleiche Beschreibung natürlich auch für die Endkammer gilt.
Wie in 2 zu sehen, handelt es sich bei der Endkammer 10 um ein zylindrisches Rohr 26 mit einer mittleren, zylindrischen Bohrung 28, die als Durchlass für einen der Wärmeaustauschfluide dient, die mit dem Wärmetauscher verwendet werden. Die Endkammer 10 weist einen relativ dickwandigen Teil 30 und einen relativ dünnwandigen Teil 32 auf. Der dickwandige Teil 30 weist eine Dicke auf, die den typischen Betriebsdrücken, die im Durchlass 28 während des Betriebs des Wärmetauschers in einer Kälteanlage angetroffen werden, ohne Verformung widerstehen kann, plus einem geeigneten Sicherheitsfaktor. Der dünnwandige Teil 32 weist an seiner dünnsten Stelle eine Dicke von ca. der Hälfte der des dickwandigen Teils 30 auf; und diese Dicke ist derart, dass eine Reihe von länglichen Rohrschlitzen 34 durch einen einfachen Stanzvorgang in dem dünnwandigen Teil vorgesehen werden kann. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform wird der dünnwandige Teil 32 durch den flachen Boden 36 eine Aussparung in Form einer Nut 38 definiert, die entlang der Länge der Endkammer 10 ausgebildet ist. Der Boden 36 dient als erste Passfläche und ist in der Regel flach, kann aber, falls gewünscht, auch andere Konfigurationen annehmen.
Gemäß der Erfindung ist ein länglicher Streifen 40 durch Hart- oder Weichlöten in der Nut 38 verbunden. Dazu ist der Streifen 40 in der Regel lötplattiert. Solche Verbindungen werden hier allgemein als metallurgische Verbindungen bezeichnet. Der Streifen 40 weist mehrere längliche Rohraufnahmeschlitze 42 auf, die vorzugsweise die gleiche Größe und die gleiche Form wie die Schlitze 34 in der Endkammer 10 aufweisen. Sie befinden sich auch in den gleichen vorbestimmten Abständen wie die Schlitze 34. Somit kann der längliche Streifen 40 in der Nut 38 eingesetzt und die Rohrschlitze 34 und 42 können vor der Herstellung der oben genannten metallurgischen Verbindung aufeinander ausgerichtet werden. Obgleich bevorzugt wird, dass die Schlitze 42 die gleiche Größe und Form wie die Schlitze 34 in der Endkammer 10 aufweisen, kann es bei einigen Anwendungen wünschenswert sein, dass ein Satz der Schlitze 34 oder 42 eine Größe und Form aufweist, die zur Aufnahme und Herstellung einer Bondverbindung mit den Enden 14 der Rohre geeignet sein können, wobei die anderen des Satzes von Schlitzen 34 oder 42 eine andere Größe und/oder Form aufweisen, die sich nicht unbedingt zur Herstellung einer Bondverbindung mit den Enden 14 des Rohrs 16 eignen.
Der Streifen 40 weist eine flache Fläche 44 auf, die eine zweite Passfläche zum Zusammenfügen mit dem Boden 36 der Nut 38 ist. Wenn andere als flache Flächen als Boden der Nut 36 verwendet werden, wird die Fläche 44 so konfiguriert, dass sie zu der Form des Bodens 36 der Nut 38 komplementär ist.
Der Streifen 40 weist eine Dicke auf, die ungefähr gleich der Hälfte der Dicke des dickwandigen Teils 30 der Endkammer 10 oder größer als diese ist, oder umgekehrt, so dass die Rohrschlitze 42 durch einen einzigen Stanzvorgang darin hergestellt werden können. Nach dem Zusammenfügen gemäß der Darstellung in 2 ist die Mindestgesamtdicke der Endkammer 10 an ihrem dünnwandigen Teil 32 und des Streifens 10 gleich der Dicke des dickwandigen Teils 30 des Rests der Endkammer oder größer.
Gewöhnlich wird Aluminium aufgrund seines geringen Gewichts als Material zur Herstellung sowohl der Endkammer 10 als auch des Streifens 40 benutzt, um die Masse des Wärmetauschers, in dem die Endkammer verwendet wird, auf ein Minimum zu reduzieren. Es können jedoch, falls gewünscht, auch andere Materialien verwendet werden.
Bezeichnenderweise werden die Dicke des dünnwandigen Teils 32 und die des Streifens 40 beide so ausgewählt, dass die Rohrschlitze 34, 42 in die jeweiligen Elemente 10, 40 gestanzt werden können, anstatt eine Herstellung durch maschinelle Bearbeitungsvorgänge, wie zum Beispiel Fräsen, zu erfordern. Infolgedessen können die sich ergebenden Rohrschlitze, die eine Kombination der Schlitze 34 und 42 sind, kostengünstig hergestellt werden, wodurch die Kosten der sich ergebenden Endkammer reduziert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Endkammern 10 durch Extrusion hergestellt, obgleich es möglich ist, sie durch andere Mittel, zum Beispiel Fließdrücken, aus einem Streifen von geeignetem Material, herzustellen.
In der Regel weisen die Endkammern 10 ihren dünnwandigen Teil 32 auf ihrer Außenseite auf, damit der Streifen 40 leichter daran angebracht und darauf ausgerichtet werden kann. Es ist jedoch möglich, den relativ dünnen Bereich 32 auf der Innenseite der Endkammer als Teil der den Durchlass 28 definierenden Innenwand vorzusehen.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Endkammer mit einem Querschnitt einer Halbovalen mit an den Punkten 50 endenden Seiten ausgebildet ist. Bei der Ausführungsform von 5 befindet sich der dünnwandige Teil zwischen den Seiten 50 und liegt wieder in Form einer Aussparung vor, die durch eine Nut 38 zur Aufnahme eines Streifens 40 bereitgestellt wird. Die relativen Abmessungen sind die gleichen wie zuvor erwähnt und gestatten deshalb das Stanzen der Rohrschlitze 34, 42 sowohl in die Endkammer 10 als auch in den Streifen 40. Die Endkammer 10 und der Streifen 40 sind natürlich, wie oben erwähnt, metallurgisch miteinander verbunden.
6 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Endkammer 10, bei der wieder ihr Querschnitt dem einer Halbovalen entspricht. In diesem Fall ist die Nut zugunsten einer einfachen, planaren Fläche 52, die als eine sich zwischen den Enden 50 der Halbovalen erstreckenden Aussparung dient, nicht ausgebildet. In diesem Fall kann ein etwas breiterer Streifen 40 verwendet werden, der sich von einer Seite 50 der Endkammer-Halbovalform zur anderen erstreckt.
Die Anordnung ist wieder derart, dass ein dünnwandiger Teil 32 vorgesehen ist, der durch den Streifen 40 bedeckt werden soll.
Im Allgemeinen werden die in den 2 und 5 gezeigten Ausführungsformen insofern bevorzugt, als die Nut 38 eine leichte Positionierung des Streifens 40 gestattet. Und von diesen beiden wird die in 2 dargestellte Ausführungsform bevorzugt, weil, wie ein Vergleich der Querschnitte jeder der in den 2, 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen zeigen wird, weniger Material dazu erforderlich ist, die in 2 dargestellte Ausführungsform zu bilden als eine der anderen, wodurch ein Minimum an Kosten gewährleistet wird.
Des Weiteren wird bevorzugt, dass die Rohrschlitze 34 und 42 länglich sind, wodurch der Verwendung von abgeflachten Rohren, wie zum Beispiel des Rohrs 16, Rechnung getragen wird. Des Weiteren wird bevorzugt, dass die Erstreckungsrichtung der Rohrschlitze 34 und 42 in Erstreckungsrichtung der Endkammern 10 und 12 verläuft, da dies eine Verringerung des Durchmessers sowohl des Durchlasses 28 als auch der Endkammer 10, 12 gestattet. Diese Durchmesserverringerung gestattet wiederum die Verwendung einer dünnerwandigen Endkammer 10, selbst bei ihrem relativ dicken Teil 30, während Druckwiderstandserfordernissen für eine Anlage noch entsprochen wird. Dadurch wird auch die verwendete Materialmenge auf ein Minimum reduziert, während die Verwendung einer ziemlich großzügigen großen Abmessung in den Rohren 16 gestattet wird.
Als Beispiel kann die in 2 dargestellte Ausführungsform aus einer Endkammer mit einem Außendurchmesser von ca. 12,70 mm und mit einem Durchlassdurchmesser 28 von 6,35 mm hergestellt werden. Dadurch wird eine Wanddicke von 3,18 mm für den relativ dicken Wandteil 30 bereitgestellt. Die Nut 38 kann eine Tiefe von ca. 1,57 mm aufweisen, während der Streifen 40 eine Dicke von 1,60 mm aufweisen kann. Die Breite des Streifens 40 kann auch ca. 6,35 mm betragen.
Im Allgemeinen ist es wünschenswert, dass der dünnwandige Teil 32 an seiner dünnsten Stelle gleich ungefähr der Hälfte der Wanddicke der Endkammer 10 ist, und dass der Streifen 40 die gleiche ungefähre Dicke aufweist. Ist dies der Fall, dann wird das Vermögen, die Rohrschlitze 34 und 42 zufriedenstellend zu stanzen, maximiert, weil sowohl der dünnwandige Teil 32 als auch der Streifen 40 eine minimale Dicke aufweisen, um das Stanzen zu erleichtern.
Die 7 und 8 zeigen noch eine weitere Modifikation der Erfindung. Der Kürze halber erhalten Komponenten, die der Ausführungsform von 2 gemein sind, gleiche Bezugszahlen und sie werden nicht erneut beschrieben, es versteht sich aber, dass zuvor beschriebene Merkmale dieser Komponenten gleichermaßen für die Ausführungsformen der 7 und 8 gelten. Bei diesen Ausführungsformen wird ein Paar nebeneinander liegender Bohrungen oder Durchlässe 54 bereitgestellt anstatt einer einzigen zylindrischen Bohrung 28 wie in 2. In der Darstellung von 7 sind die Bohrungen 54 zylindrisch, während in 8 die Bohrungen 54 nicht zylindrisch sind. Die Endkammern 10 der 7 und 8 sind zur Verwendung in einem mehrreihigen Wärmetauscher mit zwei Reihen von Rohren 16 (wie in 7 gezeigt) anstatt einer einzigen Reihe der Rohre 16, wie zuvor beschrieben wurde, wünschenswert.
Jede der Bohrungen 54 weist einen Satz von Rohrschlitzen 34 und einen Satz von der Bohrung 54 zugeordneten Rohrschlitzen 42 auf. Daraus folgt, dass der Schlitz 40 zwei Sätze von Schlitzen 42 aufweist, von denen einer auf eine der Bohrungen 54 und der andere auf die andere Bohrung 54 ausgerichtet ist. Zur Veranschaulichung wird jedes der Rohre 16 so gezeigt, dass seine große Abmessung quer zur Längsachse der zugehörigen Bohrung 54 verläuft. Es versteht sich jedoch, dass es bei einigen Anwendungen wünschenswert sein kann, dass die großen Abmessungen parallel zur Längsachse der zugehörigen Bohrung 54 verlaufen.
Ein Paar der Endkammern 10 der 7 und 8 kann in beabstandeter, paralleler Beziehung vorgesehen werden, wie bei den Endkammern von 1 gezeigt, wobei sich zwei Reihen der Rohre 16 zwischen sie erstrecken, oder jedes der Rohre 16 kann mit einem von einer einzigen der Endkammern 10 der 7 oder 8 entfernten gebogenen Teil 55 versehen sein, so dass die beiden Reihen aus parallelen Schenkeln 56 des gleichen Rohrs gebildet werden, wobei die Enden des Rohrs 16 in einer einzigen der Endkammern 10 aufgenommen werden, wie in 9 gezeigt. Als noch weitere Alternative kann eine einzige Reihe abgeflachter Rohre 16, dessen große Abmessungen relativ groß sind, mit einer der Endkammern 10 der 7 und 8 verwendet werden, wobei eine Kerbe 57 im Ende des Rohrs vorgesehen ist und Endteile 58 und 59, die sich auf einander gegenüberliegenden Seiten der Kerbe 57 befinden und in jeweiligen der Rohrschlitze 34, 91 aufgenommen werden, mit jeweiligen der Bohrungen 54 in Strömungsverbindung stehen.
Die 10 und 11 zeigen noch eine weitere Modifikation der Erfindung. Sie wird im Zusammenhang mit der in 2 dargestellten Ausführungsform dargestellt, es liegt jedoch auf der Hand, dass sie auch auf die Ausführungsform von 5 anwendbar ist. Der Kürze halber erhalten die Komponenten, der der Ausführungsform von 2 gemein sind, gleiche Bezugszahlen und werden nicht erneut beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist die Nut 38 entlang ihrer Länge von zwei Nasen 60 flankiert. Wie in 10 zu sehen, erstrecken sich die Enden 62 der Nasen über die radial äußere Seite 64 des Streifens 40, so dass der Streifen 40 einwärts des Endes 62 der Nasen 60 in der Nut 38 verschachtelt ist. Wie in 11 zu sehen, können die Enden 62 der Nasen 60 gequetscht oder auf andere Weise über die Enden der radial äußeren Fläche 64 verformt sein. Dieses Quetschen kann entlang der gesamten Länge der Nasen 60 erfolgen oder an erwünschten Stellen entlang ihrer Länge intermittierend vorliegen. In jedem Fall sorgen die Nasen 60 und insbesondere ihre Enden 62 für eine Selbstfestlegung der Endkammerrohranordnung beim Hartlöten.
Es sei besonders darauf hingewiesen, dass die vorhergehende Beschreibung zwar unter Bezugnahme auf die in 2 dargestellte Ausführungsform erfolgte, sie aber gleichermaßen auch auf die in 5 dargestellte Ausführungsform angewandt werden kann und tatsächlich sogar bei der Ausführungsform der 6, 7 und 8 eingesetzt werden könnte, wenn die Breite des Streifens 40 in den auf einander gegenüberliegenden Seiten der Fläche 52 angeordneten Nasen etwas verringert wäre. Diese Konstruktion gewährleistet, dass der Streifen 40 während des Hartlötens sicher in der Kerbe 36 festgehalten wird, um eine leckfreie Grenzfläche zwischen dem Rohr 10 und dem Streifen 40 zu gewährleisten.
Aus dem Vorhergehenden geht hervor, dass die Erfindung eine kostengünstige Endkammer mit geringer Masse zur Massenproduktion in Anlagen, wie zum Beispiel CO₂-Kälteanlagen, mit Berstdrücken von ca. 44 816 kPa oder darüber bereitstellen kann. Die Erfindung gestattet die Verwendung eines einen Schritt umfassenden Stanzvorgangs für jede der Endkammern und den Streifen, wodurch auf den derzeit erforderlichen Fräsprozess zur Herstellung der Rohrschlitze und Endkammern mit den betreffenden Dicken verzichtet werden kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckwärmetauschers mit einer Hochdruckendkammer (10, 12), das die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen einer länglichen Endkammerkonstruktion (10, 12) mit einem Paar nebeneinander liegender sich in Längsrichtung erstreckender Durchlässe (28,54), die von einer Wand (30) umgeben sind, deren Dicke dazu ausreicht, einer Verformung zu widerstehen, wenn ein Fluid in den Durchlässen (28, 54) mit einem Betriebsdruck beaufschlagt wird, bei dem der Verformung widerstanden werden soll; (b) Verdünnen der Wand (30) entlang ihrer Länge durch Bereitstellung einer ersten Pass-Außenfläche an einem Teil davon, so dass eine verdünnte Wand (32) an der ersten Pass-Außenfläche so dünn ist, dass Rohrschlitze (34) an der ersten Passfläche in die verdünnte Wand (32) gestanzt werden können, die durch die verdünnte Wand (32) in den Durchlässe (28, 54) verlaufen; (c) Stanzen von Rohrschlitzen (34) in vorbestimmten Abständen in die verdünnte Wand (32) an der ersten Passfläche, wobei einige der Schlitze (34) in einen der Durchlässe (54) und andere der Schlitze (34) in die anderen der Durchlässe (54) verlaufen; (d) Bereitstellen eines länglichen Streifens (40) mit einer zweiten Passfläche, die komplementär zur ersten Passfläche ist und eine solche Dicke aufweist, dass die kombinierte Dicke des Streifens (40) und der verdünnten Wand (32) an ihrer ersten Passfläche ungefähr gleich der ausreichenden Dicke der Wand (30) oder größer als diese ist; (e) Stanzen von Rohrschlitzen (42) in den Streifen (40) in vorbestimmten Abständen; (f) Anlegen der zweiten Passfläche des Streifens (40) an die erste Passfläche der Endkammerkonstruktion (10, 12), wobei die Rohrschlitze (34, 42) in jeder aufeinander ausgerichtet sind; und (g) Verbinden des Streifens (40) mit der Endkammerkonstruktion (10, 12) entlang ihren jeweiligen Längen zur Bereitstellung einer einteiligen Endkammer (10, 12) mit Rohrschlitzen darin.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beide Passflächen flache Flächen sind.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Schritte (a) und (b) gleichzeitig durch Extrusion der Endkammerkonstruktion (10; 12) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schritte (a) und (b) gleichzeitig durch Extrusion der Endkammerkonstruktion (10; 12) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt (b) durch Bereitstellung einer Streifenaufnahmenut (38) in dem Teil der Endkammerkonstruktionsaußenfläche durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Nut (38) eine flache Bodenfläche (36) aufweist, die die erste Passfläche definiert, und die zweite Passfläche flach ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt (e) durch derartiges Stanzen der Rohrschlitze (42) in die Streifen (40), dass sie im Wesentlichen die gleiche Größe und Form wie die Rohrschlitze (34) in der ersten Passfläche aufweisen, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt (b) durch Herstellung einer Streifenaufnahmenut (38) in der Wand durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Schritt (f) der Schritt des Bereitstellens von Nasen (60) auf einander gegenüberliegenden Seiten der Streifenaufnahmenut (38) vorausgeht und sich an Schritt (f) der Schritt des Verformens der Nasen (60) über den Streifen (40) anschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt (f) die Schritte des Bereitstellens von Nasen (60) auf einander gegenüberliegenden Seiten der ersten Pass-Außenflächen vorausgehen und der Schritt des Verformens der Nasen (60) über einander gegenüberliegende Ränder des Streifens (40) sich an Schritt (f) anschließt und Schritt (g) vorausgeht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Durchlässe (54) von Schritt (a) mit einer zylindrischen Form versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Durchlässe (54) von Schritt (a) mit einer nicht zylindrischen Form versehen werden.
Hochdruckwärmetauscher, der Folgendes umfasst: mindestens eine Hochdruckendkammer (10, 12), die durch eine längliche röhrenförmige Konstruktion mit einem Paar nebeneinander liegender, sich in Längsrichtung erstreckender Durchlässe (54) und einer Rohraufnahmeseite definiert wird, wobei es sich bei der Konstruktion um eine einteilige Konstruktion mit einer relativ dicken Wand (30), die die Durchlässe (54) teilweise umgibt, und einer relativ dünnen Wand (32) an der Rohraufnahmeseite handelt; eine erste Pass-Außenfläche, die durch eine Aussparung an der relativ dünnen Wand (32) des Elements definiert wird; mehrere gestanzte erste Rohraufnahmeschlitze (34) an der ersten Passfläche, die mit den Durchlässen in Strömungsverbindung stehen und sich in vorbestimmten Abständen befinden; einen länglichen Streifen (40) mit einer zweiten Passfläche, die zu der ersten Passfläche komplementär ist und daran anliegt, so dass die Dicke des Streifens (40) und der dünnen Wand im Wesentlichen gleich der Dicke der dicken Wand (30) oder größer als diese Dicke ist; mehrere zweite gestanzte Rohraufnahmeschlitze (42) in dem Streifen (40), die sich darin in vorbestimmten Abständen befinden, wobei die zweiten Rohraufnahmeschlitze (42) auf die ersten Rohraufnahmeschlitze (34) ausgerichtet sind; eine die Konstruktion und den Streifen (40) zusammenfügende Verbindung; mehrere Rohre (16), die jeweils einen abgeflachten Querschnitt aufweisen und deren Enden (14) in den Rohrschlitzen (34, 42) angeordnet sind; und sich zwischen benachbarten Rohren (16) erstreckende und damit verbundene Rippen (18).
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem es sich bei den Rippen (16) um serpentinenförmige Rippen (16) handelt.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem sowohl die erste als auch die zweite Passfläche flach sind.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem sich die erste Passfläche an der Außenseite der Konstruktion befindet.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem es sich bei der Verbindung um eine Hartlötverbindung handelt.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem sowohl die erste als auch die zweite Passfläche flach sind und es sich bei der Verbindung um eine Hartlötverbindung handelt.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 18, bei dem die erste Passfläche durch den Boden einer in der Außenseite ausgebildeten Nut (38) definiert wird und sich der Streifen (40) in der Nut (38) befindet.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem es sich bei den Durchlässen um zylindrische Durchlässe handelt.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem es sich bei den Durchlässen um nicht zylindrische Durchlässe handelt.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, mit Nasen (60) auf einander gegenüberliegenden Seiten der Aussparung, die über einander gegenüberliegende Seiten des länglichen Streifens (40) verformt sind.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem die mehreren Rohre (16) eine erste Gruppe von Rohren, deren Enden (14) in den Rohrschlitzen in Strömungsverbindung mit einem der Durchlässe angeordnet sind, und eine zweite Gruppe von Rohren, deren Enden in den Rohrschlitzen in Strömungsverbindung mit den anderen der Durchlässe angeordnet sind, umfassen.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem in jedes der Enden (14) jedes der mehreren Rohre (16) eine Kerbe (57) ausgebildet ist, wobei ein erster Teil (58) auf einer Seite der Kerbe (57) in den Rohrschlitzen in Strömungsverbindung mit einem der Durchlässe und ein zweiter Teil (59) auf der anderen Seite der Kerbe (57) in den Rohrschlitzen in Strömungsverbindung mit dem anderen der Durchlässe angeordnet ist.
Hochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13, bei dem jedes der Rohre (16) der mehreren Rohre (16) ein Paar paralleler Schenkel (56) und eine die Schenkel an einer von mindestens einer Endkammer (10) abgesetzten Stelle verbindende Krümmung (55) enthält, wobei einer der Schenkel (56) ein in den Rohrschlitzen in Strömungsverbindung mit einem der Durchlässe angeordnetes Ende und der andere der Schenkel (56) ein anderes in den Rohrschlitzen in Strömungsverbindung mit dem anderen der Rohre (16) angeordnetes Ende aufweist.