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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines Wärmeübertragerrohres mit einer Turbulenzeinlage für einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Wärmeübertrager mit zumindest einem solchen Wärmeübertragerrohr.
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Aus der
DE 102 33 407 B4 ist beispielsweise ein Wärmeübertragerrohr mit einer darin verlöteten Turbulenzeinlage bekannt. Auch aus der
DE 10 2006 013 868 A1 ist ein solches Wärmeübertragerrohr bekannt.
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Generell sollten Wärmeübertrager und insbesondere Abgaswärmeübertrager, eine hohe Robustheit gegen Druck- und Temperaturwechsel, eine hohe Leistungsdichte, ein geringes Verschmutzungsverhalten sowie ein geringes Gewicht und niedrige Herstellungskosten in der Produktion aufweisen und dabei gleichzeitig eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Anwendung bieten. Für diese konkurrierenden Ziele gibt es unterschiedliche Lösungen, die jedoch stets eine dieser Aufgaben besser erfüllen als andere. Keine der bekannten Lösungen ist dabei in allen Belangen führend.
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Bei Wärmeübertragern und insbesondere bei Abgaswärmeübertragern, werden üblicherweise Bauformen mit und ohne gasseitige Rippen unterschieden. Die Bauformen ohne gasseitige Rippen (zum Beispiel Winglet-Rohrbündel) bestehen dabei üblicherweise aus einem Bündel leerer Rohre, in die Strukturen eingeprägt sind, die die Turbulenzen auf der Innenseite erzeugen und damit den Wärmeübertrag verbessern und zugleich die Verschmutzungsneigung reduzieren. Diese Rohrbündel werden dabei über sogenannte Rohrböden zusammengefasst, wobei die Rohrböden zusammen mit einem Gehäuse einen Kühlmittel durchströmten Raum bilden. An den Rohrböden selbst sind je nach Ausführungsform direkt oder indirekt über das Gehäuse Diffusoren angebracht, die den gasseitigen Strömungsraum bilden. Üblicherweise werden derartige Wärmeübertrager als Ganzes gelötet oder in einem Laserschweißprozess gefertigt.
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Wärmeübertrager mit gasseitiger Rippe erzielen eine Leistungssteigerung aus einer Erhöhung einer Sekundärfläche des Wärmeübertragers, wobei in diesem Fall ein Wärmeübertragerblock aus Rippen (Turbulenzeinlagen), Rohren und Rohrböden im Ganzen gelötet wird. Sollte ein Gehäuse erforderlich sein, wird auch dieses mitgelötet oder später in zweischaliger Ausführung mit den Rohrböden und zwischen den Schalen verschweißt.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern sind jedoch insbesondere die vergleichsweise aufwendige Fertigung bei Wärmeübertragern mit gasseitiger Rippe und ein nicht zu unterschätzender Festigkeitsverlust durch ein sogenanntes Weichglühen, welches bei einem langen Erhitzen in einem Lötofen zur Herstellung der Lötverbindungen auftritt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein Fertigungsverfahren anzugeben, mittels welchem ein leistungsstarkes Wärmeübertragerrohr fertigungstechnisch einfach hergestellt werden kann, ohne jedoch beim Herstellen einen Festigkeitsverlust wie bislang zu erfahren.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals bei der Herstellung eines Wärmeübertragerrohres eines Wärmeübertragers, beispielsweise eines Abgaswärmeübertragers, ein Induktionslötverfahren anzuwenden, wodurch insbesondere das Verlöten in einem Lötofen und damit verbunden ein Weichglühen sowie der damit einhergehende Festigkeitsverlust des Wärmeübertragerrohres vermieden werden können. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zeichnet sich dabei durch folgende Verfahrensschritte aus: Zunächst werden ein austenitisches Wärmeübertragerrohr und eine ferritische Turbulenzeinlage bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Turbulenzeinlage in das Wärmeübertragerrohr eingeschoben und anschließend die Turbulenzeinlage mit dem Wärmeübertragerrohr mittels Induktionslöten verlötet und damit fixiert. Vor, während und/oder nach dem Induktionslöten kann das Wärmeübertragerrohr von außen gegen die Turbulenzeinlage gedrückt und damit fixiert werden. Das Verlöten kann dabei beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Wärmeübertragerrohr mit der darin angeordneten Turbulenzeinlage durch einen Induktor geführt und dabei das Wärmeübertragerrohr, das Lot und die Turbulenzeinlage so weit erhitzt werden, dass das Lot schmilzt. Durch das Andrücken des Wärmeübertragerrohres an die Turbulenzeinlage kann eine zuverlässige Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten während des Abkühlens nach Verlassen des Induktors erreicht werden. Durch die ausschließlich lokale Wärmeeinbringung kühlt das Wärmeübertragerrohr im Vergleich zu einem bislang bekannten Lötprozess in einem Lötofen deutlich schneller ab, wodurch insbesondere auch der im Lötofen durch die lang andauernde Erhitzung stattfindende Festigkeitsverlust zuverlässig vermieden werden kann.
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Beim induktiven Erhitzen des Wärmeübertragerrohres wird das elektromagnetische Wechselfeld, welches mittels des Induktors eingetragen wird, im Rohrinneren durch den erfindungsgemäßen ferritischen Werkstoff teilweise oder völlig abgeschirmt, so dass die Erhitzung des Lots nur über den Kontakt mit dem erhitzten Wärmeübertragerrohr erfolgt. Ein Rohrmaterial mit geringer magnetischer Permeabilität und hohem elektrischen Widerstand lässt dabei bis zu einer bestimmten Tiefe das elektromagnetische Wechselfeld in das Innere des Wärmeübertragerrohres eindringen. Hierbei wird von der Standardeindringtiefe δ gesprochen. Bei dieser ist die Feldstärke auf ca. 37% des Wertes außerhalb des Wärmeübertragerrohres abgefallen. Bei einem austenitischen Edelstahl, der nicht ferromagnetisch ist und eine relativ schlechte elektrische Leitfähigkeit besitzt, beträgt diese Eindringtiefe bei den für das induktive Löten üblichen Frequenzen von 50 bis ca. 200 kHz ca. 1 mm oder mehr. Bei einer Wanddicke des Wärmeübertragerrohres von maximal 0,5 mm, ist somit eine direkte Erwärmung des Lots oder der Turbulenzeinlage möglich. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Turbulenzeinlage aus einem ferritischen Werkstoff (Stahl) verschiebt sich die Leistungseinkopplung des Wechselfeldes weiter in Richtung der Turbulenzeinlage, was die Temperaturunterschiede zwischen Wärmeübertragerrohr und Turbulenzeinlage und damit innere Spannungen weiter reduziert. Besonders hervorzuheben ist hierbei, dass eine Standardeindringtiefe δ von Wirbelströmen in einem austenitischen Werkstoff bei gleicher Frequenz deutlich größer ist als in einem ferritischen Werkstoff, so dass durch die Ausbildung des Wärmeübertragerrohres aus einem austenitischen Werkstoff ein gutes Durchdringen desselben mittels der Wirbelströme gewährleistet werden kann, während die aus einem ferritischen Werkstoff ausgebildete Turbulenzeinlage eine schlechtere bzw. niedrigere Standardeindringtiefe δ aufweist und damit eine gewisse Abschirmung bewirkt. Hierdurch kann insbesondere eine exakte lokale Erwärmung des Lots erreicht werden, ohne dass das gesamte Wärmeübertragerrohr und die darin angeordnete Turbulenzeinlage, wie beispielsweise in einem Lötofen, langfristig erhitzt werden müssen. Außerdem wird dadurch das Lot von zwei Seiten erhitzt. Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren lässt sich somit ein Wärmeübertragerrohr eines Wärmeübertragers, beispielsweise eines Abgaswärmeübertragers, qualitativ hochwertig herstellen, ohne dabei den bei einem Verlöten in einem Lötofen auftretenden Festigkeitsabfall durch Weichglühen in Kauf nehmen zu müssen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Lot als Lotfolie oder als Lotpaste auf eine Innenseite des Wärmeübertragerrohres und/oder auf die Turbulenzeinlage, insbesondere auf Kontaktstellen derselben mit der Innenseite des Wärmeübertragerrohres, aufgebracht. Sowohl das Aufbringen des Lots als Lotfolie als auch das Auftragen als Pastenlot stellt dabei eine einerseits qualitativ hochwertige und andererseits kostengünstige Möglichkeit dar. Insbesondere sind beide dieser Verfahren in einen sogenannten „Inline-Prozess” integrierbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt ein Andrücken des Wärmeübertragerrohres an die Turbulenzeinlage vor, während und/oder nach dem Induktionslöten mit zumindest einem Walzenpaar. Über das zumindest eine Walzenpaar wird somit zumindest nach dem Induktionslöten eine Anpresskraft auf die Induktionslötstelle aufgebracht, die diese fixiert, bis das Lot erkaltet ist. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, kann darüber hinaus daran gedacht werden, das Walzenpaar zu kühlen, wodurch der Fertigungsprozess beschleunigt und eine Taktzeit reduziert werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird für das Wärmeübertragerrohr ein austenitischer Edelstahl verwendet. Ein derartiger austenitischer Edelstahl bietet dabei den großen Vorteil, dass dieser sowohl rostfrei als auch chemisch beständig gegenüber Abgas ist und zudem ohne nachträgliche Wärmebehandlung dauerhaft Temperaturen von bis zu 600° erträgt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Induktionslöten unter Schutzgasatmosphäre. Mittels einer derartigen Schutzgasatmosphäre kann insbesondere Sauerstoff von den Lötstellen ferngehalten werden, wodurch verhindert werden kann, dass der Sauerstoff mit dem Lot bzw. den Werkstoffen der Turbulenzeinlage und des Wärmeübertragerrohres reagiert und hier beispielsweise Poren und damit Schwachstellen bildet.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Wärmeübertrager mit zumindest einem nach einem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellten Wärmeübertragerrohr auszustatten, das über eine Laserschweißverbindung in einem zugehörigen Rohrboden des Wärmeübertragers fixiert ist. Das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Wärmeübertragerrohr kann somit in bekannten Fertigungsprozessen für Rohrbündelkühler weiter verwendet werden und gleicht dabei insbesondere die aus dem Stand der Technik beim Verlöten in Lötöfen auftretenden Nachteile aus. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ermöglicht somit insbesondere die Herstellung ohne die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile hinsichtlich der Festigkeit durch Weichglühen im Lötofen. Das Laserschweißen der einzelnen Wärmeübertragerrohre mit dem Rohrboden bewirkt ebenfalls einen lediglich lokal begrenzten Wärmeeintrag und damit geringe thermische Belastungen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das Wärmeübertragerrohr des Wärmeübertragers zumindest eine Längssicke und/oder eine Quersicke auf. Über eine derartige Längs- oder Quersicke kann insbesondere eine Aussteifung des Wärmeübertragerrohres erreicht werden, wodurch eine Aussteifung des damit hergestellten Wärmeübertragerblocks erreicht werden kann. Derartige Längssicken bzw. Quersicken lassen sich fertigungstechnisch vergleichsweise einfach, selbst in einem Inline-Prozess, herstellen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist ein mit dem Rohrboden verschweißter Längsendbereich des Wärmeübertragerrohres lotfrei. Dadurch kann vermieden werden, dass das im Lot enthaltene Nickel beim Laserverschweißen der Längsenden der Wärmeübertragerrohre mit den zugehörigen Durchgangsöffnungen des zugehörigen Rohrbodens vermischt und dadurch zu lokalen Rissen führt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Wärmeübertragerrohr,
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2 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
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3 eine Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
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Entsprechend der 1 weist ein erfindungsgemäßes Wärmeübertragerrohr 1 eine innen angeordnete Turbulenzanlage 2 auf. Eingesetzt wird ein derartiges, erfindungsgemäßes Wärmeübertragerrohr 1 in einem Wärmeübertrager 3, beispielsweise einem Abgaswärmeübertrager 4 (vergleiche 3). Erfindungsgemäß ist nun das Wärmeübertragerrohr 1 aus einem austenitischen Werkstoff, beispielsweise einem Edelstahl, ausgeführt, wogegen die Turbulenzeinlage 2 aus einem ferritischen Werkstoff, beispielsweise ebenfalls einem Edelstahl, ausgebildet ist. Der Unterschied zwischen den beiden Werkstoffen kann dabei ausschließlich in deren Magnetisierbarkeit liegen. Durch die Ausbildung der Turbulenzeinlage 2 aus einem ferritischen Werkstoff und des Wärmeübertragerrohrs 1 aus einem austenitischen Werkstoff kann insbesondere ein komplett neues Herstellungsverfahren für das Wärmeübertragerrohr 1 ermöglicht werden, welches insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, wie beispielsweise ein Festigkeitsabfall durch Weichglühen in einem Lötofen, vermeidet.
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Hergestellt wird das erfindungsgemäße Wärmeübertragerrohr 1 dabei wie folgt:
Zunächst werden das austenitische Wärmeübertragerrohr 1 und die ferritische Turbulenzeinlage 2 bereitgestellt, wobei anschließend die Turbulenzeinlage 2 in das Wärmeübertragerrohr 1 eingeschoben wird. Nun erfolgt ein Verlöten der Turbulenzeinlage 2 mit dem Wärmeübertragerrohr 1 mittels Induktionslöten, wozu insbesondere ein Induktor 5 (vergleiche 2) beispielsweise eine Induktionsspule 6, verwendet wird. Vor, während und/oder nach dem Induktionslöten erfolgt noch ein Andrücken des Wärmeübertragerrohrs 1 gegen die innenliegende Turbulenzanlage 2, wodurch die herzustellende Lötverbindung zuverlässiger fixiert werden kann. Das Andrücken des Wärmeübertragerrohrs 1 gegen die Turbulenzeinlage 2 kann dabei beispielsweise mittels eines Walzenpaares 7 (vergleiche 2) erfolgen. Bislang wurden die Turbulenzeinlagen 2 in dem Wärmeübertragerrohr 1 ebenfalls durch ein Verlöten fixiert, wobei jedoch das Verlöten in einem Lötofen erfolgte, in welchem sowohl das Wärmeübertragerrohr 1 als auch die Turbulenzeinlage 2 stundenlang erhitzt wurden und dabei durch Weichglühen einen nicht zu unterschätzenden Festigkeitsabfall erfuhren. Dies kann nun mit dem erfindungsgemäßen Induktionslöten zuverlässig vermieden werden, da ein das Verlöten erforderlicher Wärmeeintrag lediglich kurzfristig und lokal erfolgt, ohne ein langfristiges Aufheizen der Turbulenzeinlage 2 bzw. des Wärmeübertragerrohres 1. Ein Weichglühen erfolgt hierbei überhaupt nicht. Auf das lediglich lokale Erwärmen erfolgt auch ein deutlich schnelleres Abkühlen des fertig gelöteten Wärmeübertragerrohres 1, was selbstverständlich noch optional dadurch unterstützt werden kann, dass beispielsweise ein nach dem Induktor 5 angeordnetes Walzenpaar 7 gekühlt wird. Hierzu ist dann eine entsprechende Kühleinrichtung im Walzenpaar 7 angeordnet bzw. mit diesem verbunden.
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Beim induktiven Erhitzen des Wärmeübertragerrohres 1 wird das elektromagnetische Wechselfeld, welches mittels des Induktors eingetragen wird, im Rohrinneren durch den erfindungsgemäßen ferritischen Werkstoff teilweise oder völlig abgeschirmt, so dass die Erhitzung des Lots nur über den Kontakt mit dem erhitzten Wärmeübertragerrohr 1 erfolgt. Bei einem austenitischen Edelstahl, der nicht ferromagnetisch ist und eine relativ schlechte elektrische Leitfähigkeit besitzt, beträgt diese Eindringtiefe bei den für das induktive Löten üblichen Frequenzen von 50 bis ca. 200 kHz ca. 1 mm oder mehr. Bei einer Wanddicke des Wärmeübertragerrohres 1 von maximal 0,5 mm ist somit eine direkte Erwärmung des Lots oder der Turbulenzeinlage 2 möglich. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Turbulenzeinlage 2 aus einem ferritischen Werkstoff (Stahl) verschiebt sich die Leistungseinkopplung des Wechselfeldes weiter in Richtung der Turbulenzeinlage 2, was die Temperaturunterschiede zwischen Wärmeübertragerrohr 1 und Turbulenzeinlage 2 und damit innere Spannungen weiter reduziert.
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Eingesetzt wird das erfindungsgemäße Wärmeübertragerrohr 1 beispielsweise in einem Abgaswärmeübertrager 4, wobei die einzelnen Wärmeübertragerrohre 1 an ihren jeweiligen Längsenden 8 jeweils in einem zugehörigen Rohrboden 9 bzw. in diesem angeordneten Durchzügen fixiert sind. Eine fluiddichte Fixierung der Wärmeübertragerrohre 1 in den zugehörigen Durchzügen der Rohrböden 9 erfolgt dabei mittels Laserschweißen, wozu eine Laserschweißeinrichtung 10 verwendet wird. Hierdurch kann das Herstellen eines Wärmeübertragerblocks 11 mit Wärmeübertragerrohren 1 und längsendseitig derselben angeordneten Rohrböden 9 in konventioneller Weise erfolgen, wodurch ein vergleichsweise robuster Wärmeübertragerblock 11 geschaffen werden kann, ohne dass dabei ein durch das bislang im Lötofen erfolgender Festigkeitsabfall befürchtet werden muss.
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Um dabei einen negativen Einfluss eines Lots 12, welches beispielsweise als Lotfolie 13 oder als Lotpaste 14 auf eine Innenseite des Wärmeübertragerrohres 1 und/oder auf die Turbulenzeinlage 2 aufgebracht wird, im Hinblick auf die Laserschweißverbindung 17 zu vermeiden, ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein mit dem Rohrboden 9 verschweißter Längsendbereich 8 des Wärmeübertragerrohres 1 lotfrei ist. Hierdurch kann insbesondere ein Zugang des nickelhaltigen Lotwerkstoffs zum Schweißbereich und zugleich auch die damit verbundenen negativen Einflüsse vermieden werden.
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Ein Verlöten mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Induktionslötverfahren und/oder das Laserschweißen können dabei unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgen, welche insbesondere einen unerwünschten Zutritt von Sauerstoff zur Lötverbindung bzw. zur Laserschweißverbindung 17 unterbindet.
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Mit dem erfindungsgemäß durch Induktionslöten hergestellten Wärmeübertragerrohr 1 und dem mittels Laserschweißen damit verbundenen Rohrböden 9 kann insbesondere das bislang den Festigkeitsabfall hervorrufende Weichglühen des Stahls im Lötofen vermieden werden, wodurch der gesamte Wärmeübertragerblock 11 und insbesondere auch die Rohrböden 9 langfristig eine höhere Festigkeit besitzen. Durch die Laserschweißverbindung 17 der Wärmeübertragerrohre 1 in den Durchzügen der Rohrböden 9 kann ebenfalls ein lediglich geringer lokaler Wärmeeintrag erreicht werden, der wiederum nicht zum Weichglühen des Rohrbodens 9 bzw. der Wärmeübertragerrohre 1 führt und dadurch auch nicht den hierdurch bislang im Lötofen hervorgerufenen Festigkeitsabfall verursacht. Mit dem erfindungsgemäßen Induktionslötverfahren und dem ebenfalls erfindungsgemäßen Laserschweißen kann somit die flächige thermische Belastung beim Fügen der Turbulenzeinlage 2 im Wärmeübertragerrohr 1 und beim Fügen des Wärmeübertragerrohres 1 mit dem zugehörigen Rohrboden 9 erheblich gesenkt werden, wodurch die Stahlgefügestruktur und damit auch die Festigkeit erhalten bleiben. Zur weiteren Erhöhung der Steifigkeit der Wärmeübertragerrohre 1 können diese gegebenenfalls Längssicken 15 (vergleiche 1) oder Quersicken 16 besitzen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei insbesondere als fortlaufender Produktionsprozess eingesetzt werden, wodurch sehr geringe Durchlaufzeiten und Kosten zur Herstellung des Wärmeübertragerrohrs 1 mit darin induktionsgelöteter Turbulenzeinlage 2 im Vergleich zu einer Ofenlötung erreicht werden können. Darüber hinaus kann auch eine bewährte Rohrbündeltechnologie mit in den Rohrböden 9 lasereingeschweißte Wärmeübertragerrohren 1 und deren bekannte Vorteile beibehalten werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10233407 B4 [0002]
- DE 102006013868 A1 [0002]
