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Verfahren und Werkzeug zur flüssigkeitsdichten Befestigung eines
Rohres in einer Trennwand und nach diesem Verfahren hergestellter Wärmetauscher
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur flüssigkeitsdichten Befestigung
eines Rohres in einer mit einem durchgestellten Kragen versehenen Durchgangsöffnung
einer Trennwand, insbesondere zur Befestigung von Leichtmetallrohren in einem Rohrboden
eines flüssigkeitsdurchströmten Wärmetauschers, auf ein Werkzeug zur Durchführung
des Verfahrens und auf einen gemäß dem Verfahren hergestellten Wärmetauscher, insbesondere
für Kraftfahrzeuge.
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Um beispielsweise bei einem flüssigkeitsdurchströmten Wärmetauscher
die einzelnen Rohre auf möglichst einfache und rationelle Weise flüssigkeitsdicht
in den Rohrböden zu befestigen, wurde bisher ein Lötverfahren verwendet. Derartige
Lötverfahren sind jedoch zeitraubend, umständlich und aufwendig.
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Es ist daher bereits ein anderes Befestigungsverfahren für die Rohre
eines Wärmetauschers vorgeschlagen worden (z. 3. DT-OS 1. 751 710), bei dem zwischen
dem Rohr und dem durchgezogenen Kragen des Rohrbodens eine weiche, vorzugsweise
elastische, Dichtung eingefügt wird und wobei durch Aufweiten des Rohres im Bereich
des Kragens eine feste und flüssigkeitsdichte Verbindung erzielt wird. Die Verwendung
einer elastischen Dichtung für jede Befestigungsstelle eines Rohres in einem Rohrboden
ist auch dann noch verhältnismäßig aufwendig, wenn bei einer Vielzahl von in dem
Rohrboden zu befestigenden Rohren alle Dichtungen zu einem einheitlichen Dichtelement
zusammengefaßt werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, den
Aufwand zur Befestigung der Rohre in den Rohrböden eines Wärmetauschers weiter zu
verringern und darüber hinaus eine sichere und mechanisch stabile Halterung der
Rohre in den Rohrböden zu erzielen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß
jedes Rohr im Bereich des durchgestellten Kragens der Trennwand bis zur direkten,
festen Anlage des Rohraußenmantels an dem Kragen der Trennwand aufgeweitet wird.
Dabei wird das Rohr zweckmäßigerweise bis zu einem solchen Durchmesser aufgeweitet,
daß eine durch den Kragen eingeschnürte und an diesem mit ihrer Außenkontur anliegende
Ringwulst gebildet wird. Dieses Befestigungsverfahren, bei dem im wesentlichen ohne
eine Zwischenlage das Rohr im Bereich des Kragens bis zur unmittelbaren, festen
Anlage an dem Kragen aufgeweitet wird, macht die bei den bekannten Ausführungen
vorgesehene, besondere Dichtung entbehrlich. Darüber hinaus erfolgt die Befestigung
der Rohrenden in den Rohrböden mittels eines einzigen Aufweitvorganges, so daß die
für das Einlegen der Dichtung und dergleichen erforderlichen Montagezeiten in Wegfall
kommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform de s des Befestigungsverfahrens
soll zur Aufweitung des Rohres im Bereich des Kragens der Trennwand
ein
elastisch verformbares Teil verwendet werden, das zwischen zwei in dem Rohr geführten
Drückstücken zusammengepreßt wird.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß der Aufweitvorgang des Rohres nur
in einem eng begrenzbaren Bereich erfolgt, nämlich dort, wo das Rohr durch den durchgestellten
Kragen des Rohrbodens verläuft.
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Die Verwendung eines elastisch verformbaren Aufweitteiles sichert
weiterhin einen gleichmäßigen Aufweitvorgang und eine sichere und feste Anlage des
Rohraußenmantels an der Innenkontur des Kragens9 wobei geringfügige Abweichungen
von der exakt kreisrunden Form ohne Beeinträchtigung der Dichtungswirkung selbsttätig
ausgeglichen werden.
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Um den Festsitz der Rohre zu verbessern und die bei dem Aufweiten
entstehende Materialbeanspruchung zu verringern, ist es gegebenenfalls von Vorteil,
zumindest die aufzuweitenden Rohrbereiche vor dem Einsetzen in die Trennwand und
dem Aufweiten zu unterkillilen.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn an dem Innenmantel des Kragens
und/oder d-em Bußvmnaneel des Rohres im Bereich des Kragens vor dem Aufweiten ein
pastöses Dichtmaterial aufgebracht wird. Insbesondere könnte eine derartige Maßnahme
dann angebracht sein, wenn besonders hohe Beanspruchungen und große Flüssigkeitsdrüoke
in dem Wärmetauscher auftreten. Normalerweise wird jedenfalls eine mechanisch sehr
feste und ausreichend dichte Verbindung zwischen den Rohren und dem Rohrboden allein
durch das erflndur#sgemäße Aufweiten des Rohres im Bereich der Kragen erreicht.
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Zur Durchführung des zuvo#eschildeten Verfahrens wird von der Erfindung
ein Werkzeug vorgeschlagen, das aus zwei in Richtung aufeinander ztewegbaren, in
dem Rohr geführten, kolbenförmigen Druckstücken besteht, zwischen deren einander
zugewandten Stirnflächen ein elastisch verformbares Teil angeordnet ist,. Dabei
können die Druckstücke durch eine an einem Ende auf das Rohr aufgesetzte und mit
einem Ansatz in dem Rohr geführte Hülse und einen koaxial durch die Hülse in das
Rohr hineinragenden Zuganker mit einem an seinem Ende angeordneten, scheibenförmigen
Bund gebildet werden, die mittels
einer Druckvorrichtung gegeneinander
verschiebbar sind. Bei dieser Ausführung ist das elastisch verformbare Teil in Form
eines den Zuganker umgreifenden, zwischen dem scheibenförmigen Bund und der Bülse
angeordneten Ringes ausgebildet. Mit Hilfe eines derartigen Werkzeuges läßt sich
eine örtlich eng begrenzte und gleichmäßige Aufweitung des Rohres eines Wärmetauschers
in einfacher Weise erzielen. Für eine rationelle Befestigung aller Rohre in dem
Rohrboden eines Wärmetauschers mittels eines einzigen Arbeitsganges ist es zweckmäßig,
wenn die den jeweiligen Rohren zugeordneten Rülsen und Zuganker jeweils starr untereinander
verbunden sind und durch eine gemeinsame Druckvorrichtung gegeneinander bewegbar
sind.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein nach dem oben geschilderten
Verfahren hergestellter Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, beidem in
mit durchgestellten Kragen versehenen Durchgangsöffnungen der Rohrböden Leichtmetallrohre
flüssigkeitsdicht gehalten sind und dessen Kennzeichen darin besteht, daß die Rohre
im Bereich Ihrer Durchführung durch die durchgestellten Kragen der Rohrböden ringwulstförmige,
an den Kragen dicht anliegende Aufweitungen aufweisen. Diese ringwulstförmigen Aufweitungen,
die im Bereich der Kragen eingeschnürt sind, gewährleisten eine sichere Anlage der
Rohre an den Kragen des Rohrbodens und sichern darüber hinaus die Rohr gegen eine
Verschiebung in axialer Richtung.
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Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung werden
nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der
Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung in schematischer Darstellung
die Befestigung eines Leichtmetallrohres in einem Rohrboden eines Wärmetauschers.
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In der Zeichnung ist mit 1 ein Teil eines Rohrbodens (Trennwand) eines
Wärmetauschers bezeichnet, der im Bereich von Durchgangsöffnungen 2 nach innen durchgesteckte
Kragen 3 aufweist, in denen
Leichtmetallrohre 4 flüssigkeitsdicht
befestigt werden. Diese Rohre 4 verbinden den oberhalb des Rohrbodens 1 befindlichen
Raum 5 des Wärmetauschers (Wasserkasten) mit einem zweiten ähnlich gestalteten,
hier nicht dargestellten Raum, der sich unterhalb eines zweiten Rohrbodens befindet.
Zwischen den beiden Rohrböden befindet sich dabei der Bereich, in dem die Wärme
zwischen dem in den Rohren strömenden Arbeitsmittel (z. B. Eühlwasser) und einem
außerhalb der Rohre strömenden zweiten Arbeitsmittel (Kühlluft) ausgetauscht wird.
Gegebenenfalls weisen diese Rohre 4 an ihrem Außenumfang die Wärmeaustauschfläche
vergrößernde Mitel, beispielsweise Rippen, Lamellen oder dergleichen auf.
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Die Befestigung der Rohre 4 in den durchgestellten Kragen 3 des Rohrbodens
1 erfolgt gemäß der Erfindung allein durch Aufweitung der Rohre. Diese Aufweitung
der Rohre erfolgt dabei loka#egrenzt nur etwa im Bereich der Kragen 3 wobei die
Rohre auf solche Durchmesser aufgeweitet werden, daß sich eine durch den Kragen
5 eingeschnürte Ringssulst ergibt. Diese ringamlstartige AuSweitung der Rohre, die
bis zur festen und flüssigkeitsdichten Anlage der Rohre an der Innenkontur des durchgestellten
Kragens 3 vorgenommen wird, ist in der Zeichnung mit gestrichelten Linien angedeutet,
währ2nd mit ausgezogenen Linien der Zustand der Rohre vor der Aufweitung gezeigt
ist. Im Endzustand ergeben sich dann zwei ringförmige Wülste 6a und 6b, die in Achsrichtung-vor
und hinter dem Kragen 3 des Rohrbodens liegen und die durch einen eingeschnürten
Bereich 6c, der fest an der Innenkontur des Kragens 3 anliegt, verbunden sind.
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Zur Herstellung dieser mechanisch festen und flüssigkeitsdichten Verbindung
zwischen den Rohren 4 und dem Rohrboden 1 wird ein in der Zeichnung mit 7 gekennzeichnetes
Werkzeug verwendet. Dieses Werkzeug besteht im wesentlichen aus einer Druckhülse
8, die mit einem kolbenförmigen Ansatz 9, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser
des Rohres 4 entspricht, in das Ende des Rohres 4 hineinragt. Die Druckhülse 8 weist
eine zentrale Bohrung 10 auf, durch die ein konzentrischer Zuganker 11 in das Rohr
4 hineinragt. Dieser Zuganker 11 weist an seinem in das Rohr hineinragenden Ende
einen
scheibenförmigen Bund 12 auf, der ebenfalls in dem Rohr 4
mit nur geringem Spiel geführt ist. Zur besseren Einführung dieses scheibenförmigen
Bundes in das jeweilige Rohrende weist der Bund einen konischen Ansatz 13 auf.
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Zwischen den jeweils einander zugewandten Stirnflächen des kolbenförmigen
Ansatzes 9 der Druckhülse 8 und des scheibenförmigen Bundes 12 des Zugankers 11
befindet sich ein ringförmiges, den Zuganker 11 umgebendes Verformungsteil 14, das
aus einem elastisch verformbaren Material, beispielsweise aus Gummi oder einem gummiartigen
Kunststoff besteht.
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Am oberen Ende des Zugankers 11 ist eine Traverse 15 angedeutet, die
mittels einer hier nicht gezeigten Drückvorrichtung gegenüber der Druckhülse 8 in
Richtung der Pfeile 16 auseinanderbewegt werden kann. Dabei wird das elastisch verformbare
Aufweitteil 14 zwischen den einander zugewandten Stirnflächen des kolbenförmigen
Ansatzes 9 und des scheibenförmigen Bundes 12 zusammengepreßt, wobei das elastisch
verformbare Material radial ausweicht. Dadurch ergibt sich eine ringwulstförmige
Aufweitung des Rohres 4 im Bereich des Verformungsteiles 14. Durch entsprechende
Bemessung der axialen Länge des kolbenförmigen Ansatzes 9 der Druckhülse 8, des
Zugankers 11 mit dem scheibenförmigen Bund 12 und des elastisch verformbaren Bufweitteiles
14 muß nun dafür gesorgt werden, daß diese ringwuRf-l artige Aufweitung des Rohres
4 gerade im Bereich des durchgestellten Kragens 3 des Rohrboden 1 erfolgt. Dabei
ist die axiale Länge des Aufweitteiles 14 größer als die des durchgestellten Kragens
3 des Rohrbodens, so daß sich die in der Zeichnung mit unterbrochenen Linien gezeigte
Verformung des Rohres 4 einstellt. Um einen sicheren und festen Halt des Rohres
4 in der Durchgangsöffnung 2 des durchgestellten Kragens 3 zu erzielen,erfolgt die
Aufweitung solange, bis die sich vor und hi#nter dem Kragen ergebenden Ringwülste
6a und 6b einen deutlich größeren Durchmesser haben als die Durchgangsöffnung 2
der durchgestellten Kragen 3. Dadurch wird zum einen sichergestellt, daß in dem
eingeschnürten Bereich 6c das Rohr 4 mit einer genügend großen Vorspannung an der
Innenkontur des durchgestellten
Kragens 3 anliegt, und zwar nicht
nur in dem zylindrischen Bereich des Kragens 3, sondern auch in dessen unter einem
bestimmten Radius gebogenen Wurzelbereich; zum zweiten sichern die Ringwülste 6a
und 6b das Rohr 4 gegen axiale Verschiebungen in der Durchgangsöffnung 2 des Rohrbodens.
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Bei dem oben beschriebenen Aufweitvorgang ergibt sich durch die Ausbildung
des oberen Ringwulstes 6b eine geringfügige axiale Verkürzung des aus dem Rohrboden
1 hervorstehenden Endes des Rohres 4 und dabei auch ein Nachsetzen der mit bestimmter
Kraft auf das Rohrende aufgesetzten Druckhülse 8.
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Bei einem Wärmetauscher, insbesondere bei einem Wasser- oder Ölkühler
für ein Kraftfahrzeug, ist nun eine Vielzahl solcher Rohre 4 in einer entsprechenden
Zahl von durchgestellten Kragen eines Rohrbodens zu befestigen. Um dabei eine rationelle
Massenfertigung zu ermöglichen, können die Druckhülsen 8 aller Rohre ebenso wie
auch die Traversen 15 aller Zuganker 11 zu jeweils gemeinsamen Bauteilen zusammengefaßt
werden und durch eine gemeinsame Vorrichtung gleichzeitig auseinanderbewegt werden.
Auf diese Weise können sämtliche Rohraufweitungen an einem Rohrboden 1 in einem
Arbeitsgang und mit einem verhältnismäßig einfach ausgebildeten Werkzeug ausgeführt
werden.
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Mit 17 ist schließlich ein Niederhalter bezeichnet, der ein tnaiegen
des Rohrbodens an hier nicht gezeigten Luftleitblechen gewährleistet, ein axiales
Verschieben verhindert und eine ausreichende Planheit gewährleistet.
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Um den Aufweitvorgang gegebenenfalls zu vereinfachen und den Festsitz
der Rohre im Bereich der Einschnürungen 6c zu verbessern, kann es vorteilhaft sein,
die aufzuweitenden Rohrbereiche vor dem Einsetzen in die Trennwand und dem Aufweitvorgang
zu unterkühlen. Wenn sich dann nach dem Aufweiten die Temperaturen des Rohrbodens
und des aufgeweiteten Rohrbereiches wieder angleichen, stellt sich eine zusätzliche
Wärmedehnung infolge des zuvor vorhandenen Temperaturunterschiedes ein. Gegebenenfalls
kann dann die mechanische Aufweitung
des Rohrendes weniger stark
ausgeführt werden, ohne daß Beeinträchtigungen hinsichtlich eines mechanisch festen
und flüssigkeitsdichten Sitzes des Rohres in dem durchgestellten Kragen 3 des Rohrbodens
1 auftreten.
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Schließlich könnte es auch sinnvoll sein, die sich allein durch die
Anlage des Rohraußendurchmessers an den durchgestellen Kragen ergebende Dichtung
an der Durchgangsöffnung 2 dadurch noch zu verbessern, indem auf den Außenmantel
des Rohres und/oder auf den Innenmantel des Kragens ein pastöses Dichtmaterial aufgebracht
wird. Insbesondere kann dies dann sinnvoll sein, wenn die Durchgangsöffnung gegen
besonders hohe Flüssigkeitsdrücke abdichten soll.
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Selbstverständlich soll die in der Zeichnung gezeigte Ausführungsform
der Erfindung keine Beschränkung der erfindungsgemäßen Lehre bedeuten. Anstelle
der in der Zeichnung gezeigten Ausführung des Aufweitwerkzeuges mit der auf das
Ende des Rohres aufgesetztem Druckhülse und dem konzentrisch durch diese durchgeführten
Zuganker kann beispielsweise -- auch eine Ausführung eingesetzt werden, bei der
ein zylinderförmiges Verformungsteil zwischen zwei in entgegengesetzter Richtung
verschiebbaren Kolben zusammengepreßt wird. Dabei kann der eine Kolben von dem einen
Rohrende her und der andere Kolben von dem anderen Rohrende her eingeführt und mit
Druck beaufschlagt werden.