DE2241407A1 - Waermetauscher und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Waermetauscher und verfahren zu ihrer herstellung

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Description

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DR. T- V M ER
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PEBRI.ESS OF AMERICA, INCORPORATED Chicago, Illinois, V.St.A.
Wärme t aus eher und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung "bezieht sich auf Wärmetauscher und "betrifft insbesondere Wärmetauscher der Bauart iait nach außen vorspringenden Rippen.
Der'Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Wärmetauscher mit Rippen und ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines solchen Wärmetauschers zu schaffen. Ferner wird gemäß der Erfindung ein neuartiger Rippenwärmetauscher geschaffen, "bei dem die Rippen dadurch geformt werdern, daß der sie "bildende Werkstoff aus Wandteilen des Wärmetauschers herausgeschnitten oder herausgemeißelt wird. Weiterhin wird ein neuartiger Rippenwärmetauscher geschaffen, t>ei dem die Rippen dadurch geformt werden, daß der sie
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bildende Werkstoff aus Stegen herausgeschnitten oder herausgemeißelt wird, die an einem allgemein rohrförmigen Ausgangsmaterial ausgebildet sind.
Wärmetauscher mit Stacheln oder Flossen, die aus nach außen vorspringenden Stegen eines rohrförmigen Bauteils geformt sind, sind bereits in den U.S.A.-Patentschriften 3 202 212 und 3 229 722 beschrieben worden. Zwar hat es sich gezeigt, daß diese bekannten Wärmetauscher sehr zweckmäßig sind und mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, doch soll gemäß der Erfindung ein Wärmetauscher geschaffen werden, der im Vergleich zu diesen bekannten Wärmetauschern verbessert ist.
Gemäß der Erfindung soll auch ein neuartiger Rippenwärmetauscher geschaffen werden, der Rippen in Form nach außen ragender Stacheln oder Flossen aufweist, die auf neuartige und besonders zweckmäßige Weise ausgebildet und angeordnet sind. Schließlich soll ein neuartiger Rippenwärmetauscher geschaffen werden, der den Erfordernissen der Praxis angepaßt ist, mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet und sich leicht und mit geringen Kosten im industriellen Maßstab herstellen läßt.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand scheinet is eher Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 perspektivisch ein Stück eines Wärmetauscherelemente j
Fig. 2 einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Stücks eines Wärmetauscherelements in einer Seitenansicht j
Fig. 3 einen vergrößerten und etwas vereinfachten Teilschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. Ij
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Pig. 4 in einer Pig. 1 ähnelnden perspektivischen Darstellung eine abgeänderte Ausführungsform eines Wärmet aus ehers; und
Pig. 5 einen Teil des Wärmetauscherelements nach Pig. in einer Seitenansicht.
In Pig. 1 "bis 3 ist ein insgesamt mit 1 "bezeichnetes Wärmetauseherelemeiit nach der Erfindung als Endabschnitt eines langgestreckten, rohrförmigen Bauteils 2 dargestellt, um eine "bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zu zeigen und ein "bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines solchen Wärmetauschers zu veranschaulichen.
Wie im folgenden näher erläutert, wird das Wärmetauscherelement 1 vorzugsweise aus einem die gewünschte länge aufweisenden Stück eines rohrförmigen Ausgangsmaterials 2 hergestellt, dessen Bearbeitung von dem einen Enda"bschnitt A aus gemäß Pig. 1 in Richtung auf das andere Ende B fortschreitet, woraufhin der Wärmetauscher von dem sich zwischen den Punkten B und C erstreckenden Abschnitt des rohrförmigen Bauteils oder Werkstücks 2 abgetrennt wird, sobald der herzustellende Wärmetauscher die gewünschte Länge erreicht hat, die z. B. der Strecke zwischen den Punkten A und C entspricht.
Das fertige Wärmetauscherelement 1 weist allgemein gesprochen einen langgestreckten, rohrförmigen Hauptkörper 3 auf, von dem aus langgestreckte Rippen 4, 5 und 6 nach außen ragen, die Reihen von Rippen bilden, welche sich an langgestreckte, nach außen vorspringende Stege 7, 8 und 9 an-, schließen, die durch Querabstände getrennt sind und sich parallel zur Längsachse des rohrförmigen Bauteils 2 erstrecken. Jede der Rippen 4, 5 und 6 setzt sich aus einem langgestreckten Basisabschnitt 10 und einem freien äußeren Endabschnitt 11 zusammen. Wie im folgenden näher erläutert, werden die Rippen 4, 5 und 6 aus dem Werkstoff des rohrför-
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migen Bauteils 2 gebildet, und die Basieabschnitte 10 der Rippen hängen mit dem benachbarten, darunter liegenden Teil des rohrförmigen Hauptkörpers 3 des fertigen Wärmetauschers zusammen.
Gemäß Fig. 1 hat das rohrförmige Bauteil 2 eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsform mit einer oberen Wandfläche 12, einer dazu im wesentlichen parallelen unteren Wandfläche 13 und zwei voneinander abgewandten seitlichen Wandflächen 14 und 15, welch letztere sich zwischen den Längskanten der Wandflächen 12 und 13 und im wesentlichen im rechten Winkel dazu erstrecken. Das rohrförmige Bauteil 2 weist sich in der Längsrichtung erstreckende Öffnungen oder Durchlässe 16 auf. Zwar ist in Pig. 1 bis 3 ein rohrförmiges Bauteil von rechteckiger Querschnittsform dargestellt, das mehrere solche Öffnungen oder Kanäle 16 aufweist, doch handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel, denn man könnte im Rahmen der Erfindung auch rohrförmige Bauteile verwenden, die keinen rechteckigen Querschnitt haben und nur einen einzigen sich in der Längsrichtung erstreckenden Kanal aufweisen.
Das rohrförmige Bauteil 2, aus dem der Wärmetauscher 1 hergestellt wird, kann aus einem beliebigen, dem Verwendungszweck entsprechenden Werkstoff, z. B. Aluminium, bestehen, und zusätzlich zu den drei gegenüber der oberen Wandfläche 12 nach oben ragenden Stegen 7, 8 und 9 sind vorzugsweise drei weitere ähnliche Stege 17, 18 und 19 vorhanden, die gegenüber der unteren Wandfläche 13 nach außen ragen.
Soll ein Wärmetauscher 1 hergestellt werden, kann man zuerst das rohrförmige Bauteil 2 herstellen, bei dem sich die Stege 7 bis 9 und 17 bis 19 über seine ganze Länge erstrecken. Danach können die Rippen 4, 5 und 6 an den Stegen 7, 8 und 9 nacheinander ausgebildet werden, wobei dieser Vorgang vom einen Ende A des rohrförmigen Bauteils aus in
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Richtung auf das andere Ende B fortschreitet. Die Rippen 4, 5 und 6 können aus den Stegen 7, 8 und 9, gegenüber denen sie nach außen ragen, z» B. mit Hilfe des in Pig. I dargestellten Schneidwerkzeug 20 herausgeschnitten oder herausgemeißelt werden.
Das Schneidwerkzeug 20 besitzt drei langgestreckte Schneidflächen 21, 22 und 23, die in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise nebeneinander angeordnet sind und sioh gegenüber den Stegen 7, 8- und 9 in der Längsrichtung bewegen lassen. Die beiden Schneidflächen 21 und 23, die die beiden äußeren Schneidflachen des Werkzeugs 20 bilden, liegen in einar gemeinsamen gekrümmten Fläche. Die an den unteren Enden der Schneidflächen 21, 22 und 23 ausgebildeten Schneiden 24 erstrecken sich vorzugsweise entlang einer gemeinsamen geraden Linie quer zur Längsachse des Bauteils 2.
Bei dem Schneidwerkzeug 20 ragt die zwischen den Schneidflächen 21 und 23 angeordnete Schneidfläche 22 gemäß Fig. 1 gegenüber der zugehörigen Schneide 24 weiter nach rechts als die Schneidflächen 21 und 23, so daß der Hauptteil der Schneidfläche 22 gegenüber den Schneidflächen 21 und 23 in der Richtung, in der sich das Schneidwerkzeug während eines Schneidvorgangs bewegt,(gemäß Fig. 1 von links, nach rechts) nach vorn versetzt ist. Die Schneidflächen 21, 22 und 23 haben eine solche Breite und sind relativ zu-einander so angeordnet, daß sich jede Schneidfläche während einer Schneidbewegung des Werkzeugs 20 längs des zugehörigen Stegs der drei vorhandenen Stege bewegt.
Während des Gebrauchs führt das Schneidwerkzeug 20 mehrere Schneidhübe nacheinander so aus, daß die Bearbeitung des Bauteils 2 von dem Ende A in Richtung auf das Ende B fortschreitet, und daß die Schneidflächen 21, 22 und 23 aus den Stegen 7, 8 und 9 jeweils Rippen 4 bzw. 5 bzw. 6 heraus-
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schneiden und nach oben umbiegen. Gemäß Fig. 3, wo der ' Steg 8 zusammen mit einer der zugehörigen Rippen 5 schematisch dargestellt ist, werden die Rippen 4, 5 und 6 aus den zugehörigen Stegen 7, 8 und 9 dadurch gebildetn, daß die Schneidflächen 21, 22 und 23 veranalaßt werden, sich längs aufeinanderfolgender paralleler Bahnen zu bewegen, wie es in Fig. 3· z. B. bezüglich des Stegs 8 durch die Bahnen 25 und 26 angedeutet ist. Während sich die Schneiden 24 längs dieser aufeinanderfolgenden Bahnen schräg nach unten bewegen, biegen die Hauptteile der Schneidflächen 21, 22 und 23 das von den darunterliegenden Stegen 7, 8 und 9 abgeschnittene Metall so nach oben um, daß die entstehenden Rippen 4, 5 und 6 gegenüber dem Bauteil 2 nach außen ragen· Da die aufeinanderfolgenden Schnittlinien 25 und 26 entlang den oberen Flächen der Rippen 7, 8 und 9 in Abständen verteilt sind, entstehen nach dem Erzeugen der ersten Rippen 4, 5 und 6 auf den Stegen 7, 8 und 9 anfänglich an den äußeren Enden jeder der Rippen 4, 5 und 6 geneigte Endabschnitte, die dem in Fig. 3 gezeigten Endabschnitt 27 ähneln. Jedocii bewirkt der Sohneidvorgang, daß die Rippen 4, 5 und 6 in der Längsrichtung zusammengedrückt werden, so daß die Abschrägungen 27 in der Praxis im wesentlichen verschwinden und Rippen entstehen, die die übliche Dicke haben, so daß die äußeren Enden der Rippen 4, 5 und 6 ähnlich der Darstellung in ■Fig. 1 und 2 relativ glatte Seitenflächen erhalten.
Wie erwähnt, ist der Hauptteil der Schneidfläche 22 gegenüber den Hauptteilen der Schneidflächen 21 und 23 nach vbrn versetzt. Beim Bilden der Rippen 4t 5 und 6 erstrecken sich zwar die Basisabschnitte 10 der einander in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen 4f 5 und 6 in den einander benachbarten Längsreihen jeweils entlang einer gemeinsamen geraden Linie quer zu den Stegen 7, 8 und 9, doch ragen die freien äußeren Endabschnitte 11 jeder der Rippen
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auf dem mittleren Steg 8 von dem Ende B des rohrförmigen Bauteils 2 aus "betrachtet weiter nach vorn in Richtung auf das Ende A als die Rippen 4 und 6 auf den Stegen 7 und 9.
Bei dieser Ausführungsform des Wärmetauschers 1 ragen die freien Endabschnitte 11 der Rippen 5 jeder zweiten der Rippenreihen auf den Stegen 7 Ms 9 gegenüber den Rippen und 6, die ihnen in der Querrichtung auf "beiden Seiten unmittelbar benachbart sind, weiter nach vorn, so daß sie Hindernisse bilden, die sich quer zu den Kanälen erstrecken, welche zwischen den Rippen 4 und 6 vorhanden sind, die längs des Hauptkörpers 3 in Abständen verteilt sind. Diese Konstruktion führt zu einer Erhöhung des statischen !Druckabfalls in dem Wärmetauscher 1, wenn Luft quer zur Längsachse der !Fläche strömt, gegenüber der die Rippen 4, 5 und 6 nach außen ragen. Ferner führt diese Anordnung zu einer Steigerung der Turbulenz der an dem Wärmetauscher vorbeiströmenden Luft sowie zu einer Erhöhung der · Wärmeübertragungsleiäbung des Wärmetauschers beim Gleiten über die genannte Fläche strömenden Luftvolumens im Vergleich zu einem Wärmetauscher, bei der die einander in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen sämtlich jeweils in einer gemeinsamen Fläche liegen.
Nachdem das rohrförmige Bauteil 2 längs der gewünschten Strecke, z. B. der Strecke A-C, mit Rippen 4, 5 und 6 versehen worden ist, kann man das rohrförmige Bauteil am Punkt C in der Querrichtung durchschneiden, so daß man ein fertiges Wärmetauscherelement erhält, über dessen ganze Länge Rippen 4, 5 und 6 verteilt sind. Gemäß Fig. 1 bis 3 weist der gezeigte Wärmetauscher 1 nur Rippen 4, 5 und 6 auf, die nur gegenüber der oberen Wandfläche 12 nach außen vorspringen, und in der Praxis könnte man einen Wärmetauscher auch in dieser Weise ausbilden. Gegebenenfalls könnte man jedoch das rohrförmige Bauteil 2 an anderen Wandflächen, z, B. den
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Stegen 17, 18 und 19 auf der unteren Wandfläche 13, mit den Rippen 4, 5 und 6 ähnelnden Rippen versehen.
In Fig. 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschere dargestellt." Die Teile dieses Wärmetauschers, die in Pig. I bis 3 dargestellten Teilen entsprechen, sind jeweils mit den gleiohen Bezugszahlen bezeichnet, während Teile, die in Fig. 1 bis 3 gezeigten Teilen nur ähneln, jedoch als Ersatz für sie vorgesehen sind, mit den gleichen Bezugszahlen, jedoch unter Beifügung des Buchstabens a, bezeichnet sind.
Der Wärmetauscher la nach Pig. 4 und 5 ist allgemein ebenso ausgebildet wie derjenige nach Fig. 1 bis 3» abgesehen davon, daß die Basisabsohnitte 10 der Rippen 4 und 6 auf den Stegen 7 und 9 nicht in Querfluohtung mit den Basisabschnitten 10a der Rippen 5a auf dem Steg 8 stehen.
Bei dem Schneidwerkzeug 20a ist die gesamte Schneidfläche 22a mit der zugehörigen Schneide 24a gegenüber den Schneidflächen 21 und 23 in der Schnittrichtung naoh vorn versetzt. Die Schneidfläche 22a springt gegenüber den Schneidflächen 21 und 23 nach vorn vorzugsweise über die Hälfte des Längsabstandes zwischen benachbarten Rippen 4 und 6 vor, die über die Länge der Stege 7 und 9 verteilt sind, so daß die einander in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen 4 und 6 auf den Stegen 7 und 9 jeweils in gemeinsamen Flächen liegen, während die ihnen benachbarten Rippen 5a auf dem Steg 8 in der Mitte zwischen diesen Rippen angeordnet sind.
Bei dieser Ausführungeform werden die Querkanäle, die aich zwischen einander benachbarten Paaren von Rippen 4 und 6 erstrecken, welohe entlang dtn Stegen 7 und 9 in Abständen verteilt sind, durch die in der Mitte dazwischen angeordneten Rippen 5a teilweise blookiert, so daß sich vertngende,
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gewundene Strömungswege vorhanden sind, die sich zwischen den Rippen 4-, 5a und 6 quer zur Längsachse des Wärmetauschers la erstrecken.
Zwar sind hei den dargestellten Wärmetauschern 1 und la jeweils nur drei Reihen von Rippen vorhanden, doch sind diese Ausführungsformen nur als Beispiele zu "betrachten; mit anderen Worten, es können gemäß der Erfindung Wärmetauscher hergestellt werden, die eine größere Anzahl von mit Rippen versehenen Stegen aufweisen, welohe in Abständen . quer zur Längsachse verteilt sind. Ferner ist es im Rahmen der Erfindung gegebenenfalls möglioh, die Rippen nicht zu miteinander abwechselnden ,Reihen zu vereinigen, sondern z.. B. jeweils Paare von Rippenreihen oder andere Gruppierungen vorzusehen, "bei denen die Rippen in der Längsrichtung gegeneinander versetzt sind.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist durch die Erfindung ein neuartiger Wärmetauscher der Rippenbauart geschaffen worden, bei dem die Rippen die Form von Stacheln oder Flossen haben.
Ferner ist gemäß der Erfindung ein neuartiges Verfahren zum Herstellen solcher Wärmetauscher geschaffen worden.
Schließlich ist duroh die Erfindung ein neuartiger Rippenwärmetauscher geschaffen worden, der sich in .der Praxis als zweckmäßig erweist, mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet und aioh leicht und mit geringen Kosten herstellen läßt.
Patentansprüche ι
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Claims (1)

  1. -ίο.- 224H07
    PATENTANSPRÜCHE
    Wärmetauscherelement, dadurch gekennzei c h - n e t , daß zu dem Element ein rohrförmiges Bauteil (2) einer langgestreckten Wandfläche (12) gehört, daß mehrere Rippen (4, 5, 6) vorhanden sind, die gegenüber der Wandfläche nach außen ragen und in mehreren durch Querabstände getrennten Reihen angeordnet sind, daß jede Rippe innerhalb jeder Reihe einen sioh quer zu der betreffenden Reihe erstreckenden Basisabschnitts (lO) und einen gegenüber dem Basisabschnitt naoh außen vorspringenden freien Endabachnitt (11) aufweist, und daß die freien Endabschnitte der Rippen (5) bestimmter Reihen in Riohtung auf ein Ende (A) der Wandfläohe längs einer größeren Strecke vorspringen als die freien Endabschnitte der diesen Rippen in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen (4, 6) innerhalb der anderen Reihen·
    2. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisabschnitte (10) der Rippen (5) in den bestimmten Reihen im wesentlichen in Fluchtung mit den Basisabschnitten (10) der diesen Rippen in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen (4, 6) der anderen Reihen stehen.
    3. Wärmetauscherelement naoh Anspruch 1, dadurch g β kennzeichnet, daß die Basisabschnitte (lOa) der Rippen (5a) der bestimmten Reihen im wesentlichen parallel zu Verlängerungen der Baeisabaohnitte (10) der diesen Rippen in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen (4f 6) der anderen Reihen angeordnet Bind.
    4. Wärmetausohereltment naoh Anspruoh 1, daduroh g β kennzeichnet, daß die duroh Querabs tände ge-
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    trennten Reihen abwechselnd durch eine der hestimmten Reihen und eine der anderen Reihen gebildet sind.
    5. Wärmetauscherelement nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Basisabsohnitte (lO) der Rippen (5) "bestimmter Reihen im wesentlichen in längsfluchtung mit den Basisabschnitten (lO) -der diesen Rippen in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen (4, 6) der anderen Reihen angeordnet sind.
    6. Wärmetauscherelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisabschnitte (lOa)
    der Rippen (5a) der bestimmten Reihen im wesentlichen parallel zu Verlängerungen der Basisabechnitte (10) der diesen Rippen in der Querrichtung unmittelbar "benachbarten Rippen
    (4, 6) der anderen Reihen angeordnet sind»
    Y. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das rohrförmige Bauteil (2) S einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt hat und zwei im wesentlichen parallele Außenflächen (12, 13) aufweist, und daß die Reihen von Rippen (4, 5» 6) auf mindestens einer dieser Außenflächen angeordnet sind.
    8. Wärmetauscherelement nach Anspruch 7, dadurch ge- |
    kennzeichnet, daß die durch Querabstände getrennten Reihen abwechselnd duroh eine der bestimmten Reihen und eine der anderen Reihen gebildet sind.
    9. . Wärmetauscherelement nach Anspruch 8, dadurch g e kenn ze lehnet , daß die Basisabschnitte (10) der Rippen (5) der bestimmten Reihen im wesentlichen in Längs-, fluchtung mit den Basisabschnitten (lO) der diesen Rippen in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen (4, 6) der anderen Reihen angeordnet sind.
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    10. Wärmetauscherelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisabschnitte (10a) der Rippen (5) der bestimmten Reihen im wesentlichen parallel zu Verlängerungen der Basisabschnitte (10) der diesen Rippen in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen (4, 6) der anderen Reihen angeordnet sind. -
    11. Wärmetauscherelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Außenfläche (12) mehrere nach außen vorspringende, im wesentlichen parallele, durch Querabstände getrennte Stege (7, 8, 9) aufweist, und daß die Reihen von Rippen (4, 5, 6) auf den zugehörigen Stegen angeordnet sind.
    12. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauscherelements, dadurch gekennzeichnet , daß ein langgestrecktes rohrförmiges Bauteil geformt wird, das einen Wandabschnitt mit durch Querabstände getrennten, langgestreckten, sich in Richtung der Längsachse des rohrförmigen Bauteils erstreckenden Stegen aufweist, daß nacheinander von einem Ende des rohrförmigen Bauteils aus in Richtung auf sein anderes Ende aus den verschiedenen Stegen gleichzeitig Rippen ausgeschnitten werden, die jeweils einen langgestreckten Basisabschnitt aufweisen, welcher sich quer zu dem zugehörigen Steg erstreckt und in direkter Verbindung mit dem zugehörigen Steg steht, sowie einen gegenüber dem Steg nach außen vorspringenden Endabschnitt, und daß die Rippen nach außen umgebogen werden, so daß sie Vorsprünge bilden, wobei die freien Endabschnitte der Rippen jeder zweiten Reihe in Richtung auf ein Ende des rohrförmigen Bauteils weiter vorspringen als die freien Endabschnitten von diesen Rippen in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen der beiden äußeren Reihen.
    13· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die einander in der Querrichtung
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    unmittelbar "benachbarten Rippen "benachbarter Reihen mit in Längsfluchtung miteinander stehenden Basisabschnitten versehen werden·
    14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch g e k e-η η zeichnet, daß die Rippen jeder zweiten Reihe mit Basisabschnitten versehen .werden, die dem einen Ende des
    rohrförmigen Bauteils näher benachbart sind als die Basisabschnitte der diesen Rippen in der Querrichtung unmittelbar benachbarten Rippen der anderen Reihen.
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