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Diese Erfindung betrifft Klimaanlagen, im besonderen für Kraftfahr
zeuge.
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Im besonderen betrifft die Erfindung einen Verflüssiger, wie er im
Oberbegriff des Anspruchs festgelegt ist.
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Auf dem Gebiet von Kraftfahrzeugen können für einen Verflüssiger
ziemlich rauhe Betriebszustände herrschen, besonders hinsichtlich der
Betriebstemperatur und des Drucks. Häufig erreicht der Innendruck der
Rohre auf der Freon-Seite Werte von mehr als 25 bar und Temperaturen
von mehr als 120ºC. Wenn derartige Drücke Werte von mehr als 27 - 28
bar erreichen, sorgen vorgesehene Schutzsysteme dafür, daß der
Kompressor vom mechanischen Antrieb entkuppelt und damit die Klimaanlage
abgeschaltet wird.
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In den Lieferangaben wird allgemein verlangt, daß der Verflüssiger
nirgendwo dauernden Verformungen innerhalb der Rohre und der
Verteiler durch Drücke in der Größenordnung von 30 bar (Prüfdruck)
ausgesetzt werden darf, obwohl der Verflüssiger beim doppelten Prüfdruck
(etwa 60 bar) nicht platzen sollte.
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Derartige rauhe Betriebszustände haben die Hersteller von
Verflüssigern dazu gezwungen, im wesentlichen zwei verschiedene Techniken für
den Aufbau des Wärmetauscherteils des Verflüssigers zu entwickeln.
Diese beiden Techniken betreffen die Verfahren für den Aufbau des
sogenannten Kerns des Verflüssigers, d.h. des Wärmetauscherteils, der
von Rohren und Rippen gebildet wird. Diese Techniken sind:
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- eine mechanische Vergrößerung oder Aufweitung; und
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- ein Schweißlöten.
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Bei aufgeweiteten oder mechanisch zusammengebauten Verflüssigern
besteht das Wärmetauscher-Netzwerk aus Rundrohren, die aus Kupfer oder
Aluminium bestehen, sowie aus flachen Rippen, die im allgemeinen aus
Aluminium und seltener aus Kupfer gefertigt sind. Die Rohre werden in
die Offnungen in den Rippen eingesetzt und nacheinander mit einem
geeigneten Aufweitwerkzeug plastisch verformt, mit dem der
Rohrdurchmesser vergrößert wird, so daß das ursprüngliche Spiel zwischen den
Rohren und den Öffnungen in der Rippe aufgenommen wird. Am Ende des
Aufweitungsschritts erhält man zwischen den Rohren und den Rippen ein
radiales Übermaß in der Größenordnung von 0,1 - 0,2 mm. Das
endgültige Aufweiten des Rohrs wird dann als richtig angesehen, wenn man
zusätzlich zur plastischen Verformung des Rohrs eine elastische
Verformung der Rippen erhält, so daß zwischen den beiden Teilen eine
stabile und wirksame Berührung sichergestellt ist. Charakteristisch für
dieses Konstruktionsverfahren ist:
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- ein einfacher Aufbau;
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- ein einfaches Verfahren;
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- die Betriebssicherheit;
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- die niedrigen Investitionskosten; und
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- die niedrigen Kosten des Endprodukts.
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Schweißgelötete Verflüssiger werden im allgemeinen aus Flachrohren
mit Innenrippen aus gepreßtem Aluminium hergestellt. Die Innenrippen
des Rohrs haben eine strukturelle Aufgabe, d.h., daß sie ein
Zusammenbrechen des Rohrs verhindern, wenn dieses zu hohen Drücken
ausgesetzt wird. Das Rohr wird schlangenförmig gefaltet und gewellt, oder
es werden gewellte Rippen zwischen jedes Paar von benachbarten
Gliedern des Rohrs eingesetzt. Während des Schweißlötens verschweißt eine
spezielle Aluminiumlegierung, die bei einer Temperatur schmilzt, die
etwas unterhalb der Schmelztemperatur der Aluminiumteile liegt, die
mit ihr in Berührung stehenden Teile, ohne daß diese wirklich
schmelzen. Zusätzlich verwendet das Verfahren ein Material, mit dem die
Aluminiumoxyd-Schicht, die sich bildet und die anderenfalls eine
endgültige Verschweißung der Teile verhindern würde, zerstört wird. Um
das Verfahren wirkungsvoll zu machen, müssen die verwendeten
Temperaturen und die Ofenzeit zusammen mit der Oberflächenreinheit der zu
verschweißenden Teile geregelt werden. Dieses Verfahren ist daher
gekennzeichnet durch:
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- einen hohen Reinheitsgrad der Teile;
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- eine sorgfältige Regelung der Verfahrenstemperaturen;
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- die Verwendung von Materialien, die mit einem Hartlot beschichtet
sind;
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- eine Betriebssicherheit, die nicht immer groß ist;
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- die hohen Investitionskosten; und
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- die hohen Kosten des Endprodukts.
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Die beiden Techniken für die Herstellung von Verflüssigern haben
unterschiedliche Merkmale und Kosten. Die Technik wird aufgrund des
Raumbedarfs, der Leistung sowie der Kosten des Endprodukts gewählt.
Die hauptsächliche Einschränkung liegt bei derzeitigen, mechanisch
aufgeweiteten Verflüssigern in ihrer Leistung: ihre
Wärmetauschleistung ist begrenzt, wobei sie auf der Luft-Seite einen hohen
Druckabfall besitzen. Wenn diese Gesichtspunkte überwiegen, müssen
schweißgelötete Verflüssiger verwendet werden, die die geforderte Leistung
mit weniger Raumbedarf erbringen können, auch wenn sie um nicht
weniger als 50% teurer sind.
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Was das Gebiet von Kühlern zum Kühlen von Verbrennungsmotoren sowie
von Heizkörpern zum Heizen des Fahrgstraums von Kraftfahrzeugen
betrifft, wurde bereits die Verwendung von ovalen und flachen Rohren
vorgeschlagen, die in Übereinstimmung mit der mechanischen
Aufweittechnik mit flachen Rippen zusammengebaut werden. Durch die
Verwendung von Ovalrohren gemäß der mechanischen Aufweittechnik konnte eine
Technik wieder eingeführt werden, wobei sich bemerkenswerte
Ergebnisse hinsichtlich der Gesamtleistung und der Kosten ergaben. Es sei
jedoch besonders darauf hingewiesen, daß dies nur durch eine Änderung
von der ovalen Rundform mit einem Verhältnis zwischen den größten und
den kleinsten Abmessungen des Rohrquerschnitts kleiner als 2,5 zu
einer ovalen Flachform mit einem Verhältnis zwischen den größten und
den kleinsten Abmessungen gleich oder größer als 2,5 möglich war.
Tatsächlich wurden Kühler und Kühlerkerne mit Ovalrohren und einem
Verhältnis zwischen den Maximalabmessungen und den Minimalabmessungen
des Rohrquerschnitts kleiner als 2,5 auch bereits in der zweiten
Hälfte der Achtzigerjahre erzeugt, bei denen jedoch die Ergebnisse in
der Leistung sicher nicht ausgezeichnet waren und sich von den
Leistungen von schweißgelöteten Kühlem stark unterschieden.
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Erst in den Neunzigerjahren erreichte man durch die Einführung von
ovalen Flachrohren mit einem Verhältnis zwischen den Maximal- und
Minimalabmessungen des Rohrquerschnitts größer als 2,5 einen
Generationswechsel, so daß aufgeweitete Kühler in jeder Hinsicht mit
schweißgelöteten Kühlern konkurrieren konnten. Tatsächlich ermöglicht
das ovale Flachrohr eine größere Entwicklung des Oberflächenbereichs
für den Wärmetausch auf der Rohr-Seite zusammen mit dem Druckabfall
auf der Luft-Seite, womit es der Geometrie von schweißgelöteten
Kühlern sehr nahe kommt, bei denen die Rohre wirklich flach sind.
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Trotzdem sei darauf hingewiesen, daß Verflüssiger, obwohl sie zur
allgemeinen Klasse der Wärmetauscher gehören, nicht direkt mit
Kühlern/Heizkörpern verglichen werden können. Tatsächlich überschreitet
bei Kühlern zum Kühlen von Motoren und bei Heizkörpern zum Heizen von
Kraftfahrzeugen der Betriebsdruck auf der Flüssigkeits-Seite im
allgemeinen nicht 3 bar, wodurch es bei der Verwendung von Ovalrohren zu
keinen Problemen hinsichtlich des strukturellen Widerstands kommt.
Dies ermöglichte die Verwendung von Rohren mit einem großen
Verhältnis (größer als 3,75) zwischen den Maximal- und Minimalabmessungen
des Rohrquerschnitts, obwohl die Abstände zwischen den Rohrwänden,
die gleich oder kleiner als 0,4 mm waren, beibehalten wurden.
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Die auf dem Gebiet von Kühlern/Heizkörpern stark unterschiedlichen
und bekannten Techniken können jedoch wegen der extremen
Betriebszustände, denen die Verflüssiger ausgesetzt sind, nicht automatisch auf
das Gebiet von Verflüssigern angewandt werden, besonders wegen der
hohen Drücke, die auf der Kühlmittel-Seite erreicht werden können.
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Gegenstand dieser Erfindung ist es, einen Verflüssiger zu liefern,
der in Ubereinstimmung mit jenem Verfahren erzeugt wird, bei dem
Rohre mechanisch aufgeweitet werden, wobei er eine verbesserte Leistung
und Abmessungen besitzt, die schließlich mit denen eines
schweißgelöteten Verflüssigers vergleichbar sind.
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Erfindungsgemäß wird dieser Gegenstand mit einem Verflüssiger
erreicht, der jene Merkmale besitzt, die das Fachgebiet von Anspruch 1
darstellen.
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Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der nun
folgenden Beschreibung eines nichteinschränkenden Beispiels sowie im
Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen
zeigt:
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Fig. 1 den Schrägriß eines Verflüssigers gemäß dieser Erfindung;
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Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung, in der die Verteilung der
Kühlmittelströmung im Verflüssiger von Fig. 1 dargestellt ist;
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Fig. 2a die vergrößerte Ansicht jenes Teils, der in Fig. 2 mit dem
Pfeil II bezeichnet ist; und
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Fig. 3 den Schnitt entlang der Achse III-III von Fig. 1.
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Nunmehr wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. Ein Verflüssiger für
Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen ist mit der Bezugsziffer 10 versehen
und enthält ein Wärmetauscher-Netzwerk 12, das aus einer Vielzahl von
Rohren 14 besteht, die an einer Packung von flachen Metallrippen 16
mit einem mechanischen Aufweit- oder Vergrößerungsverfahren befestigt
sind, das ausgeführt wird, nachdem die Rohre 14 in Offnungen
eingesetzt wurden, die in den Rippen 16 ausgerichtet sind, wobei die
Umrisse der Öffnungen den Rohrumrissen entsprechen.
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Die Enden der Rohre 14, die von der Außenseite der Rippenpackung 16
vorspringen, werden mit Verteilern verschweißt, die mit den
Bezugsziffern 18, 20, 22 und 24 bezeichnet sind.
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Fig. 2 zeigt die Verteilung der Kühlmittelströmung in den Rohren 14.
Das Mittel tritt im Dampfzustand in den Verteiler 18 ein, durchläuft
eine erste Gruppe von Rohren und erreicht den zweiten Verteiler 20,
zu dem die Rohre einer zweiten Gruppe führen, durch die eine
Kühlmittelströmung entgegengesetzt zur ersten Kühlmittelströmung fließt. Die
Kühlmittelströmung erreicht den dritten Verteiler 22, von dem sie
über eine dritte Gruppe von Rohren zu einem Ausgangsverteiler 24
strömt, von dem das Kühlmittel in flüssigem Zustand abgeleitet wird.
Die Anzahl von Rohren in den oben erwähnten drei Gruppen wird
fortlaufend kleiner, um die Volumsverkleinerung des Kühlmittels zu
berücksichtigen, wenn dieses vom Dampfzustand in den flüsssigen Zustand
übergeht.
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Der Verflüssiger gemäß dieser Erfindung ist mit Rohren versehen, die
einen Querschnitt mit einer länglichen Ovalform besitzen. Es gibt
zwei Möglichkeiten, um die Ovalrohre an den Verteilern 18 - 24 zu
befestigen:
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a) die ovalen Enden der Rohre 14 werden in geeigneten Schlitzen in
den Verteilern 18 - 24 direkt verschweißt; in diesem Fall ist der
freie Teil des Rohrs zwischen der letzten Rippe und dem Verteiler
vorzugsweise weniger als 10 mm lang;
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b) die Enden der Rohre, die aus der Packung vorspringen, werden mit
bekannten Verfahren mit einem kreisförmigen oder im wesentlichen
kreisförmigen Umriß versehen und dann nacheinander mit den Verteilern
18 - 24 verschweißt
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In beiden Fällen kann eine Platte, die etwa 1 mm stark ist und die
letzte Rippe bedeckt, wobei sie vor jenem Vorgang eingesetzt wird,
bei dem die Rippen gepackt und die Rohre aufgeweitet werden, dazu
verwendet werden, um die Kraft auf die äußersten Rippen zu begrenzen.
Diese Platte kann weiters dazu verwendet werden, um die Außenrippen
zu schützen, wenn die Rohre unter Verwendung einer Flamme direkt mit
den Verteilern verschweißt werden.
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Wie bereits oben erwähnt, werden bei Verflüssigern für Klimaanlagen
von Kraftfahrzeugen Drücke in der Größenordnung von 25 - 27 bar (wenn
auch nur vorübergehend> erreicht, wobei Temperaturen von mehr als
120ºC auftreten. Der Verflüssiger muß derartige Werte aushalten, ohne
daß irgendwelche strukturelle Verformungen auftreten.
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Im allgemeinen kann ein Wärmetauscher-Netzwerk, das längliche Rohre
und flache Rippen besitzt, die oben erwähnten Betriebszustände nicht
aushalten, wenn nicht bestimmte Abmessungsparameter erfüllt werden,
die eine kritische Rolle spielen.
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Nach einer Vielzahl von Laborversuchen haben die Anmelder eine Reihe
von Parametern festgelegt, wobei ein begrenzter Wertebereich
innerhalb dieser Parameter eingehalten werden muß, um einen aufgeweiteten
Verflussiger erzeugen zu können, der Röhren mit einem länglichen
Querschnitt besitzt.
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Die Parameter a, b, s, p und t sollen folgende Bedeutung besitzen:
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a = die Nebenachse des Rohrs
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b = die Hauptachse des Rohrs
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s = die Dicke des Rohrs
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p = der Abstand zwischen den Rippen und
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t = die Dicke der Rippen
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Die für die Bemessung des Verflüssigers gemäß der Erfindung
kritischen Parameter sind die Verhältnisse b/a, b/s und p/t.
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Der Parameter b/a drückt das Verhältnis zwischen den Achsen des
Ovalrohrs aus und liefert eine Information über die Geometrie des Rohrs,
wenn sich dieses von der Kreisform wegbewegt Der Parameter b/s
liefert eine Beziehung über die Hauptachse des Rohrs zu seiner Dicke,
wodurch er die Steifigkeit des Rohrs ausdrückt. Schließlich drückt
der Parameter pit das Verhältnis zwischen dem Abstand der Rippen und
deren Dicke aus. Dieser Wert betont den grundsätzlichen Beitrag der
Rippen zum Aufbau des Verflüssigers, um den beträchtlichen Drücken zu
widerstehen, die auftreten können.
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Aufgrund der von den Anmeldern durchgeführten Versuche wird gezeigt,
daß es folgende Parameter sind, die den strukturellen Widerstand des
Rohr/Rippen-Aufbaus sicherstellen:
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2,5 < = b/a < = 3,75
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15 < = b/s < = 30
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p/t < = 11
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Wenn alle diese Parameter gleichzeitig berücksichtigt werden, kann
der Rohr/Rippen-Aufbau die extremen Druck- und Temperatur-Zustände
auf der Kühlmittel-Seite aushalten, ohne einer dauernden Verformung
unterworfen zu werden.
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Aufgrund der durchgeführten Versuche wurde ein neuer Verflüssiger
entworfen, wobei es sich um einen mechanisch aufgeweiteten
Verflüssiger mit Ovalrohren handelt, die ein verflachtes Profil besitzen und
in einer einzigen Reihe angeordnet sind, wobei er folgende
Abmessungen
besitzt:
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- Dicke der Packung: 18 mm
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- flaches Ovalrohr: b = 12, a = 3,2 und s = 0,6
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- Dicke der Rippen: t = 0,12 mm
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- Abstand zwischen den Rohren: 12 mm
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- Dichte der Rippen: 70 - 80 Rippen/dm
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Folgende Verhältnisse der Abmessungen sind bei diesem Verflüssiger
kritisch:
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b/a = 3,75
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bis = 20
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p/t < = 10,5
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Die Auswahl für die Erzeugung des einreihigen Verflüssigers erfolgt
durch die Notwendigkeit, den Druckabfall auf der Luft-Seite so weit
wie möglich herabzusetzen, und damit durch die Notwendigkeit, die
Dicke des Verflüssigers auf der Luft-Seite zu verkleinern.
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Die Anmelder haben beispielsweise Druckdichtheits-Versuche mit 30 bar
bei Wärmetauscher-Netzwerken mit verschiedenen Formen durchgeführt,
wobei sie folgende Ergebnisse erzielten.
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Ein Wärmetauscher-Netzwerk, das Flachrohre mit den Abmessungen 12 x
3,5 x 0,35 mm besitzt, wobei die Rippen 0,08 mm dick sind und eine
Rippendichte von 90 Rippen/dm aufweisen (b/a = 3,42; bis = 34,28; p/t
= 13,88), liefert eine beträchtliche Verformung der Rohre, womit
gezeigt wird, daß der Aufbau mit Rohren, die parallele Wände und flache
Rippen besitzen, den aufgeprägten Druckwerten nicht standhält.
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Ein Wärmetauscher-Netzwerk, das ovale Flachrohre mit den Abmessungen
14,9 x 4,5 x 0,35 mm besitzt, wobei die Rippen 0,1 mm dick sind und
eine Rippendichte von 90 Rippen/dm aufweisen (b/a = 3,31; b/s =
42,57; p/t = 11,1), liefert eine große, bleibende Verformung der
Rohre mit einer bemerkenswerten Veränderung der Rippenform.
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Bei einem Wärmetauscher-Netzwerk, das ovale Flachrohre mit den
Abmessungen
12,2 x 3,4 x 0,4 mm besitzt, wobei die Rippen 0,1 mm dick sind
und eine Rippendichte von 90 Rippen/dm aufweisen (b/a = 3,59; bis =
30,5; p/t = 10,5), wurde eine kleine, bleibende Verformung der Rohre
von etwa 0,2 mm entlang der Nebenachse festgestellt.
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Weiters wurde festgestellt, daß in allen Fällen, bei denen die
kritischen Parameter b/a, b/s und p/t innerhalb der oben erwähnten Grenzen
liegen, keine dauernden Verformungen auftreten, die mit herkömmlichen
Meßinstrumenten meßbar sind.