DE4322405A1

DE4322405A1 - Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherelementen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4322405A1
Application number: DE4322405A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Trage; Harald Sassmann; Wolfgang Holten; Miroslav Podhorsky
Original assignee: Balcke Duerr AG
Current assignee: Balcke Duerr GmbH
Priority date: 1993-07-06
Filing date: 1993-07-06
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2013-07-07
Also published as: DE4322405C2; ZA944821B

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherelementen unter Verwendung eines ein- oder zweiteiligen Grundkörpers, dessen Querschnitt für den Durchtritt eines der am Wärmeaustausch beteiligten Medien eine im Verhältnis zu seiner Höhe große Breite aufweist und der zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeaustauschflächen auf seinen flachen Außenseiten mit parallel zueinander gestaffelten Rippen versehen wird, die im Bereich ihres Rippenfußes mit den Außenseiten des Grundkörpers verschweißt werden, wobei die miteinander zu verschweißenden Teile während des Schweißvorganges mit einer Andrückkraft beaufschlagt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung derartiger Rippenrohre ist z. B. aus der DE 40 39 292 A1 bekannt. Der hierbei verwendete Grundkörper besteht aus zwei Halbschalen, die in einer hierfür geeigneten Vorrichtung an ihrer flach ausgebildeten Außenseite mit den einzelnen Rippen versehen wird. Die Rippen können z. B. L-förmig gestaltet sein, wobei die jeweils kurzen Schenkel die Rippenfüße bilden, welche sich auf der Außenseite des Grundkörpers abstützen. Nachdem die Rippen in ihre endgültige Position relativ zum Grundkörper gebracht sind, erfolgt eine Verbindung dieser Teile durch einen schräg zur Vorschubrichtung von Rippen und Grundkörper über die gesamte Breite des Grundkörpers hin- und hergeführten Schmelzschweißstrahl, z. B. einen Laserstrahl oder einen Elektronenstrahl. Dieser erzeugt von der Innenseite des Grundkörpers aus eine zick-zack-förmige Schweißspur, welche sicherstellt, daß jede Rippe an zumindest zwei Punkten mit der betreffenden Halbschale des Grundkörpers verbunden wird. Um ein sicheres Anliegen der zu verbindenden Teile vor dem Schweißvorgang sicherzustellen, sind beidseits des Weges des Schweißstrahles Kugelandrückleisten vorgesehen, welche einen Druck auf die Innenseite der Halbschale ausüben. Dieser Druck trifft auf Seite der Rippen auf einen Gegendruck eines dort stationär angeordneten Widerlagers in Form eines Andrückbetts. Wenngleich dieses Verfahren sehr schnell arbeitet und damit die Voraussetzung bietet, innerhalb kürzester Zeit eine große Strecke des als endloses Blech zugeführten Grundkörpers mit Rippen zu versehen, ist die Verbindung zwischen Rippen und Grundkörper nicht befriedigend. Infolge des zick-zack-förmig hin- und herfahrenden Schweißstrahles wird nur eine punktweise Verbindung zwischen den Rippen und den Halbschalen des Grundkörpers erreicht, was im Hinblick auf eine gute Wärmeübertragung zwischen diesen Teilen nicht voll zu überzeugen vermag.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherelementen so weiterzuentwickeln, daß sich eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem Grundkörper und den auf dem Grundkörper befestigten Rippen ergibt. Ferner soll eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung geschaffen werden.

Zur Lösung wird hinsichtlich des Verfahrens vorgeschlagen, daß die Verbindung der Rippen mit den Außenseiten des Grundkörpers durch ein mit mindestens zwei Elektroden durchgeführtes Kondensator-Entladungs- Schweißverfahren erfolgt, wobei die eine Elektrode in den Rippenfußbereich zwischen zwei jeweils benachbart angeordneten Rippen unter Druckbeaufschlagung des Rippenfußbereiches einfährt, während die andere Elektrode an der jeweiligen Innenseite des Grundkörpers anliegt und hierbei ein Widerlager für die Andrückkraft der ersten Elektrode bildet.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, daß sich beim Zusammenführen von Rippenblech und Grundkörper die Breitseiten des Grundkörperprofils an die Kontur des jeweiligen Rippenfußes spaltfrei anpassen. Die hierzu erforderliche Andrückkraft wird von den beiden Elektroden eines Kondensator- Entladungs-Schweißgerätes erzeugt, wobei die eine Elektrode in den Rippenfußbereich zwischen zwei jeweils benachbart angeordneten Rippen einfährt, während die andere Elektrode an der jeweiligen Innenseite des Grundkörpers anliegt und hierbei ein Widerlager bildet. Auf diese Weise ist für eine spaltlose Berührung der zu verbindenden Teile gesorgt, so daß nach erfolgter Entladung der Kondensatoren eine linienförmige Befestigung der Rippen auf dem Grundkörper und damit eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen diesen Teilen erreicht wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal des Verfahrens erfolgt die Verbindung der Rippen mit den Außenseiten des Grundkörpers gleichzeitig über die gesamte Breite des Grundkörpers. Hierdurch läßt sich ein besonders zügig arbeitendes Herstellungsverfahren erreichen, welches einen sehr guten Wärmeübergang zwischen Rippe und Grundkörper sicherstellt.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß vor Durchführung des Schweißvorganges zumindest eine der zu verbindenden Oberflächen an Grundkörper bzw. Rippenfuß mit einer im Rapport gestalteten Oberflächenstruktur, z. B. Rillen oder buckelförmigen Erhebungen von 0,1 bis 0,3 mm Höhe, versehen wird. Infolge dieser künstlich erzeugten Oberflächenstrukturen ergeben sich definierte Anlageflächen zwischen Rippen und Grundkörper und damit eine besonders gleichmäßige Schweißverbindung hoher Qualität. Überdies wird ein exakt definiertes Wärmeübertragungsverhalten zwischen den beteiligten Bauteilen erreicht.

Mit einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß die parallel zueinander gestaffelten Rippen an einem endlosen Rippenblech ausgebildet sind, das von einer Rolle abgezogen und vor dem Aufbringen auf den Grundkörper durch eine Profiliereinrichtung zahnförmig gewellt wird, wobei die anschließend unmittelbar auf den Grundkörper aufgebrachten Bereiche die Rippenfußbereiche bilden. Auf diese Weise lassen sich Wärmetauscherelemente in einem kontinuierlich arbeitenden Verfahren herstellen, welches ohne Ausstanzen einzelner Rippenbleche auskommt. Ein aufwendiges und energieverzehrendes Aufschieben einzelner Rippenbleche auf das Grundkörperprofil wird auf diese Weise vermieden.

Zur Lösung der oben genannten Teilaufgabe der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahren vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sich die in den Rippenfußbereich einfahrbare Elektrode aus mehreren in Reihe zueinander angeordneten, scheibenförmigen Einzelelektroden zusammensetzt, die jeweils unabhängig voneinander von einer Andrückkraft beaufschlagbar sind, während die als Widerlager dienende andere Elektrode sich über die gesamte Breite des Grundkörpers erstreckt und als gemeinsames Widerlager für sämtliche Einzelelektroden dient.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung. Darin zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung von Wärmetauscherelementen unter Verwendung eines Kondensator-Entladungs-Schweißverfahrens;

Fig. 2 in einer Schnittdarstellung die zu verbindenden Teile gemäß Fig. 1 unmittelbar vor dem Zusammensetzen und Verschweißen;

Fig. 3 in einer Schnittdarstellung die zu verbindenden Teile gemäß Fig. 1 unmittelbar vor dem Zusammensetzen bzw. Verschweißen bei einer gegenüber Fig. 2 veränderten Vorgehensweise;

Fig. 4 die Einzelteile gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 3 nach dem Zusammenfügen und Verschweißen und

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V der Fig. 4.

Die Fig. 1 zeigt einen nach Art eines Profils ausgebildeten Grundkörper 1, der durch zweimaliges Rundbiegen eines Blechstreifens hergestellt ist. Der Grundkörper 1 ist somit als Halbschale ausgebildet, die sich an eine symmetrisch hierzu ausgebildete, weitere Halbschale ansetzen läßt, um so einen geschlossenen Kanal mit dem Querschnitt eines langgestreckten Ovals zu erhalten. Der Querschnitt des so aus zwei Halbschalen zusammengesetzten Grundkörpers 1 weist daher eine große Breite im Verhältnis zu seiner Höhe auf. Derartige Grundkörper werden dazu verwendet, innerhalb eines Wärmetauschers eines der beteiligten Medien zu führen.

Das jeweils andere Medium wird im Kreuzstrom hierzu über die Flachseiten des Grundkörpers 1 geführt. Um den Wärmeaustausch zu verbessern, sind zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeaustauschflächen auf den jeweiligen Flachseiten 2 des Grundkörpers 1 Rippen 3 angeordnet. Die Rippen 3 werden aus einem endlosen Blech durch wiederholtes Biegen hergestellt, so daß, in Längsrichtung des Grundkörpers 1 betrachtet, die Rippen 3 sich mäanderförmig aneinanderreihen. Die jeweils der Flachseite 2 zugewandten Biegungen bilden dabei Rippenfußbereiche 4, die während eines nachfolgenden Schweißvorganges mit dem Grundkörper 1 verbunden werden, so daß der Grundkörper 1 mit dem darauf befestigten Rippenblech eine starre Baueinheit bildet. Diese wird schließlich mit der entsprechend ausgebildeten, gegenüberliegenden Baueinheit in den Randbereichen des Grundkörpers 1 verschweißt, so daß ein vollständiges Wärmetauscherelement entsteht.

Das Verschweißen der an dem Endlosblech ausgeformten Rippen 3 mit dem Grundkörper 1 erfolgt erfindungsgemäß mittels eines Kondensator-Entladungs-Schweißverfahrens. Hierbei handelt es sich um eine spezielle Art des Widerstandschweißens, bei dem die erforderliche Energie während des Schweißens nicht direkt dem Netz über einen Transformator entnommen wird, sondern einer Kondensatorbatterie, die als Energiespeicher außerhalb der Schweißzeit geladen wird. Der Vorteil des Kondensator- Entladungs-Schweißens besteht in der Eignung zur Verwendung auch unterschiedlicher Werkstoffe, z. B. Stahl/Aluminium. Außerdem lassen sich mit diesem Verfahren auch oberflächenbehandelte Materialien schweißen, wie z. B. verzinkte oder aluminisierte Bleche, ohne daß es zu einer Beschädigung der Oberfläche kommt.

Das Kondensator-Entladungs-Schweißverfahren verwendet zwei voneinander unabhängige Elektroden 5, 6. Beim Ausführungsbeispiel ist die obere Elektrode 5 fünffach vorhanden und besteht aus scheibenförmig gestalteten Einzelelektroden aus einem geeigneten Elektrodenwerkstoff, z. B. CuCrZr. Die untere Elektrode 6 ist als Platte ausgebildet, welche sich über die gesamte Breite des Grundkörpers 1 erstreckt und hierbei exakt dessen Innenprofil aufweist. Auf diese Weise dient die untere Elektrode 6 zugleich der Führung des Grundkörpers 1. Insbesondere aber bildet die untere Elektrode 6 ein Widerlager für die von den oberen Elektroden 5 erzeugten Andrückkräfte. Hierzu ist die untere Elektrode 6 in geeigneter Weise unter Zwischenlage einer Isolierung an dem verwendeten Schweißgerät abgestützt.

Die Ausrichtung der oberen Elektroden 5 ist derart, daß diese mit ihren schmalen Stirnflächen exakt zwischen zwei benachbarte Rippen 3 einfahren können, bis sie an dem dazwischen angeordneten Rippenfußbereich 4 zur Anlage gelangen. Federelemente 7 bewirken hierbei eine definierte Andrückkraft, die von der als Widerlager dienenden unteren Elektrode 6 aufgenommen wird. Sobald das vorgegebene Druckniveau erreicht ist, werden die Kondensatoren des Schweißgerätes entladen, wodurch kurzzeitig eine hohe Energie von den oberen Elektroden 5 zu der unteren Elektrode 6 fließt. Infolge der Konzentrierung der Schweißenergie auf die Schweißzone sowie der sehr kurzen Schweißzeit von 1 bis 10 Millisekunden, tritt keine nennenswerte Erwärmung der Bauteile auf. Die fertigen Wärmetauscherteile kommen nach der Verschweißung praktisch kalt aus der Maschine, bleiben daher formbeständig und zeigen keine Neigung zu Verzug oder Formänderung.

Durch die Verwendung mehrerer unabhängiger oberer Elektroden 5 wird erreicht, daß geringfügige Durchbiegungen ausgeglichen werden und eine linienförmige, durchgehende Verschweißung der Rippen 3 mit der Außenseite 2 des Grundkörpers 1 eintritt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Grundkörper 1 und Rippen 3 unmittelbar vor deren Zusammenfügen, wobei die zueinander in Kontakt geratenden Oberflächen mit einer im Rapport gestalteten Oberflächenstruktur versehen sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Außenseite 2 des Grundkörpers 1 mit einer feinen, gleichmäßigen Riffelung 8 mit Rillentiefen von ca. 0,1 bis 0,3 mm versehen. Demgegenüber befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die im Rapport gestaltete Oberflächenstruktur an der Unterseite der Rippenfußbereiche 4. Diese sind hierzu mit Einprägungen in Gestalt nach unten vorstehender Buckel oder Erhebungen 9 versehen.

Die Wirkung ist in den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Fällen jeweils dieselbe: nachdem die zu verbindenden Teile aufeinanderliegen, findet zunächst ein unmittelbarer metallischer Kontakt zwischen den beteiligten Oberflächen nur im Bereich der betreffenden Erhebungen statt. Hierdurch entstehen hinsichtlich ihrer Lage und Ausdehnung genau definierte metallische Brücken, über die sich die von den Elektroden 5, 6 freigesetzte Schweißenergie zunächst abbaut. Durch den dann schlagartig einsetzenden Schmelzprozeß werden diese Erhebungen abgebaut, so daß nach vollständiger Entladung eine besonders gleichmäßige Schweißverbindung entsteht. Diese Schweißverbindung ist insbesondere besser, als sie im Fall der Verschweißung zufällig aufgerauhter Oberflächen wäre.

Nach Abschluß des Schweißverfahrens nehmen Grundkörper 1 und Rippen 3 die in Fig. 4 dargestellte Stellung zueinander ein.

Bei Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 bis 5 besteht das Rippenblech, anders als beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, nicht aus einem durchgehenden, mäanderförmig umgefalzten Blech. Vielmehr sind die einzelnen Rippen 3 mit zusätzlichen geometrischen Strukturen versehen, die dazu dienen, das hindurchströmende bzw. vorbeiströmende Medium zu durchmischen oder Turbulenzen zu erzeugen. Hierzu sind in den Rippen 3 unter anderem seitliche Ausbuchtungen 10 vorgesehen, die sich abwechselnd zur einen sowie zur anderen Seite der jeweiligen Rippe 3 erstrecken. Diese Ausbuchtungen 10 bewirken eine beträchtliche Turbulenzerhöhung des vorbeiströmenden Medium. Um einen Austausch zwischen dem jeweiligen Rippeninnenraum und dem benachbarten Rippenaußenraum zu erreichen, sind außerdem Öffnungen 11 vorgesehen. Schließlich befinden sich größere Öffnungen 12 im oberen Umlenkbereich der Rippen 3. Auch diese Öffnungen verbessern den Wärmeaustausch. Sie erleichtern überdies die Reinigung der beteiligten Wärmetauscherflächen.

Bezugszeichenliste

1 Grundkörper
2 Flachseite, Außenseite
3 Rippe
4 Rippenfußbereich
5 Elektrode
6 Elektrode
7 Federelemente
8 Riffelung
9 Buckel, Erhebung
10 Ausbuchtung
11 Öffnung
12 Öffnung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherelementen unter Verwendung eines ein- oder zweiteiligen Grundkörpers, dessen Querschnitt für den Durchtritt eines der am Wärmeaustausch beteiligten Medien eine im Verhältnis zu seiner Höhe große Breite aufweist und der zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeaustauschflächen auf seinen flachen Außenseiten mit parallel zueinander gestaffelten Rippen versehen wird, die im Bereich ihres Rippenfußes mit den Außenseiten des Grundkörpers verschweißt werden, wobei die miteinander zu verschweißenden Teile während des Schweißvorganges mit einer Andrückkraft beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Rippen (3) mit den Außenseiten (2) des Grundkörpers (1) durch ein mit mindestens zwei Elektroden (5, 6 )durchgeführtes Kondensator-Entladungs- Schweißverfahren erfolgt, wobei die eine Elektrode (5) in den Rippenfußbereich (4) zwischen zwei jeweils benachbart angeordneten Rippen (3) unter Druckbeaufschlagung des Rippenfußbereiches (4) einfährt, während die andere Elektrode (6) an der jeweiligen Innenseite des Grundkörpers (1) anliegt und hierbei ein Widerlager für die Andrückkraft der ersten Elektrode (5) bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Rippen (3) mit den Außenseiten (2) des Grundkörpers (1) gleichzeitig über die gesamte Breite des Grundkörpers (1) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Durchführung des Schweißvorganges zumindest eine der zu verbindenden Oberflächen an Grundkörper (1) bzw. Rippenfuß (4) mit einer im Rapport gestalteten Oberflächenstruktur, z. B. Rillen (8) oder buckelförmige Erhebungen (9) von 0,1 bis 0,3 mm Höhe, versehen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zueinander gestaffelten Rippen (3) an einem endlosen Rippenblech ausgebildet sind, das von einer Rolle abgezogen und vor dem Aufbringen auf den Grundkörper (1) durch eine Profiliereinrichtung zahn- oder mäanderförmig gewellt wird, wobei die anschließend unmittelbar auf den Grundkörper (1) aufgebrachten Bereiche die Rippenfußbereiche (4) bilden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die in den Rippenfußbereich (4) einfahrbare Elektrode (5) aus mehreren in Reihe zueinander angeordneten, scheibenförmigen Einzelelektroden zusammensetzt, die jeweils unabhängig voneinander von einer Andrückkraft beaufschlagbar sind, während die als Widerlager dienende andere Elektrode (6) sich über die gesamte Breite des Grundkörpers (1) erstreckt und als gemeinsames Widerlager für sämtliche Einzelelektroden dient.