METHOD OF TIGHTLY JOINING ENDS OF PIPE TO TUBESHEETS

Abstract: 1. Process for tightly connecting very thin walled tube ends into thick tube support plates, the tube ends being introduced into the holes which are provided in the required number in the tube support plate, characterized in that the tube ends used have a wall thickness of from 0.05 to 3 mm, the tubes (4, 14, 19, 22) and tube support plates (5, 13, 18, 23) are made of a material which can be melted by ultrasound and in that a sonotrode (1, 9, 15) which oscillates in the axial direction in the region of ultrasound and the cross-sectional area of which in the region of contact (2, 11, 17) is at least greater than the internal cross-section of the tube end to be connected (4, 14, 19, 22) is moved coaxially towards the tube end (5, 13, 18, 19) which is to be connected to the tube support plate (5, 13, 18, 23) and said sonotrode (1, 9, 15) is brought into contact with the tube end by its contact surface (2, 11, 17), and a welding connection is formed between the tube end (4, 14, 19, 22) and the tube support plate (5, 13, 18, 23) under the axial pressure acting on the sonotrode (1, 9, 15).

Description: Verfahren zum dichten Verbinden von Rohrenden in Rohrböden. Wuppertal Gegenstand der vorliegenden Ertindung ist ein Verfahren zum dichten Verbinden von Rohrenden in Rohrböden. Die dichte Verbindung von Rohrenden in Rohrböden spielt im Modulbau eine entscheidende Rolle. Module finden ihren Einsatz als Wärmetauscher und/oder Stoffaustauscher. Hierbei werden Rohre eingesetzt, die in der Regel dünnwandig sind. Bei Stoffaustauschern werden Menibranrohre eingesetzt. Diese Rohre haben in der Regel kreisförmigen Querschnitt, sie können jedoch auch andere Querschnitte, beispielsweise ovale, elliptische oder vieleckige Querschnitte aufweisen. Da der Wirkungsgrad eines Wärmetauschers oder eines Stoffaustauschers von der zur Verfügung gestellten Oberfläche und Wandstärke der Rohre abhängig ist, wird versucht die Querschnittsabmessungen dieser Rohre, also Durchmesser und Wandstärke, möglichst gering zu halten, um auf diese Weise die Baugrösse von Modulen bei gleicher Leistung zu verringern. Je geringer die Querschnittsabmessungen dieser Rohre jedoch werden, desto schwieriger ist ein dichtes Einbetten der Rohrenden im Rohrboden zu bewerkstelligen. Je nach Einsatzzweck der fertigen Module müssen die Einbettungsstellen zwischen Rohrenden und Rohrboden, gegebenenfalls auch unter erhöhtem Druck, flüssigkeits- und/oder gasdicht sein. In der Regel werden die Rohrböden derart hergestellt, dass ein Bündel von Rohren in eine Form mit einer härtbaren Masse eingegossen werden. Die härtbare Masse und gegebenenfalls die Form bilden dann den Rohrboden. Beim Herstellen solcher Rohrböden ist es mit grossem Aufwand verbunden, zu gewährleisten, dass die härtbare Masse alle Rohrenden umschliesst und mit diesen eine dichte Verbindung eingeht. Ausserdem besteht diese härtbare Masse im Regelfall aus einem anderen Werkstoff als Rohre und Rohrboden. Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum dichten Verbinden von Rohrenden in Rohrböden zur Verfügung zu stellen, bei welchem eine dichte Verbindung auf einfache Weise gewährleistet ist Dieses Verfahren soll besonders günstig auf dünnwandige Rohre und/oder Rohre mit geringem Querschnitt anwendbar sein. Hierbei sind unter dünnwandigen Rohren Rohre mit einer Wandstärke von etwa 0,05 mm bis etwa 3 mm zu verstehen. Rohre mit geringem Querschnitt haben gewöhnlich einen Innendurchmesser, der bis in den Bereich von 12 mm geht. Auch Rohrenden mit einem Innendurchmesser von unter 2 mm lassen sich nach dem erfindungsgemässen Verfahren gut mit dem Rohrboden verbinden. Unter Rohren werden im Sinne der Erfindung ausser Rohren auch Schläuche, Hohlfäden, Kapillare o.dgl. verstanden, deren Enden, hier Rohrenden genannt, in einer Dichtfläche oder einem Rohrboden eingebettet werden. Das Verfahren soll aber auch auf dickwandige Rohre und/oder Rohre mit grösserem Querschnitt anwendbar sein. Auch soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, durch welches es möglich wird, dass alle Teile eines Moduls aus dem gleichen Werkstoff bestehen. Ein solches Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass Rohre und Rohrboden aus Materialien bestehen, von denen sich mindestens ein Material unter Ultraschalleinwirkung erhitzt, dass die Rohrenden in die in gewünschter Anzahl in dem Rohrboden vorgesehenen Löcher in den Rohrboden eingebracht werden, und dass über eine im Ultraschallbereich schwingende Sonotrode und gegebenenfalls über ein Ultraschall-leitendes Medium die Schwingungen des Ultraschalls auf den Umfang der Rohrenden übertragen wird. Eine Ausführungsform zeichnet sich vorteilhaft dadurch aus, dass Rohre und Rohrboden aus mittels Ultraschall schmelzbarem Material bestehen, dass die Rohrenden in die in gewünschter Anzahl in dem Rohrboden vorgesehenen Löcher eingebracht und zumindest vorübergehend fixiert werden, und dass eine im Ultraschallbereich axial schwingende Sonotrode, deren Querschnittsfläche im Kontaktbereich mindestens einen grösseren Querschnitt als der Innendurchmesser des zu verbindenden Rohrendes aufweist, axialgleich auf das mit dem Rohrboden zu verbindende Rohrende. #ubewegt und. über die Kontaktfläche der Sonotrode in Berührung gebracht wird, wobei unter axialer Druckbelastung eine Schweissverbindung zwischen Rohrende und Rohrboden erreicht wird. Die Querschnittsabmessungen der Löcher des Rohrbodens sind in der Regel geringfügig grösser als die Aussenabmessungen der Rohre. Die Rohre werden so weit in die Löcher eingebracht, dass die Rohrenden entweder aus der Stirnfläche des Rohrbodens herausragen oder bündig mit dem Rohrboden abschliessen. Für spezielle Einsatzzwecke kann es auch günstig sein, wenn die Rohrenden nur teilweise in die Löcher eingesetzt sind, also unterhalb der Stirnfläche enden. Der Vorteil der Ultraschallverschweissung liegt darin, dass Rohr und Rohrboden an der Kontaktstelle kurzzeitig und gleichmässig erhitzt werden. Für eine gute Verschweissung sorgt eine Ultraschallfrequenz von 18 bis 40 kHz, wobei über Amplitude und Einschaltdauer die Temperatur und somit auch die Güte der Verbindung zwischen Rohr und Rohrboden eingestellt werden kann. Amplitude und Einschaltdauer sind ausserdem je nach verwendetem Material für Rohre und Rohrboden unterschiedlich. Die Sonotrode ist das auf den für die Erzeugung der Frequenz notwendigen Wandler aufgesetzte Werkzeug, dessen äussere Abmessungen von der Frequenz und der Amplitude des Ultraschalls abhängig sind. Das freie Ende der Sonotrode in Axialrichtung ist als die für die Verschweissung notwendige Kontaktfläche für die Rohrenden ausgebildet. Nach der Verschweissung ergibt die Schweissstelle dieselbe geometrische Figur, die die Kontaktfläche der Sonotrode besitzt. Die Fixierung der Rohre vor dem Verschweissen erfolgt durch an sich bekannte Massnahmen, beispielsweise durch Abstützen der freien Rohrenden, durch speziell konstruierte Halterungen oder auch durch Eingiessen der freien Rohrenden in ein härtbares Material, welches dann nach Beendigung der Verschweissung des einen Rohrbodens abgeschnitten wird. Eine einwandfreie Einführung der Kontaktfläche der Sonotrode in ein Rohrende wird erfindungsgemäss in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass diese Kontaktfläche der Sonotrode auf der dem Rohrende zugewandten Seite durch einen Führungszapfen verlängert ist, dessen Aussendurchmesser gleich oder kleiner, in der Regel geringfügig kleiner, als der Innendurchmesser des zu verbindenden Rohrendes ist. Eine Anfasung des freien Endes des Führungszapfens erleichtert das Einführen der Sonotrode in die Rohre. Günstig ist es, wenn die Querschnittsfläche der Sonotrode im Kontaktbereich (mit oder ohne Führungszapfen) einen in axialer Richtung von der dem Rohrende zugewandten Seite weg sich vergrössernden Durchmesser aufweist. Hierbei hat sich als besonders vorteilhaft eine kegelstumpfförmige Ausbildung der Kontaktfläche der Sonotrode herausgestellt. Die Kontaktfläche der Sonotrode kann aber auch andere geometrische Figuren annehmen, beispielsweise eine rotationssymmetrische Parabel. Die kegelstumpfförmige Ausbildung führt zu einer konisch sich verjüngenden Öffnung im Rohrboden, die in den Innenquerschnitt#des Rohres führt, wodurch sich beim Einsatz der fertigen Module günstige Strömungsverhältnisse beim Einlauf des Strömungsmediums in die Rohre ergeben. ähnliches gilt auch für andere geometrische Ausführungsformen der Kontaktfläche der Sonotrode. Bei der kegelstumpfförmigen Ausführung der Sonotrode ergibt sich eine Verbindung der Rohrenden mit dem Rohrboden, die durch folgende Beschreibung charakterisiert werden kann. Durch die bei der Herstellung der Verbindung erfolgte Materialverdrängung ergibt sich ein geringfügiger Wulst, der sich über die Aussenseite des Rohrbodens erhebt und sich gleichmässig über den Umfang des Randes des kegelstumpfförmigen Trichters erstreckt. Ausserdem kann man im Schnitt senkrecht zur Achse durch die Verbindungsstelle ein homogenes Schmelzgefüge erkennen. Bei gleicher Materialwahl von Rohrboden und Rohren ist eine Übergangs stelle zwischen Rohr und Rohrboden im Schnittbild nicht mehr festzustellen. Auch ergibt sich bei dieser Art der Verbindung von Rohrenden mit dem Rohrboden eine überaus gute und sichere Verankerung der Rohre im Rohrboden. Es wird somit ein Wärme- bzw. Stoffaustauscher zur Verfügung gestellt, der sich durch seine besonders günstige Gebrauchstüchtigkeit auszeichnet. Erfindungsgemäss ist es ebenfalls möglich, dass die Sonotrode mehrere Kontaktflächen aufweist, wobei die Anzahl der Kontaktfldchen höchstens gleich der Anzahl der mit dem Rohrboden zu verbindenden Rohrenden ist. Mit einer solchen Sonotrode ist es möglich, ganze Gruppen von Rohrenden oder sogar alle Rohrenden eines Moduls gleichzeitig mit dem Rohrboden zu verschweissen. Rohre und Rohrboden können praktisch aus jedem mittels Ultraschall schweissbarem Material bestehen. Hierzu eignen sich zum Beispiel auch Metalle. Vorteilhaft bestehen jedoch Rohre und Rohrboden aus thermoplastischen Kunststoffen, beispielsweise aus PA, PVC, ABS, PE, PP, PVDF u.a. Bei thermoplastischen Kunststoffen wird vorteilhafterweise die Kontaktfläche der Sonotrode mit TEFLON o.ä. besprüht oder beschichtet. Besonders gute Schweissverbindungen werden dann erreicht, wenn Rohre und Rohrboden aus dem gleichen Material, gegebenenfalls aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff bestehen. Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Ausschnitt aus einem Rohrboden mit einem eingesetzten Rohr mit dem freien Ende der Sonotrode, die mit ihrem Führungszapfen gerade in das Rohr eintaucht, Figur 2 einen Ausschnitt aus einem Rohrboden mit einem bereits mit dem Rohrboden verschweissten Rohr ende, wobei das freie Ende der Sonotrode in der Stellung dargestellt ist, welche sie bei Ab schluss der Verschweissung einnimmt, Figur 3 einen Ausschnitt aus einem Rohrboden mit einem eingesetzten Rohr und dazugehöriger Kontakt fläche der Sonotrode, mit deren Hilfe eine Um bördelung des Rohres und eine Verschweissung auf der freien Stirnseite des Rohrbodens möglich ist, Figur 4 eine weitere mögliche Ausführungsform der Kontakt fläche der Sonotrode, Figur 5 den schematischen Aufbau eines Moduls, bestehend aus zwei Rohrböden und eingeschweissten Rohren im Querschnitt, Figur 6 den Modul gemäss Figur 5 in Draufsicht. In Figur 1 ist das freie, aus Kontaktfläche 2 und Führungszapfen 3 bestehende Ende der Sonotrode 1 dargestellt. Der Führungszapfen 3 weist eine geringfügig kleinere Querschnittsabmessung als die Innenabmessung des Rohres 4 auf. Das Rohr 4 ist derart in das Loch des Rohrbodens 5 eingebracht, dass das Rohrende bündig mit der äusseren Stirnfläche 6 des Rohrbodens 5 abschliesst. Der Führungszapfen 3 der Sonotrode 1 ist bereits axialgleich zum Rohr in das Rohrende des Rohres 4 eingetaucht. Wird nun die Sonotrode 1 weiter abgesenkt und mit Ultraschall beaufschlagt, so lässt sich die Sonotrode unter Druckbeaufschlagung beispielsweise soweit in das Rohrende absenken, wie in Figur 2 dargestellt. Hierbei wird das Rohrende als Einlauftrichter 7 ausgebildet und gleichzeitig mit dem Rohrboden 5 verschweisst. Bei der in Figur 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Sonotrode 1 ist die Kontaktfläche 2 der Sonotrode 1 kegelstumpfförmig ausgebildet. In Figur 3 erweitert sich der Führungszapfen 8 der Sonotrode 9 über einen Radius 10 auf eine radial sich erstreckende Kontaktfläche 11. Mit Hilfe dieser Ausführungsform des freien Endes der Sonotrode 9 ist es möglich, das über die äussere Stirnfläche 12 des Rohrbodens 13 hinausragende Rohrende des Rohres 14 umzubördeln und auf der freien bzw. äusseren Stirnseite 12 des Rohrbodens 13 zu verschweissen. In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform des freien Endes der Sonotrode 15 mit Führungszapfen 16 und Kontaktfläche 17 dargestellt. Nach Durchführung der Verschweissung ist die Schweissstelle als Wulst ausgebildet, welche in den Rohrboden 18 eingelassen ist. Das Rohr 19 ist dann über diesen nicht dargestellten Wulst mit dem Rohrboden 18 verschweisst. In Figur 5 und 6 ist schematisch eine mögliche Ausführungsform eines Moduls mit zwei Rohrböden 14 und einer Anzahl von Rohren 20 dargestellt. Hierbei sind die Rohre 20 lediglich durch ihre Achsen dargestellt. Ein Rohr 22 ist der Verständlichkeit halber eingezeichnet. Der Ubersicht- lichkeit wegen sind die vorher näher beschriebenen, in verschiedener Weise durchgeführten Schweissstellen an der. Rohrenden 22 nicht dargestellt. Solche Module können nunmehr in Gehäuse eingesetzt werten und dem jeweiligen Einsatzzweck zugeführt werden. Das Verfahren zum Verbinden von Rohrenden mit einem Rohrboden wurde in vorteilhafter Weise derart dargestellt, dass die Sonotrode in die Rohrenden eingeführt wird, also Rohrboden und Rohre beim Durchführen des erfindungs- gemässen Verfahrens feststehen. Es wird jedoch als äquivalent und im Rahmen der Erfindung liegend betrachtet, wenn das erfindunasgemässe Verfahren derart durchgeführt wird, dass die Sonotrode feststeht und Rohrboden mit Rohren gegen die Sonotrode bewegt und gedrückt werden.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum dichten Verbinden von Rohrenden in Rohr böden, dadurch gekennzeichnet, dass Rohre und Rohrboden aus Materialien bestehen, von denen sich mindestens ein Material unter Ulstraschalleinwirkung erhitzt, dass die Rohrenden in die in gewünschter Anzahl in dem Rohrboden vorge sehenen Löcher in den Rohrboden eingebracht werden, und dass über eine im Ultraschallbereich schwingende Sonotrode und gegebenenfalls über ein Ultraschall-leitendes Medium die Schwingungen des Ultraschalls auf den Umfang der Rohrenden übertragen wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Rohre und Rohrböden aus mittels Ultraschall schmelz barem Material bestehen, dass die Rohrenden in die in gewünschter Anzahl in dem Rohrboden vorgesehenen Löcher in den Rohrboden eingebracht und zumindest vorüber-.: gehend fixiert werden, und dass eine im Ulraschallbereich axial schwingende Sonotrode, deren Querschnittsfläche Im Kontaktbereich mindestens einen grösseren Querschnitt als der Innenquerschnitt des zu verbindenden Rohrendes aufweist, axialgleich auf das mit dem Rohrboden zu verbindende Rohrende zubewegt und über die Kontaktfläche der Sonotrode in Berührung gebracht wird, wobei unter axialer Druckbelastung der Sonotrode eine Schweissver bindung zwischen Rohrende und Rohrboden erreicht wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen der Sonotrode auf der dem Rohr ende zugewandten Seite durch einen Führungszapfen ver längert ist, dessen Aussendurchmesser gleich oder kleiner als der Innendurchmesser des zu verbindenden Rohrendes ist. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Sonotrode im Kontaktbereich einen in axialer Richtung von der dem Rohrende zugewandten Seite weg sich vergrössernden Durch messer aufweist. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche der Sonotrode kegelstumpfförmig aus gebildet ist. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode mehrere Kontaktflächen aufweist, wobei die Anzahl der Kontaktflächen höchstens gleich der Anzahl der mit dem Rohrboden zu verbindenden Rohrenden ist. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Rohre und Rohrboden aus thermo plastischem Kunststoff bestehen. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Rohre und Rohrboden aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff bestehen.

Inventors: WOLLBECK, RUDI, ZANG, THOMAS
Applicants: AKZO PATENTE GMBH
Application year: 1984
Main classification: B29C65
IPC codes: B29C65, B21D39, B29L23, F28F21, F28F9