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Die
Erfindung betrifft ein Flachrohr für einen Wärmeübertrager, insbesondere einen
Kondensator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen
Wärmeübertrager
mit Flachrohren.
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Flachrohrwärmeübertrager
sind in vielen Ausführungsformen
und Anwendungen bekannt, sie werden insbesondere auch für die Motorkühlung und Klimatisierung
von Kraftfahrzeugen eingesetzt, z. B. als Kühlmittel/Luftkühler oder
als Kältemittel/Luftkondensator.
Bekannte Flachrohrwärmeübertrager
weisen einen gelöteten
Block aus Flachrohren und Wellrippen auf, der durch Umgebungsluft
gekühlt
wird. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeübergangsverhältnisse
auf der Innen- und der Außenseite
der Rohre, sind im Inneren der Flachrohre so genannte Turbulenzerzeuger
oder zusätzliche
Wärmeaustauschflächen in
Form einer Innenberippung angeordnet. Z. B. ist es durch die EP-B
0 219 974 bekannt, im Querschnitt eines Flachrohres eine Wellrippe
als Einlage anzuordnen, welche mit ihren Wellenkämmen mit der Innenseite des
Flachrohres verlötet
ist. Dadurch ergeben sich mehrere diskrete Strömungskanäle, eine größere Wärmeaustauschfläche und eine
Erhöhung
der Druckfestigkeit, weil durch die Verlötung der Wellrippe Zuganker
geschaffen werden. Bei Verwendung derartiger Flachrohrwärmeübertrager
als Kondensatoren ergeben sich zusätzliche Kondensatflächen. Nachteilig
bei dem bekannten Wärmeübertrager
mit durchgehender Innenwellrippe ist, dass die Kondensatablaufverhältnisse
ungünstig
sind, weil die Kondensatschicht erhebliche Dicken annimmt, welche
die Wärmeübertragung
behin dern. Aus der EP-A 1 281 928 ist ferner bekannt, Wellrippen
in ein zweiteiliges Flachrohr zu integrieren, indem eine Wand des
Flachrohres und die Wellung aus demselben Blech geformt werden.
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Durch
die EP-A 302 232 der Anmelderin ist ein einstückiges, d. h. aus einem Blech
hergestelltes, gelötetes
Flachrohr bekannt, bei welchem eine zickzack- oder mäanderförmige Turbulenzeinlage
durch Faltung in das Flachrohr integriert ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flachrohr der eingangs
genannten Art hinsichtlich seiner Wärmeübergangsverhältnisse
auf der Rohrinnenseite, z. B. auf der Kühlmittel- oder Kältemittelseite
zu verbessern, gegebenenfalls eine hinreichende Innendruckfestigkeit
beizubehalten und unter Umständen
eine kostengünstige
Herstellung zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Einlage aus einem Blechband besteht, aus welchem eine Vielzahl
von Strukturelementen angeschnitten und aus der Ebene des Blechbandes
herausgedreht werden. Die Strukturelemente ragen somit zu beiden
Seiten von dem Blechband ab, stützen
sich gegenüber
der Innenwand des Flachrohres ab und positionieren das Blechband
somit etwa in der Mitte des Flachrohres. Die Strukturelemente bilden
in die Strömung
des Flachrohres hineinragende Strömungsleitflächen, welche jeweils in quer
verlaufenden Reihen und in Strömungsrichtung
hintereinander angeordnet sind. Durch diese Vielzahl von Strukturelementen
ergibt sich eine unterbrochene Struktur, durch welche die Strömung immer
wieder angeschnitten wird, sodass zunehmende Grenzschichtdicken
oder wachsende Kondensatfilme vermieden werden können. Darüber hinaus ergeben sich keine
durchgehenden Kanäle
im Flachrohr, da das Blechband eine Vielzahl von Öffnungen
bzw. Fenstern aufweist, aus welchen die Strukturelemente herausgeschnitten
sind. Auch dadurch ergeben sich zusätzliche Anströmkanten.
Die Strukturelemente werden mit der Innenseite des Flachrohres verlötet und
bilden somit Zuganker. Insgesamt wird mit der erfindungsgemäßen Einlage
der Vorteil verbesserter Wärmeübergangsverhältnisse,
insbe sondere verbesserter Kondensatablaufeigenschaften, verbunden
mit einer hinreichenden Innendruckfestigkeit erreicht.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Verdrehwinkel
der Strömungsleitflächen variiert
werden, und zwar in einem Bereich von etwa 60 bis 90 Grad, wobei
bei 90 Grad die stärkste
Zugankerwirkung, bei 60 Grad dagegen eine größere Wärmeaustausch- oder Kondensatfläche erreicht
wird.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Strukturelemente
als etwa rechteckförmige
Strömungsleitflächen ausgebildet,
welche über
zwei verdrillte Stege mit dem Blechband verbunden sind. Die Strömungsleitflächen bleiben also
im Wesentlichen eben, während
die länglichen Stege
den Torsionswinkel α durch
eine plastische Verdrillung aufnehmen. Die Strömungsleitflächen sind in Richtung der Strömung ausgerichtet,
weisen daher keinen Anstellwinkel zur Strömung auf und besitzen daher
auch nur einen geringen Strömungswiderstand.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Blechband als Gitterstruktur mit Querstegen ausgebildet, an welche
die Strukturelemente über
die verdrillten Stege angebunden sind. Damit erreicht man den Vorteil
einer stabilen, handhabbaren Einlage. Darüber hinaus ist es aufgrund
dieser Gitterstruktur möglich,
die Strukturelemente einschließlich
der Stege aus einer Blechplatine herauszustanzen und zu verdrehen.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die hintereinander
liegenden Strukturelemente versetzt gegeneinander angeordnet oder weisen
einen entgegengesetzten Neigungswinkel (bedingt durch einen entgegengesetzen
Verdrehwinkel) auf. Damit wird der Vorteil einer erhöhten Turbulenz
des Strömungsmediums
und einer verbesserten Wärmeübertragung
und gegebenenfalls eine stabile Verspannung der Strukturelemente
gegen die Rohrwand erreicht.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Flachrohr
einstückig,
z. B. als geschweißtes
Flachrohr ausgebildet, und die Einlage wird als separates Teil in
das Flachrohr hineingeschoben. Dabei erweisen sich die aus der Ebene
des Blechbandes ausgestellten Strukturelemente insofern als vorteilhaft,
als sie eine gewisse Elastizität
gegen Verformung aufweisen und daher beim Einschieben in das Rohr
an der Innenwandung des Flachrohres anliegen. Dies ergibt eine gleichmäßige, d.
h. vollständige
Verlötung
aller Strukturelemente mit der Innenseite des Flachrohres. Dies
ist einerseits wegen der Festigkeit (Zugankerwirkung) vorteilhaft
und andererseits wegen der übertragbaren
Wärmeleistung – nur eine
mit allen Strukturelementen verlötete
Einlage kann die volle Leistung übertragen.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind an den Strömungsleitflächen in
Einschubrichtung, also auf der Seite, die beim Einschieben auf das
Flachrohrende trifft, Abschrägungen
vorgesehen, die eine leichtes Einführen der Einlage ohne Haken
und Klemmen erlaubt. Damit weichen die Strukturelemente beim Einschieben
nach innen aus und erzeugen gleichzeitig den für die spätere Verlötung erforderlichen Anpressdruck.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Flachrohr
zweistückig,
z. B. in Form von zwei Halbschalen ausgebildet, während die
Einlage seitliche Ränder
aufweist, die zwischen die Halbschalen im Bereich der Längsnähte gelegt
und eingelötet
werden. Damit erreicht man den Vorteil einer einfachen Montage und
einer sicheren Verlötung, da
die Strukturelemente zwischen den Halbschalen eingespannt sind und
eine allseitige Anlage sichergestellt ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Flachrohr als einstückiges Falzrohr
mit einem seitlichen, vorzugsweise nach innen gerichteten und/oder
offenen Falz an der Schmalseite ausgebildet, sodass die Einlage
sowohl stirnseitig als auch von der Seite her eingeschoben werden
kann. Anschließend
erfolgt die Verlötung, wobei
das Blechband für
die Flachrohre beidseitig lotplattiert ist. Die Einlage selbst,
die im Übrigen
aus einem dünneren
Blechband herstellbar ist, weist unter Umständen keine Lotplattierung auf.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind das Flachrohr
und die Einlage einstückig,
d. h. aus einem Blechband herstellbar. Aus dem gemeinsamen Blechband
wird zuvor die Einlage durch Austanzen und Verdrehen der Strukturelemente
hergestellt, anschließend
erfolgt eine Faltung des Bleches, entweder in S-Form oder in B-Form,
sodass ein geschlossener Flachrohrquerschnitt mit einem oder zwei
seitlichen Falzen entsteht, welche anschließend zusammen mit der Einlage
gelötet
werden. Diese einstückige
Lösung
hat den Vorteil, dass kein Einschieben oder Einlegen, verbunden
mit einem Positionieren der Einlage, erforderlich ist, da die Einlage
selbst Teil des Rohres ist und somit durch den Falz- und Lötvorgang
automatisch richtig positioniert wird.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Flachrohr
und Einlage einstückig
ausgebildet, allerdings mit unterschiedlicher Wandstärke. Man
erzielt dadurch den Vorteil, dass die Rohrwandstärke größer und die Wandstärke der Einlage
kleiner gehalten werden kann, was an die jeweilige Funktion und
Beanspruchung angepasst ist. Der Herstellvorgang ist im Wesentlichen
der gleiche wie bei den zuvor beschriebenen einstückigen Ausführungsformen,
jedoch unter Verwendung von Blechbändern unterschiedlicher Wandstärke, d.
h. so genannter tailored blanks.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 eine
erfindungsgemäße Einlage
mit Stanzmuster,
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2 einen
Teil der Einlage gemäß 1 mit
einem ausgestellten Strukturelement,
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3 ein
Flachrohrende mit eingeschobener Einlage,
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4 ein
einstückiges
geschweißtes
Flachrohr mit Einlage,
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5 ein
zweistückiges
Flachrohr mit eingelöteter
Einlage,
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6 ein
einstückiges
Falzrohr mit eingesetzter Einlage,
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7 ein
einstückig
mit der Einlage ausgebildetes Falzrohr mit zwei Falzen,
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8 ein
einstückig
mit der Einlage ausgebildetes Falzrohr mit einem Falz,
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9 ein
einstückig
mit der Einlage ausgebildetes Falzrohr mit zwei Falzen und geringerer Wandstärke für die Einlage,
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10 ein
einstückig
mit der Einlage ausgebildetes Falzrohr mit einem Falz und geringerer Wandstärke für die Einlage,
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11 einen
Schnitt durch ein Flachrohr mit Einlage (Schnittebene XI),
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12 einen
weiteren Schnitt durch das Flachrohr mit Einlage (Ebene XII);
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13 eine
vorgestanzte Einlage,
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14 ein
fertig gestanztes Einlagegitter in einer Draufsicht und
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15 das
Einlagegitter als Schnitt in der Ebene XV.
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1 zeigt
als erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung eine Einlage 1 mit einem Stanzmuster für eine Vielzahl
von Strukturelementen 2. Die Einlage 1 besteht
aus einem ebenen dünnen
Blechband, auf welchem die Umrisskonturen der Strukturelemente 2 in
Reihen I, II, III nebeneinander und hintereinander angeordnet sind,
wobei die Strukturelemente 2 der Reihe II versetzt gegenüber den
Strukturelementen in Reihe I und III angeordnet sind. Ein Strukturelement 2 weist
eine Strömungsleitfläche 2a,
zwei Stege 2b, 2c sowie zwei Abschrägungen bzw.
Fasen 2d auf.
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2 zeigt
einen Ausschnitt der Einlage 1 mit einem ausgestellten
Strukturelement 2. Die Einlage 1 weist einen im
Wesentlichen ebenen Bereich 3 auf, aus welchen das Strukturelement 2 zunächst (durch
Stanzen) angeschnitten und anschließend um einen Winkel α aus der
Ebene 3 herausgedreht wird. Der Winkel α beträgt beispielsweise bis zu 90
Grad, vorzugsweise jedoch etwas weniger. Das Strukturelement 2 ist
mit seiner Strömungsleitfläche 2a über die
beiden Stege 2b, 2c mit der Ebene 3 des
Blechbandes körperlich
verbunden. Die Drehung des Strukturelementes 2 erfolgt
um eine Drehachse α, welche
in der Ebene 3 liegt und die gemeinsame Längsachse
der beiden Stege 2b, 2c bildet. Durch das Herausdrehen
des Strukturelementes 2 mit einer ebenen Strömungsleitfläche 2a werden
die Stege 2b, 2c um den Winkel α auf ihre
Länge verdreht,
wobei es sich um eine plastische Verformung handelt, damit die Fläche 2a stehen
bleibt. Die Strömungsleitfläche 2a ist
an ihren äußeren parallel
zur Drehachse a verlaufenden Rändern
abgewinkelt, sodass dort Randstreifen 2e für die Verlötung mit
dem Flachrohr gebildet werden. Die Drehachse a liegt in Strömungsrichtung
des Strö mungsmediums,
welches die Einlage 1 umströmt. Die Strömungsleitfläche 2a liegt daher
parallel zur Strömungsrichtung,
die durch einen Pfeil P angedeutet ist. Abschrägungen 2d, welche
bei allen Strukturelementen vorgesehen sind, erleichtern das Einschieben
der Einlage 1 in ein Flachrohr.
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3 zeigt
ein solches Flachrohr 4 mit seiner Stirnseite 4a,
die hier vereinfacht als Rechteck mit zwei parallelen kurzen und
zwei parallelen langen Seiten dargestellt ist. Der Querschnitt 4a ist
durch die Einlage 1 ausgefüllt, wobei sich die Ebene 3 in
der Mittelebene des Flachrohres 4 befindet, abgestützt durch
die ausgestellten Strukturelemente 2, die über ihre
Randstreifen 2e mit den Innenflächen des Flachrohres 4 verlötet sind.
Durch die Verlötung
der Strukturelemente mit dem Flachrohr wird einerseits ein guter
Wärmeübergang
und andererseits eine Zugankerwirkung erzielt. Wie bereits erwähnt, kann
der Winkel α etwas
geringer als 90 Grad gewählt
werden, dadurch wird eine federnde Wirkung der Strukturelemente
beim Einschieben in das Flachrohr 4 und eine sichere Anlage
der Randstreifen 2e erreicht.
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4 zeigt
in einer genaueren Darstellung ein Flachrohr 5 im Querschnitt,
welches aus einem beidseitig lotplattierten Aluminiumblech hergestellt und
an einer Schmalseite durch eine Schweißnaht 6 geschlossen
ist. Im Flachrohr 5 ist eine Einlage 7 angeordnet,
welche der oben beschriebenen Einlage 1 grundsätzlich entspricht,
unten jedoch doch noch genauer erläutert wird. Die Einlage 7,
welche fünf schräg ausgestellte
Strukturelemente 7a bis 7e aufweist, wird von
der Stirnseite in das Flachrohr eingeschoben und anschließend mit
der Innenseite des Flachrohres 5 verlötet.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform für ein Flachrohr 8,
welches zweistückig
ausgebildet und aus zwei Halbschalen 8a, 8b zusammengesetzt ist.
Zwischen die Halbschalen 8a, 8b, die jeweils an den
Schmalseiten einen Falz 9, 10 bilden, ist eine Einlage 11 eingelegt,
die seitlich durch Randstreifen 11a, 11b verlängert und
in die Falze 9, 10 eingelötet ist.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit
einem einstückigen
Flachrohr 12, welches als Falzrohr mit einem Falz 13 ausgebildet
ist. In das Falzrohr 12 ist eine Einlage 14 eingeschoben – von vorne
oder von der Seite – und
mit dem Flachrohr 12 verlötet. Bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen
gemäß 4 bis 6 ist
die Wandstärke
des Flachrohres jeweils größer als
die der Einlagen, weil es sich um separat herstellbare Teile handelt.
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7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit
einem Flachrohr 15, welches mit einer Einlage 16 einstückig ausgebildet
und derart S-förmig
gefaltet ist, dass sich an den beiden Schmalseiten jeweils ein Falz 17, 18 ergibt,
wo das Flachrohr verlötet
ist. Die Herstellung erfolgt aus einem Blechband gleicher Wandstärke, wobei
zunächst
die Einlage 16 gestanzt und anschließend das Flachrohr 15 gefaltet
wird. Das Blechband ist beidseitig lotplattiert, sodass eine Verlötung an
den Falzen 17, 18 und auch mit den Strukturelementen
der Einlage 16 stattfindet.
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit
einem Flachrohr 19, welches einstückig mit einer Einlage 20 ausgebildet
ist. Die Faltung erfolgt etwa in B-Form, sodass sich an einer Schmalseite
ein Falz 21 ergibt. Die Wandstärke für die Einlage 20 und
das Flachrohr 19 sind gleich.
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9 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit
einem Flachrohr 22, welches einstückig mit einer Einlage 23 ausgebildet
ist, die jedoch eine geringere Wandstärke als das Flachrohr 22 selbst
aufweist. Die Faltung des Flachrohres 22 erfolgt ähnlich wie
beim Ausführungsbeispiel
gemäß 7,
d. h. in S-Form. Die unterschiedliche Wandstärke wird dadurch möglich, dass
als Ausgangsmaterial ein Blechband mit verschiedenen Wandstärken verwendet
wird, wobei das Blechband zwei äußere Streifen
mit der größeren Wandstärke des
Flachrohres und einen mittleren Streifen mit der geringeren Wandstärke der
Einlage 23 aufweist.
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10 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für ein
Flachrohr 24, welches einstückig mit einer Einlage 25 geringerer
Wandstärke
hergestellt ist, wobei eine B-förmige
Faltung – ähnlich dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 8 – erfolgt.
In diesem Falle wird ein Blechband mit einem äußeren Streifen mit geringerer
Wandstärke
und einem breiten Streifen mit größerer Wandstärke verwendet,
welcher nach dem Stanzen der Einlage 25 gefaltet und verlötet wird.
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Anhand
der 11 bis 15 wird
die Herstellung der erfindungsgemäßen Einlage erläutert.
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11 zeigt
einen ersten Querschnitt in einer Ebene XI (vgl. 13)
eines Flachrohres 26 mit einer Einlage 27, deren
Strukturelemente 28 um einen Winkel α1 (kleiner
90 Grad) geneigt und mit der Innenwand des Flachrohres 26 verlötet sind.
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12 zeigt
einen zweiten Querschnitt des Flachrohres 26 in einer Ebene
XII (vgl. 13) mit derselben Einlage 27,
jedoch Strukturelementen 29 (einer benachbarten Reihe)
mit einem entgegengesetzten Winkel α2, d.
h. die Strukturelemente 29 sind um denselben Betrag in
die entgegengesetzte Richtung geneigt, wie die Strukturelemente 28.
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13 zeigt
eine vorgestanzte Einlage 27', allerdings
nur den linken Teil der vollständigen
Einlage. Ausgangsmaterial ist eine ebene Blechplatine mit dem Zuschnitt
der vorgestanzten Einlage 27',
aus welcher für
jedes der Strukturelemente 28', 29' vier rechteckförmige Öffnungen a, b, c, d ausgestanzt sind.
Zwischen je zwei Austanzungen a, b und c, d ist ein Steg s vorgesehen.
Die Linien m sind Mittellinien der hintereinander angeordneten Strukturelemente 28', 29' und gleichzeitig
Drehachsen, um welche die ausgeschnitten Strukturelemente 28', 29' aus der Platine 27' herausgedreht
werden. In der Einlage 27' sind
die noch nicht ausgestanzten Strukturelemente 28', 29' mit ihren in
der Zeichenebene liegenden Schnitt- und Biegekanten dargestellt.
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14 zeigt
die fertig gestanzte Einlage 27, ein so genanntes Einlagegitter,
welches einen umlaufenden Rahmen 30 und Querstege 31 aufweist (14 zeigt
nur den rechten Teil des gesamten Einlagegitters 27). Zwischen
den Querstegen 31 sind die Strukturelemente 28, 29 angeordnet,
welche aus der Platine 27' ausgestanzt
und aus der Zeichenebene herausgedreht wurden, sodass sie jeweils – wie in den 11, 12 dargestellt – in einer
Reihe den Winkel α1 und in der anderen Reihe den Winkel α2 bilden.
Mit dem Ausstanzen der Strukturelemente 28, 29 werden
auch Randstreifen 28a, 28b sowie 29a, 29b abgekantet,
welche beim Einschieben der Einlage mit der Innenwand des Flachrohres 26 zur
Anlage kommen. (Diese Streifen sind auch bereits in 13 angedeutet).
Die Strukturelemente 28 sind über die Stege s, welche durch
das Herausdrehen verdrillt wurden, mit den Querstegen 31 verbunden.
Durch das Austanzen und Herausdrehen der Strukturelemente 28, 29 sind
Fenster 32 im Einlegegitter 27 entstanden, welche
einen Durchtritt des Strömungsmediums
von einer Seite auf die andere und umgekehrt erlauben.
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15 zeigt
das fertige Einlagegitter 27 in einem Schnitt entlang der
Linie XV-XV, d. h. es sind nur der äußere Rahmen 30 und
die Querstege 31 geschnitten, während die Strukturelemente 28, 29 als Ansicht
erscheinen. Man erkennt, dass die Strukturelemente 28, 29 nur
an den verdrillten Stegen s an den Querstegen 31 des Einlagegitter 27 angebunden sind.
Die Randstreifen 28a, 28b sind an beiden Enden
leicht abgewinkelt und bilden dort Anlaufschrägen 28c, 29c – dadurch
wird ein Einschieben des Einlagegitters 27 in das Flachrohr 26 erleichtert.
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Die
Herstellung des Einlagegitters, welches einstückig mit dem Flachrohr ausgebildet
ist, erfolgt prinzipiell auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben.
An das Einlagegitter schließen
seitlich eine oder zwei Blechpartien für die anschließende Faltung
des Flachrohres gemäß den obigen
Ausführungsbeispielen
in den 7 bis 10 an.