DE102008019761B3

DE102008019761B3 - Wärmetauscher mit expandierbaren Kunststoff-Endrohren

Info

Publication number: DE102008019761B3
Application number: DE102008019761A
Authority: DE
Inventors: Eugen Bilcai; Andrea Ferrari
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2028-04-19
Also published as: WO2009127578A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der Wärmetauscher-Lamellen und mit diesen in thermischem Kontakt stehende im Wesentlichen parallele Metallrohre aufweist, wobei die Metallrohre im Wesentlichen senkrecht zu den Lamellen angeordnet sind und offene Enden aufweisen und wobei je zwei benachbarte Metallrohre an ihren offenen Enden in einem Überlappungsbereich durch jeweils ein U-förmiges Endrohr miteinander ohne Verwendung eines Klebstoffs verbunden werden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man: a) ein Endrohr verwendet, das aus einem thermisch expandierbaren Kunststoff besteht, und dieses im Überlappungsbereich auf die Metallrohre aufsteckt oder in die Metallrohre einsteckt und b) das Endrohr aus thermisch expandierbarem Kunststoff auf eine Expansionstemperatur erwärmt, bei welcher der Kunststoff expandiert, so dass sich das Endrohr im Überlappungsbereich an die Metallrohre anpresst. Ferner betrifft die Erfindung ein U-förmiges Endrohr, welches für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, wobei der Begriff „Herstellung" auch die Instandsetzung eines gebrauchten Wärmetauschers mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung einen entsprechend hergestellten Wärmetauscher sowie Endrohre, die bei seiner Herstellung verwendet werden können.
1 zeigt den schematischen Aufbau eines Wärmetauschers, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Diese Abbildung ist dem Dokument JP 2006/194543 A entnommen. Dieser Wärmetauscher besteht aus metallischen Rohrstücken (1), die durch senkrecht zu den Rohrstücken verlaufende Kühllamellen (2) miteinander verbunden sind. Offene Enden benachbarter Metallrohre (1) werden in einem Überlappungsbereich durch U-förmige Endrohre miteinander verbunden, wofür gemäß dem zitierten Dokument ein flüssiger wärmehärtbarer Klebstoff verwendet wird. Das Auftragen eines flüssigen Klebstoffs im Fertigungsbereich der Wärmetauscher hat den Nachteil, dass hierfür spezielle Applikationssysteme zur Verfügung gestellt werden müssen. Fehlfunktionen der Applikationssysteme können zu einer Verschmutzung von Ar beitsbereich und Werkstücken mit Klebstoff führen. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lösung dieses Problems vor.
Im Gegensatz zu dieser Lehre wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers beschrieben, bei dem man

a) ein Endrohr verwendet, das aus einem thermisch expandierbaren Kunststoff besteht, und dieses im Überlappungsbereich auf die Metallrohre aufsteckt oder in die Metallrohre einsteckt und
b) das Endrohr aus thermisch expandierbarem Kunststoff auf eine Expansionstemperatur erwärmt, bei welcher der Kunststoff expandiert, so dass sich das Endrohr im Überlappungsbereich an die Metallrohre anpresst.

Die Erfindung umfasst weiterhin einen entsprechend ausgeführten Wärmetauscher sowie vorgefertigte Endrohre, die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden können.
Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der Wärmetauscher-Lamellen und mit diesen in thermischem Kontakt stehende im wesentlichen parallele Metallrohre aufweist, wobei die Metallrohre im wesentlichen senkrecht zu den Lamellen angeordnet sind und offene Enden aufweisen und wobei je zwei benachbarte Metallrohre an ihren offenen Enden in einem Überlappungsbereich durch jeweils ein U-förmiges Endrohr miteinander ohne Verwendung eines Klebstoffs verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass man:

Nach diesem Verfahren kann beispielsweise ein Wärmetauscher hergestellt werden, wie er schematisch in 1 dargestellt ist. Dabei ist es im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mehr erforderlich, Endrohr und Metallrohre mit einem Klebstoff miteinander zu verbinden. Vielmehr können vorgefertigte lager- und versandfähige Endrohre hergestellt werden, die zur Fertigung des Wärmetauschers einfach auf die Metallrohre aufgesteckt oder in diese eingesteckt werden. Durch Erhitzen auf die Expansionstemperatur dehnt sich das Material des Endrohrs irreversibel aus, so dass sich das Endrohr im Überlappungsbereich an die Metallrohre anpresst und sich auf diese Weise mechanisch fest mit den Metallrohren verbindet.
Wie bei Wärmetauschern üblich, ist das Material der Metallrohre vorzugsweise ausgewählt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Sofern die Metallrohre aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, können sie zumindest im Überlappungsbereich vor dem Auf- oder Einstecken des Endrohrs einer chemischen Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Für Einzelheiten wird auf die Ausführungen in GB 2008462 A verwiesen. Anstelle der dort bevorzugt eingesetzten Chromatierung wird jedoch aus Umweltgründen ein chromfreies Konversionsverfahren bevorzugt, beispielsweise eine Behandlung der Aluminiumoberflächen mit einer sauren wässrigen Lösung komplexer Fluoride mindestens eines der Elemente B, Si, Ti, Zr. Hierfür können beispielsweise Verfahren eingesetzt werden, wie sie in EP 754 251 B1 oder im dort einleitend zitierten Stand der Technik vorgeschlagen werden.
Eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt. Hierbei ist vorgesehen, dass das U-förmige Endrohr (3) auf die Metallrohre (1) aufgesteckt wird, so dass sich im Überlappungsbereich das Metallrohr innerhalb des U-förmigen Endrohrs befindet. Vorzugsweise ist dabei das U-förmige Endrohr im Überlappungsbereich aufgeweitet, so dass es über das Metallrohr geschoben werden kann, ohne dass eine Einengung des Strömungsquerschnitts im Metallrohr und im U-förmigen Endrohr eintritt.
3 ist ein Beispiel für eine alternative Ausführungsform, wobei das U-förmige Endrohr (3) in die Metallrohre (1) eingesteckt wird, so dass sich im Überlappungsbereich das U-förmige Endrohr (3) innerhalb des Metallrohrs (1) befindet. Vorzugsweise ist in diesem Fall das Metallrohr im Überlappungsbereich aufgeweitet, so dass das U-förmige Endrohr in das Metallrohr eingesteckt werden kann, ohne dass eine Verengung des Strömungsquerschnitts im Metallrohr und im U-förmigen Endrohr eintritt.
4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform. Hierbei sind die Metallrohre (1) im Überlappungsbereich (4) konisch erweitert. Die Endrohre (3) weisen eine höhere Wandstärke als die Metallrohre auf. Dabei verjüngt sich die Wandstärke der Endrohre im Überlappungsbereich mit den Metallrohren, so dass die Endrohre in den kegelförmig aufgeweiteten Überlappungsbereich der Metallrohre eingeschoben werden können, ohne dass sich der Strömungsquerschnitt verändert.
Für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet man als Material der Endrohre vorzugsweise einen thermisch expandierbaren Kunststoff, der sein Volumen beim Erwärmen auf Expansionstemperatur um 0,5 bis 50%, vorzugsweise um 1 bis 25% vergrößert. Hierunter ist zu verstehen, dass der Kunststoff zusätzlich zur normalen und reversiblen thermischen Ausdehnung gemäß seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten sein Volumen im Vergleich zum Ausgangsvolumen bei Raumtemperatur (22°C) beim Erwärmen auf die Expansionstemperatur irreversibel derart vergrößert, dass es nach dem Wiederabkühlen auf Raumtemperatur um 0,5 bis 50%, vorzugsweise um 1 bis 25% größer ist als zuvor. Der angegebene Expansionsgrad bezieht sich also auf das Volumen des Kunststoffs bei Raumtemperatur vor und nach dem vorübergehenden Erhitzen auf Expansionstemperatur.
Vorzugsweise verwendet man einen thermisch expandierbaren Kunststoff, dessen Expansionstemperatur im Bereich von 130 bis 220°C liegt. Man erwärmt dann im Schritt b) zumindest das Endrohr auf eine Temperatur, die größer als oder gleich der Expansionstemperatur ist. Als Obergrenze gilt diejenige Temperatur, bei welcher der Kunststoff thermisch geschädigt wird oder so stark erweicht, dass sich die Endrohre auf unerwünschte Weise verformen. In der Praxis ist es nicht erforderlich, eine Temperatur von 250°C zu überschreiten. Das Erwärmen kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass man den gesamten zusammengefügten Wärmetauscher in einen entsprechend erwärmten Heizofen einbringt und zumindest so lange darin belässt, bis die Endrohre die Expansionstemperatur des Kunststoffs angenommen haben. Danach entnimmt man den Wärmetauscher und lässt ihn auf Umgebungstemperatur abkühlen. Erwünschtenfalls kann das Abkühlen beschleunigt werden, beispielsweise durch Abblasen mit Luft oder durch Eintauchen in ein Kühlmedium wie beispielsweise Wasser.
Vorzugsweise enthält der thermisch expandierbare Kunststoff mindestens die folgenden Komponenten:

a) mindestens ein reaktives Präpolymer,
b) mindestens ein (chemisches oder physikalisches) latentes Treibmittel.
Je nach chemischer Natur des Präpolymers kann die Masse zusätzlich enthalten:
c) mindestens einen latenten Härter für das reaktive Präpolymer.
Dabei bedeutet „latent", dass die erwünschte Reaktion der jeweiligen Komponente nicht unterhalb von 80°C, jedoch im Temperaturbereich von 130 bis 220°C eintritt.

Insbesondere enthält der thermisch expandierbare Kunststoff vorzugsweise mindestens:

a) ein bei Temperaturen im Bereich von 130 bis 220°C mit sich selbst oder mit anderen Bestandteilen der Masse (z. B. einem gegebenenfalls zugesetzem Härter) vernetzendes Harz (im weiteren auch als „Bindemittel" bezeichnet),
b) ein Treibmittel, das bei einer Temperatur im Bereich von 130 bis 220°C unter Volumenvergrößerung oder Gasentwicklung reagiert und hierdurch das Volumen der Masse mindestens im weiter oben angegebenen Ausmaß vergrößert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthalten die Zusammensetzungen für den thermisch expandierbaren Kunststoff zusätzlich Fasern, beispielsweise auf der Basis von Aramidfasern, Kohlenstoff-Fasern, Metallfasern – z. B. aus Aluminium –, Glasfasern, Polyamidfasern, Polyethylenfasern oder Polyesterfasern, wobei diese Fasern vorzugsweise Pulpfasern oder Stapelfasern sind, die eine Faserlänge zwischen 0,5 und 6 mm und einen Durchmesser von 5 bis 20 μm haben. Die Fasern können jedoch auch länger als 6 mm sein, beispielsweise bis zu 20 mm oder darüber, und sie können als Fasergebilde wie beispielsweise ein Fasergewirke oder -gewebe vorliegen.
Das härtbare Harz a) kann beispielsweise ausgewählt sein aus: Polyurethanen mit freien oder blockierten Isocyanatgruppen, ungesättigten Polyester-/Styrolsystemen, Polyester-/Polyolmischungen, Polymercaptanen, Siloxan-funktionellen reaktiven Harzen oder Kautschuke, Harzen auf Benzoxazin-Basis sowie Harzen auf Basis von reaktiven Epoxidgruppen. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften ist es bevorzugt, als härtbares Harz a) ein Polyurethanharz oder ein Vorläufer hiervon oder ein Harz auf Basis von reaktiven Epoxidgruppen zu verwenden. Ist das reaktive Präpolymer a) ein Polyurethanharz oder ein Polyurethanharz-Vorläufer, stellt der latente Härter c) einen Härter für Polyurethanharze dar. Wählt man als reaktives Präpolymer a) ein Epoxidharz, stellt der latente Härter c) einen Härter für Epoxidharze dar. Beispiele hierfür folgen weiter unten.
Weitere geeignete polymere Basisbindemittel („Harze") für den thermisch expandierbaren Kunststoff sind beispielsweise Ethylenvinylacetat-Copolymere (EVA), Copolymere des Ethylens mit (Meth)acrylatestern, die gegebenenfalls noch anteilig (Meth)acrylsäure einpolymerisiert enthalten, statistische oder Blockcopolymere des Styrols mit Butadien oder Isopren oder deren Hydrierungsprodukte. Letztere können auch Triblockcopolymere vom Typ SBS, SIS oder deren Hydrierungsprodukte SEES oder SEPS sein. Zusätzlich können die Bindemittel noch Vernetzer, Haftvermittler, klebrig machende Harze („tackifier"), Weichmacher sowie weitere Hilfs- und Zusatzstoffe wie z. B. niedermolekulare Oligomere enthalten.
Nachfolgend wird ein Bindemittelsystem („Harz) für den thermisch expandierbaren Kunststoff auf Basis von Epoxidharzen und Härtern beschrieben, wie sie beispielsweise in der WO 00/52086 A2 , WO 2003/054069 A1 sowie WO 2004/065485 A1 offenbart sind:
Als Epoxidharze eignen sich eine Vielzahl von Polyepoxiden, die mindestens 2 1,2-Epoxigruppen pro Molekül haben. Das Epoxid-Äquivalent dieser Polyepoxide kann zwischen 150 und 50000, vorzugsweise zwischen 170 und 5000 variieren. Die Polyepoxide können grundsätzlich gesättigte, ungesättigte, cyclische oder acyclische, aliphatische, alicyclische, aromatische oder heterocyclische Polyepoxidverbindungen sein. Beispiele für geeignete Polyepoxide schließen die Polyglycidylether ein, die durch Reaktion von Epichlorhydrin oder Epibromhydrin mit einem Polyphenol in Gegenwart von Alkali hergestellt werden. Hierfür geeignete Polyphenole sind beispielsweise Resorcin, Brenzkatechin, Hydrochinon, Eisphenol A (Bis-(4-Hydroxy-phe-nyl)-2,2-propan)), Eisphenol F (Bis(4-hydroxyphenyl)methan), Bis(4-hy-droxyphenyl)-1,1-isobutan, 4,4'-Dihydroxybenzophenon, Bis(4-hydroxyphe-nyl)-1,1-ethan, 1,5-Hydroxy-naphthalin. Weitere geeignete Polyphenole als Basis für die Polyglycidylether sind die bekannten Kondensationsprodukte aus Phenol und Formaldehyd oder Acetaldehyd vom Typ der Novolak-Harze.
Weitere Polyepoxide sind Polyglycidylester von Polycarbonsäuren, beispielsweise Umsetzungsprodukte von Glycidol oder Epichlorhydrin mit aliphatischen oder aromatischen Polycarbonsäuren wie Oxalsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Terephthalsäure oder Dimerfettsäure.
Weitere Epoxide leiten sich von den Epoxidierungsprodukten olefinisch ungesättigter cycloaliphatischer Verbindungen oder von nativen Ölen und Fetten ab.
Ganz besonders bevorzugt werden die Epoxidharze, die sich durch Reaktion von Bisphenol A oder Bisphenol F und Epichlorhydrin ableiten.
Als Flexibilisierungsmittel können flexibilisierend wirkende Epoxidharze wie die an sich bekannten Addukte aus Carboxyl-terminierten Butadienacrylnitrilcopolymeren (CTBN) und flüssigen Epoxidharzen auf der Basis des Diglycidylethers vom Bisphenol A eingesetzt werden. Konkrete Beispiele sind die Umsetzungsprodukte der Hycar CTBN 1300 X8, 1300 X13 oder 1300 X15 der Firma B. F. Goodrich mit flüssigen Epoxidharzen. Weiterhin lassen sich auch die Umsetzungsprodukte von aminoterminierten Polyalkylenglykolen (Jeffamine) mit einem Überschuss an flüssigen Polyepoxiden einsetzen. Grundsätzlich können auch Umsetzungsprodukte von Mercapto-funktionellen Präpolymeren oder flüssige Thiokol-Polymere mit einem Überschuss an Polyepoxiden als flexibilisierende Epoxidharze eingesetzt werden. Weitere geeignete Beispiele sind die Umsetzungsprodukte von polymeren Fettsäuren, insbesondere der Dimerfettsäure mit Epichlorhydrin, Glycidol oder insbesondere Diglycidylether des Eisphenols A (DGBA). Weiterhin eignen sich die Copolymeren des Acrylnitrils mit Butadien und oder Isopren und ggf. (Meth)acrylsäure mit einem Acrylnitrilgehalt zwischen 10 und 50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 20 und 40 Gew.-% und einem (Meth)acrylsäuregehalt zwischen 0,0 und 1 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,0 und 0,1 Gew.-% als Flexibilisierungsmittel. Es können auch Mischungen der vorgenannten Flexibilisierungsmittel eingesetzt werden.
Der thermisch expandierbare Kunststoff kann zum Einstellen einer erwünschten Viskosität für beispielsweise einen Spritzgussprozess reaktive Verdünner enthalten. Reaktive Verdünner im Sinne dieser Erfindung sind Epoxidgruppen enthaltende, niederviskose Substanzen (Glycidylether oder Glycidylester) mit aliphatischer oder aromatischer Struktur. Diese Reaktivverdünner dienen einerseits zur Viskositätserniedrigung des Bindemittel-Systems oberhalb des Erweichungspunktes, andererseits steuern sie den Vorgelierungsprozess im Spritzguss. Typische Beispiele für erfindungsgemäß einzusetzende Reaktivverdünner sind Mono-, Di- oder Triglycidylether von C₆- bis C₁₄-Monoalkoholen oder Alkylphenolen sowie die Monoglycidylether des Cashewnuss-Schalenöls, Diglycidylether des Ethylenglycols, Diethylenglycols, Triethylenglycols, Tetraethylenglykols, 1,2-Propylenglycols, 1,4-Butylenglycols, 1,5-Pentandiols, 1,6-Hexandiols, Cyclohexandimethanols, Triglycidylether des Tri-methylolpropans sowie die Glycidylester von C₆- bis C₂₄-Carbonsäuren oder deren Mischungen.
Da der thermisch expandierbare Kunststoff vorzugsweise einkomponentig ausgebildet ist und in der Hitze härtbar sein soll, enthält er vorzugsweise einen latenten Härter und/oder zusätzlich einen oder mehrere Beschleuniger.
Als thermisch aktivierbare oder latente Härter für ein Epoxidharz-Bindemittelsystem können Guanidine, substituierte Guanidine, substituierte Harnstoffe, Melaminharze, Guanamin-Derivate, cyclische tertiäre Amine, aromatische Amine und/oder deren Mischungen eingesetzt werden. Dabei können die Härter sowohl stöchiometrisch mit in die Härtungsreaktion einbezogen sein, sie können jedoch auch katalytisch wirksam sein. Beispiele für substituierte Guanidine sind Methylguanidin, Dimethylguanidin, Trimethylguanidin, Tetramethylguanidin, Methylisobiguanidin, Dimethylisobiguanidin, Tetramethylisobiguanidin, Hexamethylisobiguanidin, Hepamethylisobiguanidin und ganz besonders Cyanoguanidin (Dicyandiamid). Als Vertreter für geeignete Guanamin-Derivate seien alkylierte Benzoguanamin-Harze, Benzoguanamin-Harze oder Methoximethyl-ethoxymethylbenzoguanamin genannt. Für die einkomponentigen, hitzehärtenden Kunststoff- Massen ist selbstverständlich das Auswahlkriterium die niedrige Löslichkeit dieser Stoffe bei Raumtemperatur in dem Harzsystem, so dass hier feste, fein vermahlene Härter den Vorzug haben, insbesondere ist Dicyandiamid geeignet. Damit ist eine gute Lagerstabilität der Endrohre gewährleistet.
Zusätzlich oder anstelle von den vorgenannten Härtern können katalytisch wirksame substituierte Harnstoffe eingesetzt werden. Dies sind insbesondere: p-Chlorphenyl-N,N-dimethylharnstoff (Monuron), 3-Phenyl-1,1-di-methylharnstoff (Fenuron) oder 3,4-Dichlorphenyl-N,N-dimethylharnstoff (Diuron). Prinzipiell können auch katalytisch wirksame tertiäre Acryl- oder Alkyl-Amine, wie beispielsweise das Benzyldimethylamin, Tris(dimethylamino)phenol, Piperidin oder Piperidinderivate eingesetzt werden, diese haben jedoch vielfach eine zu hohe Löslichkeit in dem Bindemittelsystem, so dass hier keine brauchbare Lagerstabilität des einkomponentigen Systems erreicht wird. Weiterhin können diverse, vorzugsweise feste, Imidazolderivate als katalytisch wirksame Beschleuniger eingesetzt werden. Stellvertretend genannt seien 2-Ethyl-2-methylimidazol, N-Butylimidazol, Benzimidazol sowie N-C1- bis C12-Alkylimidazole oder N-Arylimidazole, Triazinderivate sowie Imidazol/Triazinverbindungen (z. B. C11-Z-Azine). Es können auch Kombinationen aus Härter und Beschleuniger in Form von sog. beschleunigten Dicyandiamiden in fein vermahlener Form verwendet werden. Dadurch erübrigt sich gelegentlich der separate Zusatz von katalytisch wirksamen Beschleunigern zu dem Epoxid-Härtungssystem.
Für besonders reaktive Systeme können auch fein vermahlene pulverförmige Härtungsbeschleuniger auf der Basis von Addukten von Aminen an Epoxydharze verwendet werden, diese Addukte weisen tertiäre Aminogruppen und Epoxigruppen auf. Diese latenten, pulverförmigen Beschleuniger können in Kombination mit den vorgenannten latenten Härtern und/oder Beschleunigern eingesetzt werden.
Weiterhin kann der thermisch expandierbare Kunststoff mindestens ein feinteiliges thermoplastisches Polymerpulver enthalten. Diese thermoplastischen Polymerpulver können im Prinzip aus einer Vielzahl von feinteiligen Polymerpulvern ausgewählt werden, beispielhaft erwähnt seien Vinylacetat-Homopolymer, Vinylacetatcopolymer, Ethylenvinylacetat-Copolymer, Vinylchlorid-Homopolymer (PVC) oder Copolymere des Vinylchlorids mit Vinylacetat und/oder (Meth)acrylaten, Styrol-Homo- oder -Copolymere, (Meth)acrylat-Homo- oder -Copolymere oder Polyvinylbutyral. Besonders bevorzugte thermoplastische Polymere enthalten funktionelle Gruppen wie Carboxylgruppen, Carbonsäureanhydridgruppen oder Imidazolgruppen und haben eine Kern/Schale Struktur, wobei die Schale dieser Polymeren bei Raumtemperatur gegenüber Weichmachern oder Reaktivverdünnern ein geringes Quellungsverhalten aufweisen. Bei der Vorgelierungsreaktion während eines Spritzgussprozesses des thermisch expandierbaren Kunststoffs quellen diese Kern/Schalepolymere sehr rasch auf und bewirken nach dem Abkühlen der extrudierten Masse sofort eine klebfreie Oberfläche der expandierbaren Endrohre. Diese Polymerpulver sollen eine mittlere Korngröße unter 1 mm, vorzugsweise unter 350 μm und ganz besonders bevorzugt unter 100 μm aufweisen.
In der Regel enthält der thermisch expandierbare Kunststoff weiterhin an sich bekannte Füllstoffe wie zum Beispiel die diversen gemahlenen oder gefällten Kreiden, Ruß, Calcium-Magnesiumcarbonate, Schwerspat sowie insbesondere silicatische Füllstoffe vom Typ des Aluminium-Magnesium-Calcium-Silicats, z. B. Wollastonit, Chlorit.
Sollen besonders leichte Endrohre hergestellt werden, enthält der thermisch expandierbare Kunststoffvorzugsweise zusätzlich zu den vorgenannten "normalen" Füllstoffen sog. Leichtfüllstoffe, die ausgewählt werden können aus der Gruppe der Metallhohlkugeln wie z. B. Stahlhohlkugeln, Glashohlkugeln, Flugasche (Fillite), Kunststoffhohlkugeln auf der Basis von Phenol-harzen, Epoxidharzen oder Polyestern, expandierte Microhohlkugeln mit Wandmaterial aus (Meth)acryl säureester-Copolymeren, Poly-styrol, Styrol(meth)acrylat-Copolymeren sowie insbesondere aus Polyvinylidenchlorid sowie Copolymeren des Vinylidenchlorids mit Acrylnitril und/oder (Meth)acrylsäureestern, keramische Hohlkugeln oder organische Leichtfüllstoffe natürlichen Ursprungs wie gemahlene Nussschalen, beispielsweise die Schalen von Cashewnüssen, Kokosnüssen oder Erdnussschalen sowie Korkmehl oder Kokspulver.
Als Treibmittel (Komponente b) eignen sich zwar im Prinzip alle bekannten Treibmittel wie z. B. "chemische Treibmittel", die durch Zersetzung Gase freisetzen, oder "physikalische Treibmittel", d. h. expandierende Hohlkugeln. Beispiele für die erstgenannten Treibmittel sind Azobisisobutyronitril, Azodicarbonamid, Di-Nitroso-pentamethylentetramin, 4,4'-Oxybis(benzolsulfonsäurehydrazid), Diphenylsulfon-3,3'-disulfohydrazid, Benzol-1,3-disulfohydrazid, p-Toluolsulfonylsemicarbazid. Besonders bevorzugt werden jedoch die expandierbaren Kunststoffmikrohohlkugeln auf. der Basis von Polyvinylidenchloridcopolymeren oder Acrylnitril/(Meth)acrylat-Copolymeren, diese sind z. B. unter den Namen "Dualite^®" bzw. "Expancel^®" von den Firmen Pierce & Stevens bzw. Casco Nobel im Handel erhältlich.
Weiterhin kann der thermisch expandierbare Kunststoff gängige weitere Hilfs- und Zusatzmittel wie z. B. Weichmacher, Rheologie-Hilfsmittel, Netzmittel, Haftvermittler, Alterungsschutzmittel, Stabilisatoren und/oder Farbpigmente enthalten.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher, der Wärmetauscher-Lamellen und mit diesen in thermischem Kontakt stehende im wesentlichen parallele Metallrohre aufweist, wobei die Metallrohre im wesentlichen senkrecht zu den Lamellen angeordnet sind und offene Enden aufweisen und wobei je zwei benachbarte Metallrohre an ihren offenen Enden in einem Überlappungsbereich durch jeweils ein U-förmiges Endrohr miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Endrohr aus einem expan dierten thermisch expandierbaren Kunststoff besteht und im Überlappungsbereich auf die Metallrohre aufgesteckt oder in die Metallrohre eingesteckt ist.
Für die geeigneten und bevorzugten Zusammensetzungen des thermisch expandierbaren Kunststoffes gelten die vorstehenden Ausführungen entsprechend, die zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemacht wurden.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher, der nach dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist. Dies gilt zum einen für die Zusammensetzung des thermisch expandierbaren Kunststoffes und zum anderen für die unterschiedlichen Weisen, wie die Endrohre auf die Metallrohre aufgesteckt oder in die Metallrohre eingesteckt sind. Aus der vorstehend gegebenen Verfahrensbeschreibung zur Herstellung des Wärmetauschers ergibt sich zwangsläufig, wie dieser ausgestaltet sein kann.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Endrohre aus dem thermisch expandierbaren Kunststoff als solche unmittelbar verwendungsfähig hergestellt, gelagert und versandt werden können. Diese Endrohre stellen also selbst ein Wirtschaftsgut dar, das industriell hergestellt und an den Hersteller des fertigen Wärmetauschers geliefert werden kann. Daher betrifft die vorliegende Erfindung in einem weiteren Aspekt auch ein U-förmiges Endrohr aus einem thermisch expandierbaren Kunststoff, das so hergerichtet ist, dass es für das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren eines Wärmetauschers verwendet werden kann. Für geeignete und bevorzugte Materialien für den thermisch expandierbaren Kunststoff gelten wiederum die Ausführungen, die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren gemacht wurden. Ebenso gilt dies für die unterschiedlichen Ausgestaltungen der Endrohre im vorgesehenen Überlappungsbereich mit den Metallrohren.
Beschreibung der Abbildungen:
1 zeigt den schematischen Aufbau eines Wärmetauschers mit Metallrohren (1), deren Enden durch U-förmige Endrohre (3) überbrückt werden, so dass die Wärmeträgerflüssigkeit Metallrohre und U-förmige Endrohre durchströmen kann. Senkrecht zu den Metallrohren verlaufen die wärmeleitend mit den Metallrohren verbundenen Kühlrippen (2) und verbinden die Metallrohre miteinander.
2 zeigt eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das U-förmige Endrohr (3) ist im Überlappungsbereich (4) aufgeweitet. Zum Zusammenfügen wird das U-förmige Endrohr (3) mit seinem Überlappungsbereich über die Metallrohre (1) geschoben.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Falle sind die Metallrohre (1) in ihrem Endbereich (Überlappungsbereich 4) glockenförmig aufgeweitet. Das Fügen der Teile geschieht dadurch, dass das U-förmige Endrohr (3) mit seinem Überlappungsbereich in den aufgeweiteten Endteil (4) des Metallrohrs (1) eingesteckt wird. Alternativ hierzu (nicht dargestellt) können die Metallrohre (1) im Überlappungsbereich (4) nicht glockenförmig, sondern konisch erweitert sein und sich die beiden Enden des Endrohrs (3) im Überlappungsbereich Kegelstumpf-artig verengen.
4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform. Hierbei sind die Metallrohre (1) im Überlappungsbereich (4) konisch erweitert. Die Endrohre (3) weisen eine höhere Wandstärke als die Metallrohre auf. Dabei verjüngt sich die Wandstärke der Endrohre im Überlappungsbereich mit den Metallrohren, so dass die Endrohre in den kegelförmig aufgeweiteten Überlappungsbereich der Metallrohre eingeschoben werden können, ohne dass sich der Strömungsquerschnitt verändert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der Wärmetauscher-Lamellen und mit diesen in thermischem Kontakt stehende im wesentlichen parallele Metallrohre (1) aufweist, wobei die Metallrohre (1) im wesentlichen senkrecht zu den Lamellen angeordnet sind und offene Enden aufweisen und wobei je zwei benachbarte Metallrohre (1) an ihren offenen Enden in einem Überlappungsbereich durch jeweils ein U-förmiges Endrohr (3) miteinander ohne Verwendung eines Klebstoffs verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass: a) ein Endrohr (3) verwendet wird, das aus einem thermisch expandierbaren Kunststoff besteht, und das Endrohr (3) im Überlappungsbereich auf die Metallrohre (1) aufgesteckt oder in die Metallrohre (1) eingesteckt wird und danach b) das Endrohr (3) aus thermisch expandierbarem Kunststoff auf eine Expansionstemperatur erwärmt wird, bei welcher der Kunststoff expandiert, so dass sich das Endrohr (3) im Überlappungsbereich an die Metallrohre (1) anpresst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material der Metallrohre (1) ausgewählt ist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallrohre (1) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen und dass sie zumindest im Überlappungsbereich vor dem Auf- oder Einstecken des Endrohrs (3) einer chemischen Oberflächenbehandlung unterzogen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallrohre (1) im Überlappungsbereich aufgeweitet sind und dass das Endrohr (3) im Schritt a) in den aufgeweiteten Überlap pungsbereich eingesteckt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisch expandierbarer Kunststoff verwendet wird, der sein Volumen beim Erwärmen auf Expansionstemperatur um 0,5 bis 50% vergrößert.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisch expandierbarer Kunststoff verwendet wird, dessen Expansionstemperatur im Bereich von 130 bis 220°C liegt, und dass im Schritt b) das Endrohr (3) auf eine Temperatur erwärmt wird, die größer als oder gleich der Expansionstemperatur ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch expandierbare Kunststoff mindestens die folgenden Komponenten enthält: a) mindestens ein reaktives Präpolymer, b) mindestens ein Treibmittel.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch expandierbare Kunststoff zusätzlich c) mindestens einen latenten Härter und/oder Beschleuniger für das reaktive Präpolymer enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch expandierbare Kunststoff zusätzlich d) Fasern oder Fasergebilde enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch expandierbare Kunststoff zusätzlich Füllstoffe enthält, wobei vorzugsweise mindestens ein Teil der Füllstoffe Leichtfüllstoffe darstellen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Präpolymer a) ein Epoxidharz und dass der latente Härter c) einen Härter für Epoxidharze darstellt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Präpolymer a) ein Polyurethanharz oder ein Polyurethanharz-Vorläufer und dass der latente Härter c) einen Härter für Polyurethanharze darstellt.
Wärmetauscher, der Wärmetauscher-Lamellen und mit diesen in thermischem Kontakt stehende im wesentlichen parallele Metallrohre (1) aufweist, wobei die Metallrohre (1) im wesentlichen senkrecht zu den Lamellen angeordnet sind und offene Enden aufweisen und wobei je zwei benachbarte Metallrohre (1) an ihren offenen Enden in einem Überlappungsbereich durch jeweils ein U-förmiges Endrohr (3) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Endrohr (3) aus einem expandierten thermisch expandierbaren Kunststoff besteht und im Überlappungsbereich auf die Metallrohre (1) aufgesteckt oder in die Metallrohre (1) eingesteckt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 13, der nach einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 erhältlich ist.
U-förmiges Endrohr (3) aus einem thermisch expandierbaren Kunststoff, das so hergerichtet ist, dass es für ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 verwendet werden kann.