DE2510835A1

DE2510835A1 - Verfahren zum herstellen von waermeaustauschern

Info

Publication number: DE2510835A1
Application number: DE19752510835
Authority: DE
Inventors: Gordon Robert Creighton
Original assignee: Ciba Geigy AG
Current assignee: Novartis AG
Priority date: 1974-03-14
Filing date: 1975-03-12
Publication date: 1975-09-18
Also published as: CH589833A5; SE7502150L; IT1032282B; FR2264263A1; US4286365A; GB1469656A; NL7502880A; CA1035930A; ES435569A1; JPS50132556A; FR2264263B1

Description

CIBA-GEiGY

CIBA-GEIGY AG, CH-4002 Basel

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Anwaltsakte 25 8l4 12. März 1975

Case 37-9370/ARL 218
DEUTSCHLAND

Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern, sowie auf unter Anwendung eines solchen Verfahrens hergestellte Wärmeaustauscher.

Es gibt bekannte Wärmeaustauscher mit einem oberen und einem unteren Behälter und einer Anzahl von die beiden Behälter miteinander verbindenden Metallrohren, durch welche eine Heiz- oder Kühlflüssigkeit hindurchgeleitet

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wird. Die Herstellung solcher Wärmeaustauscher ist ziemlich teuer, da sie eine Anzahl von Profilrohren enthalten, welche in öffnungen im oberen und im unteren Behälter eingepaßt und abdichtend befestigt werden müssen. In einem bekannten Verfahren für die Herstellung solcher Wärmeaustauscher werden die Rohre in der Weise hergestellt, daß man dünne, entsprechend geformte Metallstücke mit einem Kleber versieht und sie dann unter Druck stoffschlüssig miteinander verbindet. Dieses Verfahren erfordert sehr große Sorgfalt. Werden nämlich die einzelnen Stücke nicht unter Einhaltung sehr enger Toleranzen vorgefertigt, so kann es aufgrund von ungleichmäßiger Druckverteilung zum Verrutschen der Teile und zu mangelhafter Abdichtung kommen.

Aus den Britischen Patentschriften 770 296 und 1 167 090 sind Verfahren für die Herstellung von Wärmeaustauschern bekannt, in welchen dünne Metallstreifen entlang ihren Längsrändern stoffschlüssig miteinander verbunden, die miteinander verbundenen Paare der Metallstreifen in Form einer Schlange gebogen und dann unter Einführung eines Druckmittels aufgebläht oder auseinandergetrieben v/erden. Dieses Verfahren hat wenigstens einen schwerwiegenden Mangel. Um zu gewährleisten, daß an den Biegungen Jeweils ein offener Durchlaß vorhanden ist, werden die miteinander verbundenen, jedoch noch nicht auseinandergetriebenen Streifenpaares um bogenförmige Formstücke herum gebogen, weshalb der sich dabei ergebende Stapel jedoch nicht

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gepreßt werden kann. Der noch nicht aufgeblähte Stapel ist daher ziemlich voluminös, was sich in bezug auf Lagerung und Transport abträglich auswirkt.

Die Erfindung schafft ein Verfahren, bei welchem diese Schwierigkeiten im wesentlichen beseitigt sind und bei welchem die Streifen im nicht aufgeblähten Zustand satt übereinander gefaltet werden können. In diesem Zustand können sie gelagert und transportiert und dann bei Bedarf aufgebläht oder auseinandergetrieben werden. Gemäß diesem Verfahren werden zwei Streifen zickzackförmig zu einem Stapel übereinandergefaltet, wobei der eine Streifen seitlich gegenüber dem anderen versetzt ist. Die Streifen werden dann, gewöhnlich unter Anwendung von Druck, in Längsrichtung stoffschlüssig miteinander verbunden und zu gegebener Zeit durch Einleitung eines Druckmittels, etwa Druckluft oder Wasser, auseinandergetrieben. Dabei erhält man eine Wärmeaustauscherschlange mit einstückig geformten Biegungen oder Rückwärtskrümmungen, welche offene Durchlässe bilden,.ohne daß dazu besondere Vorkehrungen erforderlich sind.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Wärmeaustauschers in Form einer Strömungsleitung mit einer Anzahl von Leitungsstücken, welche untereinander über damit einstückige Rückwärtskrümmungen verbunden sind, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß zwei Materialstreifen zickzackförmig zu einem Stapel mit im wesentlichen parallelen Lagen übereinandergefaltet werden, wobei die beiden Streifen seit—

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lieh zueinander versetzt sind, daß die beiden Streifen zur Bildung einer flachen, in Schlangenlinien verlaufenden Leitung entlang im wesentlichen parallel zu ihren Längsrändern verlaufenden Linien stoffschlüssig miteinander verbunden werden, und daß die Leitung durch Einleiten eines Druckmittels aufgeweitet wird.

Die Leitungsteile der aufgeweiteten Leitung verlaufen vorzugsweise parallel zueinander, sie können jedoch auch gekrümmt oder wellenförmig ausgeführt sein.

Die für den erfindungsgemäßen V/ärmeaustauscher verwendeten Werkstoffe müssen unempfindlich gegenüber dem Värmeaustauschermedium sowie gegenüber dem zum Aufweiten verwendeten Druckmittel und außerdem, gegebenenfalls unter Erwärmung, ausreichend verformbar sein, so daß sich die Leitung unter Einwirkung des Innendrucks aufweiten läßt. Geeignet sind metallische und nichtmetallische Werkstoffe wie Kupfer, Weichstahl, Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie die folgenden thermoplastischen Harze: Polyphenylenoxide, Polyphenylensulfide, Polysulfone, Polyimide und Phenoxydharze. Vorzugsweise verwendet man Metallstreifen, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die Streifen sind vorzugsweise etwa 0,01 bis 0,8 mm, insbesondere zwischen 0,05 und 0,25 mm dick, so daß sie zum Aufweiten der Leitung leicht verformbar sind.

Die seitliche Versetzung des einen Streifens gegenüber

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dem anderen kann auf verschiedene V/eise erzielt werden. So können die beiden Streifen gemeinsam übereinandergefaltet und dann im rechten Winkel zur Höhe des Stapels auseinandergezogen werden. Anderenfalls werden die Streifen einzeln auf die gleichen Maße zusammengefaltet und dann so zusammengeschoben, daß sich die Faltlinien nahezu berühren. In einer anderen Ausführungsform werden die beiden Streifen gemeinsam in der erforderlichen versetzten Anordnung gefaltet.

Die Streifen werden entlang ihren Längsrändern etwa mittels eines Klebers, insbesondere eines Klebers auf der Basisi von duroplastischen Harzen, stoffschlüssig miteinander verbunden, oder, im Falle von metallenen Streifen, g eschweißt, gelötet oder hartgelötet. .In jedem Falle müssen die Streifen kontinuierlich entlang im wesentlichen parallel zu ihren Längsrändern verlaufenden Linien miteinander verbunden werden, wobei die später aufzuweitenden Bereiche unverbunden bleiben. Bei Verwendung eines Klebers wird dieser also nur an den miteinander zu verbindenden Bereichen aufgetragen. Erfolgt die stoffschlüssige Verbindung der Streifen durch Schweißen, Löten oder Hartlöten, so wird an den nachher zu den Durchlässen der Leitung aufzuweitenden Bereichen zweckmäßig ein Trennmittel aufgebracht.

Bei Verwendung eines Klebers muß dieser gegenüber den späteren Einsatzbedingungen des Wärmeaustauschers widerstandsfähig sein. Soll der Wärmeaustauscher beispiels-

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weise als Kühler für eine wassergekühlte Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, so muß der Kleber widerstandsfähig gegenüber Äthylenglykol oder ein anderes Frostschutzmittel enthaltendem heißem Wasser sein. Der Kleber kann duroplastisch, elastomer oder thermoplastisch sein, wobei duroplastische Kleber den Vorzug verdienen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die vorteilhafte Möglichkeit, einen Kleber zu verwenden, welcher zum Herstellen einer sicheren stoffschlüssigen Verbindung der Anwendung hoher Drücke bedarf.- Solche Kleber sind bei bekannten Verfahren zum Herstellen von Värmeausteuschern nicht verwendbar, da hier die Gefahr einer Beschädigung der Biegungen bestünde. Geeignete duroplastische Kleber sind solche auf der Basis von Epoxydharzen und Phenolharzen, letztere gegebenenfalls mit Zusätzen eines Elastomers, etwa Mtrilgummi, oder eines thermoplastischen Materials, etwa IJylon oder eines Vinylpolymers. Als elastomere Kleber eignen sich natürliche oder synthetische Gummis wie Chlorkautschuk, Mtrilgummi und Polysulfidgummis. Geeignete thermoplastische Kleber umfassen Polyvinylazetat, Polyvinylchlorid, Polyakrylate und Polyamide.

Der Kleber oder das Trennmittel wird vorzugsweise vor dem Zusammenfalten der Streifen zu einem Stapel aufgetragen. Zum Herstellen einer sicheren stoffschlüssigen Verbindung wird der Stapel vorzugsweise einem Druck unterworfen. Zum Verfestigen des gegebenenfalls als Kleber verwendeten

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Duroplasten oder zum Verlöten, Verschweißen oder Hartverloten der Ränder der Streifen kann gleichzeitig Wärme zugeführt werden. Vor dem Ausüben des Preßdrucks kann es zweckmäßig sein, im Bereich der Rückwärtsbiegungen oder Falten jeweils eine Zwischenlage zwischen die aus jeweils zwei Streifen gebildeten Lagen des Stapels einzulegen, wobei die Zwischenlagen im wesentlichen doppelt so dick sein müssen wie die einzelnen Streifen. Im Bereich der Rückwärtsbiegungen beträgt die Materialstärke nämlich nur die Hälfte von der in der Mitte des Stapels vorhandenen. Die Zwischenlagen gleichen also diese Dickenunterschiede aus, so daß der ausgeübte Preßdruck überall gleichmäßig zur Wirkung'kommt und damit eine sichere Verbindung entsteht. Die Zwischenlagen .sind zweckmäßig aus Material- · stücken von der Stärke der S'treifen gebildet und werden vor dem Einlegen einmal zusammengefaltet. Hach dem Pressen des Stapels und Herstellen der stoffschlüssigen Verbindungen können die Zwischenlagen dann wieder entfernt werden.

In der einfachsten Ausfuhrungsform wird ein Wärmeaustauscher aus zwei Materialstreifen gefertigt, welche nur entlang ihren Längsrändern stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Es lassen sich jedoch auch kompliziertere Wärmeaustauscher herstellen, indem die stoffschlüssige Verbindung in einem Muster von parallel zu den Längsrändern verlaufenden Linien erfolgt. Die so hergestellten Verbindungslinien können die Leitung in wenigstens zwei

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getrennte Durchlässe aufteilen. Durch stoffschlüssige Verbindung der beiden Streifen entlang unterbrochenen Linien einwärts der Längsränder können wenigstens zwei miteinander stroraungsverbundene Durchlässe hergestellt werden. Diese Durchlässe brauchen nicht geradlinig zu verlaufen sondern können entlang den einzelnen Lagen eine gewundene Bahn beschreiben.

Die Erfindung sieht ferner die Möglichkeit vor, einen aus den Lagen der Leitung gebildeten Stapel auf o'ede benötigte Länge zuzuschneiden oder, falls mehrere Durchlässe vorhanden sind, den Stapel in mehrere schmälere Leitungen zu zerlegen und diese gegebenenfalls einzeln aufzuweiten. Auf diese Weise ist es möglich, einen Wärmeaustauscher von beliebig verkleinerten Abmessungen aus einem Stapel von Standardgröße herzustellen.

Vor dem Aufweiten der Leitungen durch Einleiten eines gasförmigen oder flüssigen Druckmittels werden vorzugsweise Formstücke zwischen die einzelnen Lagen des Stapels eingeführt und der Stapel wird in einen Rahmen eingespannt und mittels Zugstreben gesichert.

Zur Vergrößerung der Oberfläche des Wärmeaustauschers können vor oder nach dem Aufweiten der Leitung Verrippungsteile zwischen die einzelnen Lagen eingesetzt werden. Diese sind vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Leitungsteile und können etwa mittels eines Klebers befestigt werden. Werden die Verrippungsteile vor dem Aufweiten der Leitung eingesetzt, so brauchen sie gewöhn-

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lieh nicht stoffschlüssig befestigt zu werden, da sie beim Aufweiten der Leitungsteile mit genügend großer Kraft zwischen den einzelnen Lagen festgeklemmt werden.

Die fertigen Wärmeaustauscher können, falls notwendig, mit einem gegen Korrosion schützenden Überzug versehen werden, welcher gleichzeitig als Kleber zum Befestigen der Verrippungsteile dienen kann. Das Aufbringen des Überzugs geschieht zweckmäßig durch Eintauchen in eine organische Überzugsmasse, welche gegebenenfalls metallische Teilchen enthalten kann.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

In Fig. la bis 1d sind verschiedene Ausführungsforcien von mit einem Kleber oder einem Trennmittel versehenen Materialstreifen vor dem Zusammenfalten derselben zu einem Stapel dargestellt. Bei Verwendung eines Klebers ist dieser mit 10 bezeichnet, während unbeschichtete Flächen mit 11 bezeichnet sind. Im Falle .einer Schweißverbindung bezeichnet 10 das unbehandelte Metall, während die mit einem Trennmittel behandelten Flächen mit 11 bezeichnet sind. Fig. 1a zeigt einen Streifen für die Herstellung eines Wärmeaustauschers mit nur einem Leitungsdurchlaß, während der Streifen in Fig. 1b für einen Wärmeaustauscher mit mehreren Durchlässen vorgesehen ist. Der in Fig. 1c dargestellte Streifen ergibt einen Wärmeaustauscher mit mehreren Durchlässen, von denen einige unterein-

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ander stromungsverbunden sind. Fig. 1d zeigt einen Streifen für die Herstellung eines mehrere Durchlässe aufweisenden Wärmeaustauschers, bei welchem das Wärmeaustauschermedium entlang gewundenen Bahnen strömt.

In Fig. 2 ist ein gefalteter, jedoch noch nicht zusammengep2ri3ter Stapel im Schnitt gezeigt. Zwei Metallstreifen 21, 22 mit in Linien aufgetragenem Kleber oder Trennmittel sin so übereinandergefaltet, daß der eine Streifen seitlich gegenüber dem anderen versetzt ist. Vor dem Pressen des Stapels werden Zwischenlagen 23 von der doppelten Dicke der einzelnen Streifen im Bereich der Rückwärtsbiegungen oder Falten zwischen die einzelnen Lagen eingelegt.

Fig. 3 zeigt eine Schrägansicht eines gepreßten, noch nicht aufgeweiteten Stapels. Vor dem Aufweiten kann der Stapel etwa entlang der Linie A-A¹ durchschnitten werden, um die Anzahl der Durchlässe in den einzelnen Lagen zu verringern, oder er kann zur Verringerung der Höhe des fertigen Wärmeaustauschers etwa entlang der Linie B-B¹ durchgeschnitten werden.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des Stapels nach dem Aufweiten der Leitung. Zwei Streifen 42, 43 bilden eine Leitung mit einem kontinuierlich über ihre gesamte Länge verlaufenden Durchlaß 44. Zwischen die einzelnen Lagen der Leitung sind Formstücke 41 eingesetzt. Das eine Ende 45 der Leitung ist mit einer (nicht gezeigten) Druckmittelquelle verbunden, und das andere Ende 46 ist dicht

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verschlossen. In einer anderen Anordnung können beide Enden 45 und 46 mit der Druckmittelquelle verbunden sein. Fig. 4a zeigt eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie C-C bei Verwendung eines einzigen Durchlasses. Eine entsprechende Schnittansicht einer Leitung mit mehreren Durchlässen zeigt Fig. 4b.

Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines fertigen V7ärmeaustauschers gemäß der Erfindung. Zwischen die einzelnen Lagen der Leitung sind Verrippungsteile 51 eingesetzt, und die Enden 52, 53 der Leitung sind offen, so daß eine (nicht gezeigte) Quelle für ein Wärmeaustauschermedium daran angeschlossen werden kann.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Beispiels erläutert, wobei die angegebenen Mengenverhältnisse auf das Gewicht bezogen sind.

Beispiel

Folienstreifen aus der Aluminiumlegierung "Alcan 2S" in geglühtem Zustand, mit einer Dicke von 0,1 mm bei einer Breite von 63,5 mm wurden in der in Fig. 1a gezeigten Weise auf jeweils einer Seite mit zwei 6,5 EHa breiten Streifen eines Klebers beschichtet.

Der aufgetragene Kleber war eine 16%ige Lösung eines Gemischs aus einem phenolischen Resol mit einem P : F-Verhältnis von 1:1,43 und einem Polyvinylbutyral mit einem mittleren Molekulargewicht von 41 000 im . Verhältnis von 1:2 in Methanol. Der Kleber wurde bei Zimmertemperatur luftgetrocknet, wobei an den Streifen

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22 g Kleber pro in zurückblieb.

Zwei auf diese weise beschichtete Streifen wurden mit den beschichteten Seiten aneinandergelegt und in der in Fig. gezeigten Weise versetzt zickzackförmig übereinandergefaltet. Der gefaltete Stapel wurde in einer Presse einem Druck von 2,1 EJN/m unterworfen und zum Verfestigen des Klebers wahrend 30 min auf 150 ⁰C erwärmt. Darauf wurde der Stapel mit Luft unter einem Druck von 70 kH/ui aufgeweitet, und ergab eine Wärmeaustauscherschlange mit
einem einzigen Durchlaß.

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Claims

PatentansOrüche:

1.j Verfahren zum Herstellen eines Wärmeaustauschers in Form einer Strömungsleitung mit einer Anzahl von in Lagen verlaufenden Leitungsstücken, welche untereinander über damit einstückige Rückwärtskrümmungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Materialstreifen zickzackförmig zu einem Stapel mit im wesentlichen zueinander parallelen Lagen übereinandergefaltet werden, wobei die beiden Streifen seitlich zueinander versetzt sind, daß die beiden Streifen zur Bildung einer flachen, in Schlangenlinien verlaufenden Leitung entlang im wesentlichen parallel zu ihren Längsrändern verlaufenden Linien stoffschlüssig miteinander verbunden werden, und daß die Leitung.durch Einleiten eines Druckmittels aufgeweitet wird.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstreifen aus Metall sind,

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstreifen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sind.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen 0,01 bis 0,3 mm dick sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen 0,05 bis 0,25 dick sind.

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Ί4- -

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen der aufgeweiteten Leitung parallel zueinander verlaufen.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Streifen zum Ausbilden ihrer seitlichen Versetzung zusammen gefalten und dann im rechten Winkel zur Höhe des Stapels auseinandergezogen, voneinander getrennt auf die gleichen Abmessungen gefaltet und so zusammengefügt werden, daß sich die Palten nahezu berühren oder

in der erforderlichen versetzten Anordnung gemeinsam gefaltet werden. ^:

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen entlang ihren Längsrändern mittels eines Klebers stoffschlüssig miteinander verbunden werden,

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber ein solcher auf der Basis eines duroplastischen Harzes ist.

10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen entlang ihren Längsrändern verschweißt, verlötet oder hartverlötet werden.

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11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dä3 im Bereich der Rückv/ärtsbiegungen Zwischenlagen von im wesentlichen der doppelten Dicke der Streifen zwischen die einzelnen Paare der Lagen eingelegt werden und daß die stoffschlüssige Verbindung der beiden Streifen durch Anwendung von Druck herbeigeführt wird.

12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennz eichnet, daß die Leitung wenigstens zwei voneinander getrennte Durchlässe hat.

13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung v/enigstens zwei miteinander stromungsverbundene Durchlässe hat.

Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Lagen der Leitung !Formstücke eingesetzt werden und daß der Stapel vor dem Aufweiten in einen Rahmen ein gesetzt und zwischen Zugstreben eingepaßt wird.

15· Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 1A-, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach dem Aufweiten Verrippungsteile zwischen die Lagen der Leitung eingesetzt werden.

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16. Verfahren nach wenigstens einem der .Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der V/ärmeaustauscher mit einem Überzug versehen wird.

17· Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß er nach einem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt ist.

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