DE3021240A1

DE3021240A1 - Waermetauscher und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3021240A1
Application number: DE19803021240
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Alan Logic; Zalman Philip Saperstein
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 1979-08-03
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1981-02-19
Also published as: BR8003603A; ES493947A0; IT1146180B; IT8048930A0; ES8105177A1; JPS5623390A; ES252388U; FR2462679A1; SE8004532L; GB2055060A; CA1123423A; ES252388Y

Description

Dipi.-Ing. H. MITSCHERLICH "" .£. D-8000 MÖNCHEN 22

Dipl.-In₅. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr. r.r. not. W. KÖRBER ^ ⁽⁰⁸⁹⁾ *²⁹⁶⁶⁸* Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE _ . ._non

4. Juni 1980

MODINB MANOTAOIURING COMPANY
DeKoven Avenue
Racine, Wisconsin / V.St.A.

Wärmetauscher und Verfahren zu seiner Herstellung BESCHREIBUNG

Rohrbündel-Wärmetauscher, die in großem Umfang als Ölkühler bei Brennkraftmaschinen verwendet werden, werden gewöhnlich aus Messing- oder Kupferteilen hergestellt, die so miteinander verbunden sind, daß ein Strömungsraum zwischen den Rohren und einem inneren Kern abgegrenzt wird, durch den das Wärmeaustauschmedium geleitet wird, wobei in dem Baum zwischen den Rohren gewöhnlich ein Element angeordnet ist, das dazu dient, in der den Raum durchströmenden Flüssigkeit Turbulenz zu erzeugen und hierdurch den Wärmeübergang zwischen den Medien zu steigern.

An jedem Ende dieses Raums zwischen den Rohren ist ein Anschlußteil vorhanden, wobei das erste Medium dem genannten Raum über ein Anschlußteil zugeführt wird, aus dem es dann durch das andere Anschlußteil abgeleitet wird. Wärmetauscher dieser Bauart sind in den US-PSen 2 752 125, 3 959 867 und 3 001 767 beschrieben. Derartige Wärmetauscher werden auch aus Aluminium sowie aus Kupfer und Messing hergestellt; bei allen diesen Materialien handelt es sich um relativ leichte und nur wenig feste Metalle und Legierungen.

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Durch die Erfindung ist nunmehr ein Wärmetauscher geschaffen worden, der aus Bauteilen aufgebaut ist, welche aus einem korrosionsbeständigen Stahl von hoher Festigkeit bestehen, wobei mindestens die Oberflächen dieser Teile aus nichtrostendem Stahl hergestellt sind. Ferner ist durch die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rohrbündel-Wärme tauschers geschaffen worden, der als korrosionsbeständige Konstruktion von hoher Starrheit ausgebildet ist und sich aus miteinander verschweißten Bauteilen aus nichtrostendem Stahl zusammensetzt.

Die Teile des erfindungsgeraäßen Rohrbündel-Wärmetauschers bestehen entweder aus massivem nichtrostendem Stahl oder einem Stahl mit Oberflächenüberzügen, die nicht rosten und die mit Hilfe bekannter Verfahren herstellbar sind, z.B. gemäß der Beschreibung in den US-PSen 3 093 556 und 3 184 331; außerdem sind zahlreiche weitere ähnliche Verfahren bekannt.

Zwar wird der erfindungsgemäße Wärmetauscher vorzugsweise aus chromhaltigem nichtrostendem Stahl hergestellt, doch kann man auch andere Arten von korrosionsbeständigen Stählen hoher Festigkeit verwenden, z.B. die unter den gesetzlich geschützten Bezeichnungen "Monel" und "Inconel" erhältlichen. Alle diese Stahlsorten haben eine sehr hohe Festigkeit, und außerdem handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher um eine Schweißkonstruktion, bei der alle Verbindungen zwischen den miteinander verschachtelten Rohren und zwischen den äußeren Anschlußteilen und dem äußersten der miteinander verschachtelten Rohre als Schweißverbindungen ausgebildet sind. Diese Schweißverbindungen werden mit Hilfe des Buckelschweißverfahrens hergestellt, bei dem ein elektrischer Strom zwischen den Berührungsflächen der Teile aus nichtrostendem Stahl hindurchgeleitet wird, um eine Widerstandserhitzung der betreffenden Berührungszonen zu bewirken, bis das Material zum Schmelzen kommt, während die Teile

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aufeinandergepreßt werden, um die gewünschte Schweißverbindung zu erzeugen. Danach werden die Teile abgekühlt, woraufhin der als Schweißkonstruktion ausgebildete Wärmetauscher fertiggestellt ist.

Ferner ist in der US-PS 4 159 034 ein Wärmetauscher aus nichtrostendem Stahl von anderer Konstruktion beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine auseinandergezogene Schrägansicht der Teile einer Ausführungsform eines Rohrbündel-Wärmetauschers nach der Erfindung;

Fig. 2 bis 7 jeweils eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung der aufeinander folgenden Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Wärmetauschers; und

Fig. 8 eine Seitenansicht eines fertigen Wärmetauschers nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 gehören zu den Bauteilen 11 des erfindungsgemäßen Wärmetauschers zwei Rohre, und zwar ein äußeres Rohr 12 und ein inneres Rohr 13, die sich bezüglich ihres Durchmessers unterscheiden, sowie zwei halbzylindrische Verwirbelungselemente 14 aus Streckmetall. Ferner gehören zu den Bauteilen 11 zwei allgemein zylindrische Anschlußstücke 15 mit je einem axialen durchgehenden Strömungskanal 16 und einem Kontaktflächenring 17, der eine kleine, scharfkantig ausgebildete Fläche aufweist, die am zugehörigen Ende des äußeren Rohres 12 mit einer Schulter 18 zusammenarbeitet.

Fig. 2 zeigt, auf welche Weise an jedem Ende des Rohres 12 eine Schulter 18 gleichzeitig mit einer von dieser Schulter

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umgebenen Öffnung 19 erzeugt wird. Bei dea Arbeitsschritt nach Fig. 2 wird das Ende 20 des Rohres 12 zwischen zwei Matrizen 23 und 24 zum Formen der betreffenden Schulter 18 angeordnet; nachdem die Matrizen miteinander verspannt worden sind, wird ein zylindrischer Stempel 25 durch den mittleren Teil der Schulter 18 hindurchgedrückt, um eine Metallscheibe 26 aus dem Rohr 12 auszustanzen, so daß die Durchtrittsöffnung 19 entsteht. Ein entsprechender Arbeitsschritt wird am anderen Ende 20 des äußeren Rohres 12 durchgeführt, so daß auch hier eine Schulter 18 entsteht, durch die eine Öffnung 19 abgegrenzt wird.

Gemäß Fig. 1 gehört zu dem Wärmetauscher ferner ein Verwirbelungselement 14, das sich im vorliegenden Fall aus zwei halbzylindriechen Schalen oder Hälften 27 und 28 zusammensetzt. Derartige, gewöhnlich aus Streckmetall hergestellte Verwirbelungselemente sind bekannt und in den US-PSen 3,688 372, 3 732 921, 3 734 135, 3 734 177 und 3 959 867 beschrieben.

Während die Rohre 12 und 13 aus nichtrostendem Stahl bestehen, sind das Verwirbelungselement 14 und die Anschlußstücke 15 aus Kohlenstoffstahl hergestellt.

Nachdem die Schultern 18 und die Öffnungen 19 in der anhand von Fig. 2 beschriebenen Weise ausgebildet worden sind, wird jedes Anschlußteil 15 mit der zugehörigen Schulter 18 mit Hilfe des Buckelschweißverfahrens verbunden, bei dem gemäß Fig. 3 dem Anschlußteil und dem Rohr ein elektrischer Strom zugeführt wird. Dieser Strom wird durch einen Schweißgenerator 29 erzeugt und über Zuleitungen 30 und 33 zugeführt, von denen eine mit dem Anschlußteil 15 und die andere mit dem Rohr 12 verbunden wird. Bei diesem Arbeitsschritt wird in der üblichen Weise von dem Schweißgenerator 20 aus ein Strom durch die sehr kleine ringförmige Berührungsfläche 17 geleitet. Da die scharf ausgeprägte ringförmige Kontaktfläche 17

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nur einen sehr kleinen Flächeninhalt hat, wird dem Fließen des Stroms ein hoher Widerstand entgegengesetzt, was zur Folge hat, daß der Stahl im Bereich der Berührungsfläche zum Schmelzen gebracht wird, so daß gemäß Fig. 3 das Aufbringen einer Druckkraft mit Hilfe eines Stempels 34 bewirkt, daß das geschmolzene Metall bei seiner Abkühlung eine Schweißverbindung erzeugt. Dieses Schweißverfahren ist als solches bekannt.

Beim nächsten Verfahrensschritt zum Herstellen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wird gemäß Fig. 4 das innere Rohr 13 in Richtung des Pfeils 35 in das äußere Rohr 12 so eingeführt, daß zwischen den beiden Rohren ein Abstand verbleibt und ein Strömungskanal 36 abgegrenzt wird. Dann werden die beiden Hälften 27 und 28 des zylindrischen Verwirbelungselements 14 in diesen Strömungskanal eingeführt, woraufhin beide Enden des inneren Rohres 13 gemäß Fig. 5 in der bei 37 dargestellten Weise durch Aufbringen von Druck in Richtung der Pfeile 38 so aufgeweitet werden, daß sie zur Anlage an der Innenwand des betreffenden Endes 20 des äußeren Rohres 12 kommen. Dann werden die Enden 20 des äußeren Rohres 12 und die Enden 37 des Verwirbelungselements miteinander verschweißt, und zwar entweder mit Hilfe des Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißverfahrens oder des Wolfram-Inertgas-Schweißverfahrens. Hierbei wird der Schweißstrom von einem Schweißgenerator 39 aus gemäß Fig. 6 über Leitungen 40 und 43 zugeführt. Gemäß Fig. 6 wird der Lichtbogen bei 41 erzeugt.

Nach dem Verschweißen der Enden 20 des äußeren Rohres mit den Enden 37 des Verwirbelungselements wird das innere Rohr 13 gemäß Fig. 7 in der durch die Pfeile 45 angedeuteten Weise einem Innendruck ausgesetzt, um das Rohr aufzuweiten und es in feste Anlage an dem Verwirbelungselement 14 zu bringen, so daß letzteres auch in feste Anlage an der Innenwand des äußeren Rohres 12 gebracht wird.

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Gemäß Fig. 8 befinden sich die miteinander verbundenen Enden 20 des äußeren Rohres 12 und die Enden 37 des inneren Rohres 13 in Bereichen, die gegenüber den Anschlußteilen in der Längsrichtung nach außen versetzt sind.

Wie erwähnt, bestehen die Rohre 12 und 13 aus nichtrostendem Stahl. Zwar können die beiden Anschlußteile 15 und das Verwirbelungselement 14 ebenfalls aus nichtrostendem Stahl hergestellt werden, doch bestehen sie vorzugsweise aus kohlenstoffarmem Stahl. Von den genannten Bauteilen können einige oder alle aus massivem nichtrostendem Stahl bestehen; alternativ können nur die Außenflächen dieser Teile aus nichtrostendem Material bestehen, wie es dann der Fall ist, wenn die Oberfläche von gewöhnlichem Stahl mit einem Chrom enthaltenden Stahllegierungsmaterial imprägniert ist.

Der zur Herstellung mindestens der Rohre 12 und 13 des Wärmetauschers bevorzugt verwendete nichtrostende Stahl enthält mindestens 12% Chrom, insbesondere 12% bis 32%, doch könnte man auch andere Arten von nichtrostenden Legierungen verwenden. Die Verwendung eines, chromhaltigen Stahls wird bevorzugt, da der Chromgehalt die Härtbarkeit des Stahls dadurch erheblich verbessert, daß er die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit des Stahls verringert; außerdem weist ein chromhaltiger Stahl insbesondere bei hohen Temperaturen und Drücken eine gute Zeitstandfestigkeit auf.

Der fertige ölkühler, der in Fig. 8 in einer Seitenansicht dargestellt ist, in der bestimmte innere Teile mit gestrichelten Linien angedeutet sind, wird z.B. auf eine» ölbehälter gewöhnlich mit Hilfe von Befestigungseinrichtungen befestigt, die mit nach außen vorspringenden Schultern 47 der beiden Anschlußteile 15 zusammenarbeiten. Zu diesem Zweck kann man auf die radialen Flächen der Schultern 47 einen nicht dargestellten Überzug aus Kupfer aufbringen, z.B. durch

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Aufschweißen, Aufplattieren oder Aufspritzen von Kupfer auf die obere Fläche 48 jeder Schulter 47. Ein solcher Kupferüberzug müßte z.B. vorhanden sein, wenn der Wärmetauscher 10 mit einem Behälter aus Messing z.B. durch Verlöten verbunden werden soll. Besteht jedoch der Behälter aus Kunststoff oder nichtrostendem Stahl, würde sich ein solcher Kupferüberzug erübrigen, so daß sich eine entsprechende Kostenersparnis ergibt.

Der Patentanwalt:

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Claims

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D-8000 MÖNCHEN 22

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr. rer.not. W. KÖRBER °® ⁽⁰⁸⁹⁾ *²⁹⁶⁶⁸⁴

Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS
PATENTANWÄLTE

4. Juni 1980

MODINE MANUFACTURING COMPANY
DeKoven Avenue
Racine, Wisconsin / V.St.A.

ANSPRÜCHE

1.\ Verfahren zum Herstellen eines starren, aus nicht-Verstendem Stahl bestehenden, korrosionsfesten, als Schweißkonstruktion ausgebildeten rohrförmigen Wärmetauschers zum Austauschen von Wärme zwischen strömungsfähigen Medien, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Stahlrohre, die sich bezüglich ihres Durchmessers unterscheiden und Oberflächen aus nichtrostendem Stahl aufweisen, bereitgestellt werden, daß das Rohr von größerem Durchmesser nahe jedem Ende mit einer Durchtrittsöffnung versehen wird, die von einer Schulter umgeben ist, daß die beiden Rohre so angeordnet werden, daß das innere Rohr durch einen Abstand von dem es umgebenden äußeren Rohr getrennt ist, daß zwei allgemein zylindrische Anschlußteile aus Stahl bereitgestellt werden, von denen jedes einen durchgehenden Strömungskanal und an einem Ende eine den Strömungskanal umgebende ringförmige Berührungsfläche von kleinem Flächeninhalt zum Zusammenarbeiten mit der zugehörigen Schulter aufweist, daß mit Hilfe des Buckelschweißverfahrens jedes Anschlußteil dadurch mit der zugehörigen Schulter verbunden wird, daß ein elektrischer Strom dem Anschlußteil und dem äußeren Rohr zugeführt wird, damit dieser durch die ringförmige Berührungsfläche des Anschlußteils fließt, während das Anschlußteil an die Schulter angepreßt wird, um einen Teil des Materials des Anschlußteils und der Schulter an

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der Berührungsfläche zum Schmelzen zu bringen, woraufhin eine Abkühlung bewirkt wird, um eine Widerstandsschweißverbindung zwischen jedem Anschlußteil und dem äußeren Rohr herzustellen, und daß die Enden des inneren und des äußeren Rohres mit Hilfe des Schmelzschweißverfahrens miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rohre aus massivem nichtrostendem Stahl bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem nichtrostenden Stahl um die Sorte handelt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr und das von ihm durch einen Abstand getrennte, es umgebende äußere Rohr einen sich dazwischen erstreckenden Strömungskanal bilden und daß in diesem Strömungskanal ein Verwirbelungselement aus Stahl angeordnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr und das es in einem Abstand umgebende äußere Rohr einen sich zwischen ihnen erstreckenden Strömungskanal abgrenzen und daß in diesen Strömungskanal ein Flüssigkeits-Verwirbelungselement aus Stahl eingeführt wird, woraufhin das innere Rohr aufgeweitet wird, um eine dauerhafte Druckberührung zwischen den Rohren und dem Verwirbelungselement herbeizuführen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des inneren Rohres in außerhalb der Anschlußteile liegenden Bereichen aufgeweitet und zur Anlage an der Innenfläche des äußeren Rohres gebracht werden und daß die Rohre an diesen sich berührenden Enden miteinander verschweißt werden.

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7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr und das es in einem Abstand umgebende äußere Rohr einen sich zwischen ihnen erstreckenden Strömungskanal abgrenzen, daß in diesen Strömungskanal ein Flüssigkeits-Verwirbelungselement aus Stahl eingeführt wird, daß die Enden des inneren Rohres aufgeweitet werden, um sie in außerhalb der Anschlußteile liegenden Bereichen in Berührung mit der Innenfläche des äußeren Rohres zu bringen, und daß die beiden Rohre an ihren sich berührenden Enden miteinander verschweißt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. die beiden Rohre aus Stahl bestehende Oberflächen aufweisen, die mit einem Chrom enthaltenden Stahllegierungsmaterial imprägniert sind.

9. Starrer, aus nichtrostendem Stahl hergestellter, korrosionsbeständiger, als Schweißkonstruktion ausgebildeter rohrförmiger Wärmetauscher zum Austauschen von Wärme zwischen strömungsfähigen Medien, gekennzeichnet durch ein inneres Rohr (13) und ein dieses mit einem Abstand umgebendes äußeres Rohr (12), wobei jedes Ende (20) des äußeren Rohres eine Durchtrittsöffnung (19) mit einer sie umgebenden Schulter (18) aufweist, zwei allgemein zylindrische Anschlußteile (15) aus Stahl, von denen jedes einen durchgehenden Strömungskanal (16) aufweist, wobei an einem Ende jedes Anschlußteils ein ringförmiger Abschnitt (17) vorhanden ist, zu dem eine ringförmige Berührungsfläche gehört, die den Strömungskanal umgibt, und wobei jedes Anschlußteil mit der zugehörigen Schulter an der Berührungsfläche durch eine lückenlose, mit Hilfe des Buckelschweißverfahrens hergestellte Schweißstelle verbunden ist, wobei die benachbarten Enden des inneren und des äußeren Rohres jeweils durch eine endlose Schweißnaht miteinander verbunden sind, wobei jede der die Anschlußteile mit dem äußeren Rohr

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verbindenden und der die Rohre miteinander verbindenden Schweißnähte aus Schweißmetall besteht, bei dem es sich im wesentlichen nur um vorher zum Schmelzen gebrachtes Metall aus benachbarten Teilen der Rohre handelt, das wieder erstarrt ist.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rohre (12, 13) aus massivem nichtrostendem Stahl bestehen.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem nichtrostenden Stahl um die Sorte 409 handelt.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (13) und das es in einem Abstand umgebende äußere Rohr (12) einen sich dazwischen erstreckenden Strömungskanal (36) abgrenzen und daß in diesem Strömungskanal ein Flüssigkeits-Verwirbelungselement aus Stahl angeordnet ist.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (13) und das es in einem Abstand umgebende äußere Rohr (12) einen sich dazwischen erstreckenden Strömungskanal (36) abgrenzen und daß in diesem Strömungskanal ein in ständiger Druckberührung mit den Rohren stehendes Flüssigkeits-Verwirbelungselement (14) angeordnet ist.

14. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des inneren Rohres (13) in außerhalb der Anschlußteile (15) liegenden Bereichen aufgeweitet sind und in Berührung mit der Innenfläche des äußeren Rohres (12) stehen und daß die Rohre an diesen sich berührenden Enden miteinander verschweißt sind.

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15. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (13) und das es in einem Abstand umgebende äußere Rohr (12) einen sich dazwischen erstreckenden Strömungskanal abgrenzen, daß in diesem Strömungskanal ein Flüssigkeits-Vervirbelungselement (14) aus Stahl angeordnet ist, daß die Enden des inneren Rohres in außerhalb der Anschlußteile (15) liegenden Bereichen aufgeweitet sind und in Berührung mit der Innenfläche des äußeren Rohres stehen und daß die Rohre an diesen sich berührenden Enden miteinander verschweißt sind.

16. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rohre (12, 13) aus Stahl bestehende Oberflächen haben, die mit einem Chrom enthaltenden Stahllegierungsmaterial imprägniert sind.

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