DE4445590A1 - Wärmetauscher, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Wärmetauscher, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem oder mehreren Rohren, welche Rohrenden aufweisen, mit wenigstens einem Rohrboden, der Durchbrüche zur Aufnahme der Rohrenden aufweist und mit diesem durch Aufweitung der Rohrenden verbunden ist, wobei die Rohre einen ovalen, insbesondere flachovalen Querschnitt mit einem großen Durchmesser A und einem kleinen Durchmesser B aufweisen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers und ein Werkzeug zur Aufweitung der Rohrenden und/oder zur Durchführung des Herstellungsverfahrens.
Mit der EP-A1-387 678 ist ein Wärmetauscher und ein Verfahren zur flüssigkeitsdichten Befestigung eines Rohrbodens an Rohrenden bekannt geworden. Bei diesem Verfahren werden die Rohrenden nach dem Herstellen des Rohr- Kühllamellen-Verbundes vorgeformt, indem ihr großer Durchmesser verkleinert und ihr kleiner Durchmesser vergrößert wird. Hierzu wird ein Drückwerkzeug verwendet, welches einen komplizierten Aufbau aufweist. Neben dem zusätzlichen Arbeitsschritt des Vorumformens und der Verwendung eines komplizierten Vorumformwerkzeugs wird als nachteilig angesehen, daß durch die Aufbauchung der Rohre deren Abstand ein voneinander gewisses Mindestmaß (Teilung) betragen muß, welches nicht unterschritten werden kann. Selbst bei flachovalen Rohren, die aufgrund ihres Querschnitts eine enge Teilung erlauben würden, ist ein relativ großer Abstand erforderlich, da ihre Enden zum Aufsetzen des Rohrbodens tulpenförmig aufgeweitet werden. Außerdem erfordert das radiale Heranfahren des Aufweitwerkzeugs für die Vorumformung einen gewissen Platz neben der Rohrreihe, wodurch bei mehrreihigen Wärmetauschern ein gewisser Mindestabstand zwischen zwei benachbarten Rohrreihen außerdem erforderlich ist. Nach dem Aufsetzen des Rohrbodens werden die Rohrenden durch Einführen eines Aufweitdorns nochmals umgeformt.
Aus der US 4,570,317 ist ein Verbindungsverfahren von Rohren mit Kühlblechen bekannt geworden, bei dem ein Ziehdorn nach dem Aufsetzen der Kühlbleche auf die Rohre durch die Rohre hindurchgezogen wird, wobei die Rohre zunächst in Richtung des großen Durchmessers und anschließend in Richtung des kleinen Durchmessers aufgeweitet werden. Eine Verbindung von Rohrenden mit einem Rohrboden kann mit einem derartigen Ziehdorn nicht durchgeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher, ein Herstellungsverfahren und/oder ein Werkzeug zur Herstellung eines derartigen Wärmetauschers bzw. zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen, so daß ein Wärmetauscher einfacher und dadurch kostengünstiger herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die aufgeweiteten Rohrenden einen Querschnitt aufweisen, deren großer Durchmesser C größer als der Durchmesser A und deren kleiner Durchmesser D größer als der kleine Durchmesser B des Rohres ist.
Dadurch, daß die beiden Durchmesser der Rohrenden größer als die entsprechenden Durchmesser der Rohre, d. h. des zwischen den Rohrenden liegenden und die Kühllamellen tragenden Bereichs der Rohre sind, können die Rohrböden nachdem die Kühllamellen auf die Rohre aufgesteckt und befestigt worden sind, auf die Rohrenden aufgesetzt werden, ohne daß diese zuvor vorumgeformt werden müssen. Die Rohrenden weisen beim Aufsetzen der Rohrböden einen Querschnitt auf, der dem im Netzbereich entspricht. Da dieser Querschnitt kleiner als der Endquerschnitt der Rohrenden und somit kleiner als die Aufnahmeöffnungen der Rohrböden für die Rohrenden ist, müssen diese Rohrenden vor dem Aufsetzen des Rohrbodens nicht vorumgeformt werden. Hierdurch wird ein Verfahrensschritt eingespart und es ist kein besonders hierzu ausgebildetes Werkzeug erforderlich. Außerdem können die einzelnen Rohre wesentlich dichter angeordnet werden, da sie nicht in Richtung des kleinen Durchmessers voraufgeweitet werden.
Der Verzicht auf eine Vorumformung, insbesondere Voraufweitung hat außerdem zur Folge, daß das Verhältnis des großen Durchmessers C und des kleinen Durchmessers D der Rohrenden größer als 3 : 1 ist. Durch dieses Größenverhältnis wird insbesondere die Teilung der Rohre bestimmt.
Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Durchbrüche im Rohrboden von Durchzügen gebildet und es sind zwischen den Durchzügen und den Rohrenden elastische Dichtmittel vorgesehen. Diese elastischen Dichtmittel gewährleisten eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den Rohrenden und dem Rohrboden. Dabei können die elastischen Dichtmittel von Kunststoff- oder Gummieinsätzen, von einer elastisch aushärtenden Dichtungspaste, z. B. Silikonpaste oder dgl. gebildet werden. Diese elastischen Dichtmittel haben den Vorteil, daß sie rückfedernd sind und den Spalt zwischen den Rohrenden und den Durchzügen mit Sicherheit verschließen.
Ein ungewolltes Lösen des Rohrbodens von den Rohrenden wird dadurch verhindert, daß der flache Abschnitt der Rohrenden auf seinem der Rohröffnung zugewandten Teil eine Auszugsverhinderung aufweist. Diese Auszugsverhinderung wird von einer örtlichen Aufweitung oder Ausbauchung des kleinen Durchmessers D gebildet.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem von einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers gemäß der obigen Ausgestaltung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach dem Aufsetzen des Rohrbodens auf die Rohrenden ein Aufweitdorn in die Rohrenden eingeschoben wird und zuerst der kleine Durchmesser B des Rohrendes und dann der große Durchmesser A vergrößert bzw. aufgeweitet werden. Dadurch, daß zuerst der kleine Durchmesser vergrößert wird, wird der flache Abschnitt des Rohrendes plastisch verformt, ohne daß die beiden stark gekrümmten Abschnitte beansprucht werden. Da in den flachen Abschnitten sehr viel Material für die plastische Verformung zur Verfügung steht, können hier wesentlich größere Querschnittsverformungen vollzogen werden als in den stark gekrümmten Abschnitten.
Dadurch, daß der Durchmesser B des Rohrendes über das Maß des Durchmessers D hinaus vergrößert wird, bevor der Durchmesser A erweitert wird, wird in der Überdehnung des Durchmesser D Material gespeichert, welches bei der Vergrößerung des Durchmessers A benötigt wird. Die Materialbeanspruchung im gekrümmten Abschnitt des Rohrendes ist dadurch wesentlich geringer als bei herkömmlichen Umformungsverfahren.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird beim flachen Abschnitt des Rohrendes im wesentlichen dessen Mitte über eine Kante am Aufweitwerkzeug aufgeweitet. Diese gerade Kante verursacht eine örtliche plastische Verformung zuerst im mittleren Bereich des flachen Abschnitts, die dann im Laufe der weiteren Aufweitung sich in Richtung der gekrümmten Abschnitte fortpflanzt. Außerdem bewirkt die Kante eine Ausstülpung des flachen Abschnitts über den Enddurchmesser D hinaus. Erst wenn dieser flache Abschnitt vollständig aufgeweitet ist, und zwar über den Enddurchmesser D hinaus, wird der Durchmesser A auf den Durchmesser c aufgeweitet. Die beiden Durchmesser A und B werden also zwar mit einem Werkzeug aber nacheinander aufgeweitet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der der Rohröffnung abgewandte Teil des flachen Abschnitts des Rohrendes beim Vergrößern des Durchmessers B gegen Kollabieren abgestützt. Da der flache Abschnitt nach außen ausgestülpt wird, tendiert der noch unverformte Teil des flachen Abschnitts zum Kollabieren, was durch eine radiale innere Abstützung verhindert wird, die außerdem die plastische Verformung des flachen Abschnitts unterstützt.
Schließlich ist noch vorgesehen, daß nach Beendigung der Vergrößerung des Durchmessers A auf den Durchmesser C der flache Abschnitt örtlich mit einer einen Abzug des Rohrbodens vom Rohrende verhindernden Aufweitung versehen wird. Diese Aufweitung besteht z. B. in einer zusätlichen örtlichen Ausstülpung oder Ausbauchung des flachen Abschnitts bzw. des gesamten Rohrendes.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem erfindungsgemäß mit einem Werkzeug zum Aufweiten des Rohrendes des Wärmetauschers dadurch gelöst, daß das Werkzeug entgegen der Einführrichtung zuerst einen den Durchmesser B des Rohrendes aufweitenden ersten Aufweitabschnitt und dann einen den Durchmesser A des Rohrendes aufweitenden zweiten Aufweitabschnitt aufweist.
Der Aufweitdorn, der in das Rohrende eingeschoben wird, besitzt also einen ersten und einen zweiten, sich an den ersten anschließenden Aufweitabschnitt. Dabei kann der erste Aufweitabschnitt in den zweiten Aufweitabschnitt übergehen oder von diesem in axialer Richtung getrennt sein. Beim einen Ausführungsbeispiel findet also ein fließender Übergang von der Aufweitung des Durchmessers B zur Aufweitung des Durchmesser A statt, wohingegen beim zweiten Ausführungsbeispiel zuerst die Aufweitung des Durchmessers B beendet wird, bevor der zweite Aufweitabschnitt den Durchmesser A aufweitet.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist der erste Aufweitabschnitt eine Auflaufkante auf, die in der durch dessen kleinen Durchmesser verlaufenden Symmetrieebene liegt. Durch diese gerade Auflaufkante wird der flache Abschnitt des Rohrendes, wie bereits erwähnt, radial nach außen gestülpt und plastisch so sehr verformt, daß der Durchmesser B des Rohrendes über den Enddurchmesser D hinaus aufgeweitet wird. Außerdem bewirkt die Auflaufkante eine Materialverdrängung in Richtung der gekrümmten Abschnitte. Einer Eindellung bzw. einem Kollabieren des unverformten flachen Abschnitts des Rohrendes wird dadurch entgegengewirkt, daß dem ersten Aufweitabschnitt ein Stützbereich vorgelagert ist, der zusätzlich als Führungsabschnitt für den Aufweitdorn dient.
Schließlich folgt dem zweiten Aufweitabschnitt ein dritter Aufweitabschnitt für die Ausbildung einer Auszugsverhinderung am Rohrende.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen dargestellt ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt I-I gemäß Fig. 4 durch ein in einen Rohrboden eingesetztes aufgeweitetes Rohrende;
Fig. 2 eine Draufsicht II auf das aufgeweitete Rohrende der Fig. 1;
Fig. 3 eine erste Seitenansicht eines Aufweitdorns;
Fig. 4 einen zum Längsschnitt I-I der Fig. 1 orthogonalen Längsschnitt IV-IV durch das Rohrende; und
Fig. 5 eine zweite Seitenansicht des Aufweitwerkzeugs.
Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt I-I durch eine Verbindung eines Rohrendes 1 eines Rohrs 2 mit einem Rohrboden 3. Auf das Rohr 2 sind Kühllamellen 4, die lediglich andeutungsweise dargestellt sind, aufgesteckt. Der Rohrboden 3 weist einen Durchzug 5 auf, dessen Öffnung größer ist als der Querschnitt des Rohres 2 und des Rohrendes 1. Auf den Rohrboden 3 ist eine Gummidichtung 6 aufgesetzt, die einen am Durchzug 5 anliegenden, in Richtung des Rohrs 2 sich erstreckenden Kragen 7 aufweist. Dieser Kragen 7 befindet sich zwischen dem Rohrende 1 und dem Durchzug 5 und stellt eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen dem Rohrende 1 und dem Rohrboden 3 her. In der Ansicht der Fig. 1 ist der große Durchmesser A des Rohrs 2 und der große Durchmesser C des Rohrendes 1 erkennbar, wobei der Durchmesser C deutlich größer als der Durchmesser A ist.
Bei der Draufsicht auf das Rohrende 1 in Fig. 2 in Richtung des Pfeils II gemäß Fig. 1 ist außerdem erkennbar, daß das Rohrende 1 eine Ausbauchung 8 besitzt, die als Auszugsverhinderung dient. Außerdem ist erkennbar, daß der Querschnitt des Rohrs 2 sowie des Rohrendes 1 flachoval ist. Das Verhältnis des großen Durchmesser C zum kleinen Durchmesser D (Fig. 4) des Rohrendes 1 ist größer als 3 : 1, wohingegen das Verhältnis der Durchmesser A:B im Kühlnetz größer als 4 : 1, vorzugsweise 5 : 1 bis 6 : 1 ist.
In Fig. 4 ist ein Schnitt IV-IV gemäß Fig. 1 dargestellt, wobei hier der kleine Durchmesser B des Rohrs 2 und der kleine Durchmesser D des Rohrendes 1 deutlich erkennbar sind. Außerdem ist die Ausbauchung 8 deutlich erkennbar. In der Fig. 4 ist außerdem dargestellt, daß der Durchmesser D des Rohrendes 1 größer als der entsprechende Durchmesser B des Rohrs 2 ist. Ferner ist in den Fig. 1 und 4 deutlich dargestellt, daß der Übergang vom Durchmesser B zum Durchmesser D von der Rohröffnung 9 weiter entfernt liegt als der Übergang vom Durchmesser A zum Durchmesser C, und in der Regel unmittelbar nach der letzten Kühllamelle 4 liegt. Dies bedeutet, daß mit einem Aufweitdorn 10, der in den Fig. 3 und 5 dargestellt ist, zuerst der Durchmesser B auf den Durchmesser D und anschließend der Durchmesser A auf den Durchmesser c aufgeweitet wird. Außerdem ist erkennbar, daß die Ausbauchung 8 im mittleren Bereich des flachen Abschnitts 11 und an der Rohröffnung 9 vorgesehen ist.
Der Aufweitdorn 10 wird in Richtung des Pfeils II in die Rohröffnung 9 eingeführt und weist einen konischen Einführabschnitt 12 und einen sich daran anschließenden Stützabschnitt 13 auf. Der Stützabschnitt 13 besitzt in Fig. 3 einen Durchmesser A′, der gleich oder geringfügig kleiner als der Durchmesser A des Rohrs 2 ist. Außerdem besitzt der Stützabschnitt 13 in Fig. 5 einen Durchmesser B′, der gleich oder geringfügig kleiner als der Durchmesser B des Rohrs 2 ist. Somit kann der Aufweitdorn 10 mit geringer Kraft in das den Rohrboden 3 überragende noch nicht aufgeweitete Rohrende 1 eingeführt werden. An den Stützabschnitt 13 schließt sich ein erster Aufweitabschnitt 14 an, der eine in der Symmetrieebene 15 liegende Auflaufkante 16 aufweist. Diese Kante 16 erstreckt sich, wie aus Fig. 5 ersichtlich, geradlinig und schräg von der Achse 17 und der Spitze 18 des Aufweitdorns 10 weg. Von der Spitze 19 der Auflaufkante 16 erstreckt sich der erste Aufweitabschnitt 14 (radial betrachtet) geradlinig bis zum großen Durchmesser A′. Im Bereich des stark gekrümmten Abschnitts 20 des Rohrendes 1 erfolgt nur noch eine geringe und im Scheitelpunkt keine Aufweitung in Richtung des kleinen Durchmessers. Durch die Auflaufkante 16 wird der flache Abschnitt 11 des Rohrendes 1 in dessen mittleren Bereich vom Durchmesser B über den Durchmesser D hinaus aufgeweitet, also überdehnt. Ein Kollabieren des noch nicht verformten Bereichs des flachen Abschnitts 11 wird dadurch verhindert, daß sich dieser mit seiner Innenoberfläche am Stützabschnitt 13 des Aufweitdorns 10 abstützen kann.
Dem ersten Aufweitabschnitt 14 folgt ein zweiter Aufweitabschnitt 21 mit schräg vom Durchmesser D zum Durchmesser c verlaufender Kante 21′, mit dem der Durchmesser A des Rohrs 2 auf den Durchmesser C des Rohrendes 1 aufgeweitet wird. Dabei wird der stark gekrümmte Abschnitt 20 verformt und der über den Durchmesser D hinaus verformte und überdehnte flache Abschnitt 11 auf den Durchmesser D rückverformt. Dieser flache Abschnitt stützt sich nun am Kalibierabschnitt 22 des Aufweitdorns 10 ab, der gemäß den Fig. 3 und 5 einen großen Durchmesser C und einen kleinen Durchmesser D entsprechend dem Rohrende 1 besitzt. Dieser Kalibierabschnitt 22 ist mit einer Aufweitwarze 23 versehen, mit der die Ausbauchung 8 gebildet wird.
Aus der Zeichnung ist deutlich erkennbar, daß das Rohrende 1 einen größeren Querschnitt als das Rohr 2 aufweist und daß zuerst der kleine Durchmesser und anschließend der große Durchmesser umgeformt werden. Hierfür bedarf es eines einzigen Aufweitdorns 10, der über eine einzige Zustellbewegung in Richtung des Pfeils II sämtliche Umformungen durchführt.

Claims (19)

1. Wärmetauscher mit einem oder mehreren Rohren (2), welche Rohrenden (1) aufweisen, mit wenigstens einem Rohrboden (3), der Durchbrüche zur Aufnahme der Rohrenden (1) aufweist und mit diesem durch Aufweitung der Rohrenden (1) verbunden ist, wobei die Rohre (2) einen ovalen, insbesondere flachovalen Querschnitt mit einem großen Durchmesser (A) und einem kleinen Durchmesser (B) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeweiteten Rohrenden (1) einen Querschnitt aufweisen, dessen großer Durchmesser (C) größer als der Durchmesser (A) und dessen kleiner Durchmesser (D) größer als der Durchmesser (B) ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Durchmesser (C) : (D) der Rohrenden (1) größer als 3 : 1 ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche im Rohrboden (3) von Durchzügen (5) gebildet werden und daß zwischen den Durchzügen (5) und den Rohrenden (1) elastische Dichtmittel vorgesehen sind.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Dichtmittel von Kunststoff- oder Gummieinsätzen (6), von einer elastisch aushärtenden Dichtungspaste, z. B. Silikonpaste oder dgl. gebildet werden.
5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Abschnitt (11) der Rohrenden (1) auf seinem der Rohröffnung (9) zugewandten Seite eine Auszugsverhinderung aufweist.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auszugsverhinderung von einer örtlichen Aufweitung (8) des Durchmessers (D) gebildet wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufsetzen des Rohrbodens (3) auf die Rohrenden (1) ein Aufweitdorn (10) in die Rohrenden (1) eingeschoben wird und zuerst der Durchmesser (B) des Rohres (2) und dann der Durchmesser (A) des Rohrs (2) vergrößert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (B) des Rohres (2) über das Maß des Durchmessers (D) hinaus vergrößert wird, bevor der Durchmesser (A) vergrößert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (3) ohne vorherige Vorumformung der Rohre (2) auf diese aufgesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Abschnitt (11) der Rohrenden (1) im wesentlichen in seiner Mitte über eine Kante (16) am Aufweitwerkzeug (10) aufgeweitet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung des Durchmessers (A) erst nach beendeter Vergrößerung des Durchmessers (B) erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der der Rohröffnung (9) abgewandte Teil des flachen Abschnitts (11) des Rohrendes (1) beim Vergrößern des Durchmessers (B) gegen Kollabieren abgestützt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach beendeter Vergrößerung des Durchmessers (A) der flache Abschnitt (11) örtlich mit einer einen Abzug des Rohrbodens (3) vom Rohrende (1) verhindernden Aufweitung (8) versehen wird.
14. Werkzeug zum Aufweiten eines Rohrendes (1) eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug entgegen der Einführrichtung (II) zuerst einen den Durchmesser (B) des Rohrs (2) aufweitenden ersten Aufweitabschnitt (14) und dann einen den Durchmesser (A) des Rohrs (2) aufweitenden zweiten Aufweitabschnitt (21) aufweist.
15. Werkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Aufweitabschnitt (14) in den zweiten Aufweitabschnitt (21) übergeht oder von diesem in axialer Richtung getrennt ist.
16. Werkzeug nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Aufweitabschnitt (14) eine Auflaufkante (16) aufweist, die in der durch dessen kleinen Durchmesser (D) verlaufenden Symmetrieebene (15) liegt.
17. Werkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Aufweitabschnitt (14) ein Stützabschnitt (13) vorgelagert ist.
18. Werkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Aufweitabschnitt (21) ein dritter Aufweitabschnitt (23) für eine Auszugsverhinderung folgt.
19. Werkzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Aufweitabschnitt (23) in einem Kalibrierabschnitt (22), der einen großen Durchmesser (C) und einen kleinen Durchmesser (D) aufweist, liegt.
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