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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines plattenförmigen Wärmetauschers sowie zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen.
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Für Wärmetauscher gibt es einen breiten Anwendungsbereich und eine Vielzahl von unterschiedlichsten Ausführungsvarianten. Eine beliebte Variante ist die Wärmeübertragung über Rohrleitungen. Dabei wird ein Wärmeträger durch ein Rohrleitungssystem gepumpt und ein zweiter an einer Kontaktfläche an der Außenseite der Rohrleitungen geführt. Um den Wirkungsgrad eines solchen Wärmetauschers zu optimieren, bestehen die Rohre zumeist aus einem gut wärmeleitenden Metall. Vorzugsweise findet Kupfer oder Aluminium Verwendung, und dort, wo eine besondere Beständigkeit der Materialien benötigt wird, kommt Edelstahl zum Einsatz.
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Die Herstellung von Wärmetauschern aus Rohrleitungen ist eine Herausforderung, denn bei der Konstruktion von Wärmetauschern wird grundsätzlich versucht, bei geringem Bauraum eine möglichst große Oberfläche zu erzeugen. Oft müssen zahlreiche Rohrleitungen zu einem kompletten Bauteil zusammengefügt werden, so dass an das einzelne Rohrelement höchste Genauigkeitsanforderungen gestellt werden. Das hat zur Folge, dass der Biegevorgang möglichst genau sein sollte. Deshalb kommt dem Herstellungsvorgang besondere Bedeutung zu.
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Herkömmliche Verfahren zum Biegen eines Rohrs für einen plattenförmigen Wärmetauscher verwenden einen stationären Biegebolzen, um den das Rohr abschnittweise herum gebogen wird, und eine Rohrdüse, über die das zu biegende Rohr an den Biegebolzen herangeführt wird. Nach dem Erzeugen einer Biegung wird neues Rohr über die Düse in einer benötigten Länge zugeführt, das Rohr eventuell um die Achse der Düse gedreht und eine weitere Biegung wird erzeugt, indem der neu zugeführte Rohrabschnitt um denselben Biegebolzen herum gezogen wird. Durch mehrmaliges Zuführen von Rohr und Biegen in jeweils entgegengesetzte Richtungen wird ein Verdampferrohr mit mäanderndem Verlauf erhalten.
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Mit Fortschreiten der Fertigung nehmen Abmessungen und Masse des Verdampferrohres zu, und es besteht die Gefahr, dass Teile des Verdampferrohrs, die bereits korrekt gebogen wurden, sich im Laufe der weiteren Fertigung wieder verformen, sei es aufgrund von Reibung des hin und her geschwenkten Rohrs auf einer Unterlage oder aufgrund von Fliehkräften, die beim Drehen und Biegen auf bereits fertige Abschnitte des Verdampferrohres wirken. Weitere Probleme können sich ergeben, wenn die zu fertigende Form des Verdampferrohrs mit den dafür verwendeten Vorrichtungen inkompatibel ist und bereits fertig gebogene Teile des Verdampferrohrs bei der Erzeugung weiterer Biegungen an diese Vorrichtungen anstoßen.
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US 2007 / 0 017 095 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Heiz-/Kühlelements für ein Strahlungskomfortsystem, umfassend die Schritte Bilden des Heiz-/Kühlelements aus einem Material mit Formgedächtnis; Aufwickeln des Heiz-/Kühlelements in einem Muster aus Windungsabschnitten und geraden Abschnitten auf eine Wickelvorrichtung; Entfernen des Heiz-/Kühlelements aus der Wickelvorrichtung nach einer vorgegebenen Zeitspanne, sodass das Heiz-/Kühlelement das Muster aus Windungsabschnitten und geraden Abschnitten beibehält.
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JP 2001 -
150 073 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines zickzackförmigen Rohrs, beispielsweise eines Kühlrohrs zur Eisspeicherung, auf engstem Raum, wobei ein Träger um eine rotierende Wellenlinie gedreht wird, während der Träger durch ein Paar Biegesäulen gestützt wird, die sich parallel erstrecken und einen vorgegebenen Abstand voneinander haben.
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US 2003 / 0 019 270 A1 offenbart eine Biegemaschine, umfassend unter Anderem ein erstes Befestigungselement zum Halten eines Endabschnitts eines langen Werkstücks, ein zweites Befestigungselement zum Halten des anderen Endabschnitts des Werkstücks sowie eine rollenförmige Biegematrize, die auf dem zweiten Befestigungselement montiert ist, zum Biegen des Werkstücks entlang der Außenumfangsfläche des zweiten Befestigungselements.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, das die Herstellung von Wärmetauschern vereinfacht und beschleunigt und dadurch eine produktive und billige Massenproduktion ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, das eine Herstellung von Wärmetauschern mit engen Toleranzen beim Rohrbiegen zulässt. Eine Aufgabe der Erfindung ist es darüber hinaus, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden kann.
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Die Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß dem abhängigen Anspruch 8 sowie durch eine Vorrichtung gemäß dem abhängigen Anspruch 11. Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Lösung durch das Verfahren des unabhängigen Anspruchs 1 erfolgt mit den Schritten
- a) Bereitstellen eines eine Grundplatte und eine Mehrzahl von Biegebolzen aufweisenden Werkstückträgers;
- b) Verlegen eines die Biegebolzen umschlingenden Wärmetauscherrohrs auf der Grundplatte;
- c) Andrücken des Wärmetauscherrohrs gegen eine Trägerplatte und Lösen des Wärmetauscherrohrs von den Biegebolzen,
mit dem zusätzlichen Schritt des Erzeugens einer Klebstoffschicht zwischen dem Wärmetauscherrohr (15) und der Trägerplatte (30).
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Die Mehrzahl von Biegebolzen erlaubt es, diese zum Stabilisieren der Rohrform mit den um sie herum gebogenen Rohrabschnitten in Kontakt zu belassen, so dass eine nachträgliche Verformung bereits fertig gebogener Abschnitte des Verdampferrohrs im Laufe der weiteren Fertigung ausgeschlossen ist. Die Genauigkeit, mit der gefertigt werden kann, ist daher im Wesentlichen nur durch die Genauigkeit eingeschränkt, mit der die Biegebolzen auf dem Werkstückträger platziert sind. Da jeder Biegebolzen einen von ihm umschlungenen Rohrabschnitt bis zum Abschluss des Verlegevorgangs fixiert und somit Fliehkräfte keinen verformenden Einfluss haben können, können die einzelnen Biegeschritte des Verlegevorgangs mit gleich bleibend hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden, was auch eine Beschleunigung der Fertigung gegenüber herkömmlichen Techniken ermöglicht.
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Da die Rohrzuführungseinrichtung in der Regel ortsfest ist, ist nach der Erfindung ein Roboter mit schwenkbarem Roboterarm vorgesehen, der den Werkstückträger trägt. Der Roboter weist ein Kopfstück auf, an dem der Werkstückträger um eine zu den Achsen der Biegebolzen parallele Drehachse drehbar montiert ist. Der Roboterarm ist so eingerichtet , dass das Kopfstück auf einer Kreisbahn von wählbarem Durchmesser bewegbar ist. Dabei ist die Achse der Kreisbahn zu der Drehachse des Kopfstücks parallel. Dadurch ist es möglich, diejenigen Biegebolzen, um die das Rohr jeweils als nächstes herum gebogen werden soll, in einem im Wesentlichen gleich bleibenden, geringen Abstand von der Rohrdüse zu platzieren.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Rohr in Schritt b) durch eine Rohrdüse zugeführt werden, wobei ein sich zwischen der Rohrdüse und einem Befestigungspunkt am Werkstückträger erstreckender Abschnitt des Rohrs mit einem der Biegebolzen in Kontakt gebracht wird und der Werkstückträger um eine Achse des Biegebolzens gedreht wird, um das Rohr um den Biegebolzen herum zu biegen.
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Für den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf ist es sinnvoll, wenn zwischen zwei Schritten des Herumbiegens des Rohrs um zwei Biegebolzen der Werkstückträger verschoben wird, um zusätzlich Rohr aus der Rohrdüse herauszuziehen. So lässt sich der Verlegevorgang zeitlich weiter optimieren.
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Um das fertig gebogene Wärmetauscherrohr von dem Werkstückträger zu lösen, kann vorgesehen werden, die Biegebolzen im Werkstückträger zu versenken. Hierfür müssen die Biegebolzen zurückdrängbar ausgestaltet sein.
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Nach der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn die Biegebolzen beim Andrücken des Werkstückträgers an eine Platte, vorzugsweise an die Trägerplatte, an der auch das fertig gebogene Rohr fixiert wird, in den Werkstückträger hinein zurückgedrängt werden. Hierfür können die Biegebolzen die Platte direkt berühren.
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Um zu verhindern, dass während des Verlegevorgangs ein bereits fertig gebogener Rohrabschnitt von dem von ihm umschlungenen Biegebolzen abgleitet, ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die Biegebolzen eine taillierte Umfangsfläche aufweisen. In diese kann sich das Rohr beim Biegen hineinschmiegen.
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Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren den Schritt des Erzeugens einer Klebstoffschicht zwischen dem Wärmetauscherrohr und der Trägerplatte. Klebeverbindungen brauchen keine oder nur geringe Vor- und Nacharbeiten und sind oft kostengünstiger. Bisher wurden die Wärmetauscherrohre auf eine Trägerplatte gelötet. Beim Löten ist in einer Vorbereitungsphase für eine geeignete Oberflächenrauhheit der aneinander zufügenden Bauteile zu sorgen, anschließend ist eine Fixierung der Fügeteile vorzunehmen, um mit dem Lötvorgang beginnen zu können. Diese Arbeitsphasen können nun entfallen.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Klebstoff zeitgleich mit dem Herausziehen des Rohres aus der Rohrdüse vorgenommen wird. Hierdurch wird ein weiterer erheblicher Zeitgewinn erzielt, da ein eigener Verfahrensschritt für die Aufbringung des Klebstoffs entfallen kann. Dazu wird vorzugsweise eine für dieses Verfahren geschaffene Vorrichtungsvariante benutzt, bei der benachbart zu einer ortsfesten Rohrdüse eine Klebstoffdüse zum Auftragen von Klebstoff auf aus der Rohrdüse austretendes Rohr angeordnet ist.
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Für eine effiziente Wärmeübertragung zwischen Wärmetauscherrohr und Trägerplatte sollte die Klebstoffschicht zwischen beiden möglichst dünn sein. Hierfür ist es zweckmäßig, das Wärmetauscherrohr zwischen dem Werkstückträger und der Trägerplatte zusammenzudrücken. Damit wird gleichzeitig die für den Wärmeaustausch zwischen Wärmetauscherrohr und Trägerplatte zur Verfügung stehende Fläche vergrößert.
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Um zu verhindern, dass die Biegebolzen beim Andrücken des Wärmetauscherrohrs an die Trägerplatte mit Klebstoff in Berührung kommen, ist es von Vorteil, wenn die Biegebolzen eine Spitze haben, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser eines der Grundplatte benachbarten, von dem Rohr umschlungenen Fußes ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Werkstückträgers;
- 2 einen schematischen Querschnitt durch den Werkstückträger, einen ihn haltenden Roboterarm und einen ortsfesten Rohrzuführungskopf;
- 3A bis 3D jeweils eine schematische Draufsicht auf den Rohrzuführungskopf und den Werkstückträger in verschiedenen Stadien der Fertigung des Wärmetauscherrohrs; und
- 4A bis 4C jeweils verschiedene Stadien der Anbringung des Wärmetauscherrohrs auf einer Trägerplatte eines Wärmetauschers.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkstückträgers. Der Werkstückträger umfasst eine Grundplatte 1, deren Abmessungen im Wesentlichen denen eines mit ihm zu fertigenden Verdampferrohrs entsprechen. Eine erste Klemmvorrichtung 2 an einer Schmalseite der Grundplatte 1 ist vorgesehen, um darin ein Anfangsstück eines in 1 nicht dargestellten auf der Grundplatte 1 zu verlegenden Rohrs zu klemmen. An den Längsseiten der Grundplatte sind Biegebolzen 3 in drei zueinander und zu den Längsseiten parallelen Reihen 4, 5 bzw. 6 angeordnet. Die Biegebolzen der Reihen 4, 5 sind gegeneinander versetzt angeordnet, so dass das Rohr zwischen Biegebolzen der Reihen 4 und 5 hin und her mäandernd verlegt werden kann. Indem das Rohr um unterschiedlich viele Biegebolzen der Reihen 4, 5 herumgelegt wird, können Verdampferrohre für Verdampfer von unterschiedlicher Höhe vorgeformt werden. Je nach Abmessung des zu fertigenden Verdampfers wird die eine oder andere von zwei an einer Längsseite der Grundplatte 1 angeordneten Klemmvorrichtungen 7 bzw. 8 zum Klemmen des hinteren Endes des Rohrs verwendet.
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Die Grundplatte 1 ist zur Reduzierung von Gewicht und Trägheitsmoment von einer Vielzahl von Schlitzen 9 durchzogen, die jeweils so platziert sind, dass ein auf der Grundplatte 1 verlegtes Rohr keinen der Schlitze 9 kreuzt, sondern auf Stegen 10 zwischen den Schlitzen 9 verläuft.
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Die Biegebolzen 3 umfassen jeweils einen im Wesentlichen flachzylindrischen Rollenkörper 11 mit einer umlaufenden Nut 12 und einen Schaft 13, der in der Grundplatte 1 in Richtung seiner Achse bzw. der Oberflächennormalen der Grundplatte 1 verschiebbar gehalten ist. Eine Spitze des Schafts 13 steht über den Rollenkörper 11 über. Unterhalb jedes Rollenkörpers 11 ist in der Grundplatte 1 eine Aussparung 14 (siehe 2) gebildet, die bemessen ist, um eine (nicht dargestellte) drückende Schraubenfeder und, in gestauchtem Zustand der Schraubenfeder, den Rollenkörper 11 aufzunehmen. In entspanntem Zustand hält die Schraubenfeder den Rollenkörper 11 in seiner in den 1 und 2 gezeigten, über die Oberseite der Grundplatte 1 vorspringenden Stellung.
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An einem der in dem Schnitt der 2 dargestellten Biegebolzen 3 ist ein herumgeschlungenes Rohr 15 gezeigt. Das Rohr 15 wird von einer Rohrdüse 16 in spitzem Winkel zur Oberfläche der Grundplatte 1 zugeführt. Eine vor dem Ausgang der Rohrdüse 16 platzierte Klebstoffdüse 17 trägt eine Raupe 18 aus Butylkleber auf das aus der Rohrdüse 16 austretende Rohr 15 auf.
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Die Rohrdüse 16 und die Klebstoffdüse 17 sind ortsfeste Komponenten eines Rohrbiegeautomaten, zu dem ferner ein die Grundplatte 1 unterstützender Roboter 19 gehört. Der Roboter 19 umfasst wenigstens einen in 2 nicht gezeigten Oberarm und einen Unterarm 20, die um eine vertikale Achse drehbar miteinander verbunden sind, sowie ein Kopfstück 22, an dem die Grundplatte 1 um eine zur Verschieberichtung der Biegebolzen 3 parallele und leicht um die Vertikale geneigte Achse 23 drehbar ist. Durch koordinierte Bewegungen von Ober- und Unterarm des Roboters 19 ist die Achse 23 bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem horizontal in zueinander orthogonalen Richtungen verschiebbar.
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Die Arbeitsweise der von dem Werkstückträger, dem Roboter 19 und den Düsen 16, 17 gebildeten Rohrbiegevorrichtung wird anhand der 3A bis 3D erläutert. 3A zeigt ein Anfangsstadium der Fertigung eines Verdampferrohrs. Das zum Beispiel von einer Rolle abgewickelte und über die Rohrdüse 16 zugeführte Rohr 15 ist in der Klemmvorrichtung 2 gehalten, und ein Abschnitt 24 des Rohrs erstreckt sich geradlinig zwischen der Klemmvorrichtung 2 und der Rohrdüse 16, wobei er einen Biegebolzen 3 der Reihe 4 berührt.
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In einem anschließenden Fertigungsschritt schwenkt der Oberarm 21 des Roboters um eine ortsfeste Achse 25, und gleichzeitig schwenkt der Unterarm 20 in Bezug zum Oberarm 21 so, dass das Kopfstück 22 einen Halbkreis 26 beschreibt, dessen Mittelpunkt der von dem Rohrabschnitt 24 berührte Biegebolzen ist. Gleichzeitig mit den Bewegungen von Ober- und Unterarm des Roboters 19 wird auch die Grundplatte 1 in Bezug zum Kopfstück 22 so gedreht, dass die Grundplatte 1 bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem eine Drehung um 180° beschreibt. So bleibt die Lage der Achse 23 im Raum während der Bewegung des Roboters unverändert. Im Laufe dieser Drehung legt sich das Rohr 15 um den Biegebolzen 3 herum, und es ergibt sich die in 3B gezeigte Konfiguration, in welcher die Düsen 16, 17 benachbart zu dem umschlungenen Biegebolzen 3 über der Grundplatte 1 platziert sind. Aufgrund des spitzen Winkels, den die Achse 23 mit der Vertikalen bildet, ist die Drehung möglich, ohne dass es zu einem Zusammenstoß zwischen den Düsen 16, 17 und den von der Grundplatte 1 überstehenden Biegebolzen 3 kommen kann.
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Als nächstes werden Ober- und Unterarm des Roboters 19 so geschwenkt, dass das Kopfstück 22 eine lineare Bewegung entsprechend dem Pfeil 27 in 3B beschreibt. Gleichzeitig wird die Grundplatte 1 in Bezug zum Kopfstück 22 so rotiert, dass sie ihre Orientierung im Raum beibehält. Dadurch wird zusätzliches Rohr geradlinig aus der Rohrdüse 16 herausgezogen, und wie in 3C gezeigt, berührt der neu herausgezogene Rohrabschnitt 28 einen Biegebolzen 3 der Reihe 5.
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In einem nächsten Schritt werden Drehungen der Arme 20, 21 und des Kopfstücks 22 so koordiniert, dass die Grundplatte 1 eine 180°-Drehung mit dem vom Rohrabschnitt 28 berührten Biegebolzen 3 als Mittelpunkt beschreibt, wodurch das Rohr 15 um diesen Biegebolzen 3 herum geschlungen wird. Durch eine anschließende Translation wird ein neuer Rohrabschnitt aus der Rohrdüse 16 herausgezogen, der an einem nächsten Biegebolzen 3 der Reihe 4 zur Anlage kommt. Dieser bildet den nächsten Drehmittelpunkt einer Bewegung der Grundplatte 1. Durch sukzessives Drehen und Verschieben der Grundplatte 1 wird das Rohr 15 um so viele Biegebolzen 3 der Reihen 4, 5 herum geschlungen, wie erforderlich.
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Wenn die für einen Plattenverdampfer mit gegebenen Abmessungen benötigte Anzahl von Rohrmäandem erhalten ist, wird das Rohr, wie in 3D gezeigt, um einen Biegebolzen 3 der Reihe 6 herum und zwischen diesem und einem benachbarten Biegebolzen 3 derselben Reihe hindurchgeführt. 3D zeigt die Konfiguration nach Herumführen des Rohrs 15 um einen Biegebolzen 3 an einem überstehenden Finger 29 der Grundplatte 1 und Verlegen des Rohrs entlang einer Längskante der Grundplatte 1 von dem Finger 29 bis zur Klemmvorrichtung 7. Zwischen dieser und der Rohrdüse 16 kann das Rohr nun durchtrennt werden, um die Formung des Verdampferrohrs abzuschließen.
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Da bis zum Abschluss der Formung sämtliche Biegebolzen 3, an denen das Rohr 15 gebogen worden ist, in Kontakt mit diesen bleiben, ist die erhaltene Form des Verdampferrohrs exakt fixiert, und Verformungen aufgrund von Reibung oder Fliehkräften sind ausgeschlossen.
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Die Grundplatte 1 mit dem darauf gehaltenen Rohr 15 wird nun gegenüber einer Trägerplatte 30 des zu fertigenden Verdampfers platziert und gegen diese gedrückt. Dabei kommen zunächst die überstehenden Spitzen der Schäfte 13 mit der Trägerplatte 30 in Kontakt, und die Biegebolzen 3 werden in die Aussparungen 14 der Grundplatte 1 zurückgedrängt, wie in 4B zu erkennen. Gleichzeitig wird das Rohr 15 aus den Nuten 12 der umschlungenen Rollenkörper 11 herausgedrückt.
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Indem die Grundplatte 1 und die Trägerplatte 30 weiter aufeinander zu bewegt werden, wird zunächst die Klebstoffraupe 18 zwischen dem Rohr 15 und der Trägerplatte 30 flachgedrückt, und schließlich wird auch das Rohr 15 selbst abgeflacht, wie in 4C zu erkennen, was den thermischen Kontakt zwischen ihm und der Trägerplatte 30 verbessert. Sobald der Klebstoff 18 hinreichend abgebunden ist, um das Rohr 15 auf der Trägerplatte 30 festzuhalten, kann der Werkstückträger entfernt werden, und der Plattenverdampfer ist fertig.