DE102006008857A1 - Wärmetauscher und Herstellungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bestehend aus wenigstens einem Rohr und wenigstens einer Lamelle, zum Wärmaustausch zwischen einem ersten Kühlmittel und einem zweiten Kühlmittel, das zur Kühlung eines rotierenden Maschinenelements dient. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein geeignetes Herstellungsverfahren für den Wärmetauscher.
- Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Wärmetauscher bekannt, die oft auch ringförmig ausgebildet sind. Bei den meisten Anwendungen dienen ringförmige Wärmetauscher dazu, ein durch die Flachrohre desselben strömendes erstes Kühlmittel mittels Kühlluft zu kühlen, die von einem Ventilator oder dergleichen von innen nach außen (oder umgekehrt) durch zwischen den Flachrohren angeordnete Kühlrippen geblasen wird.
- Ebenfalls in den meisten Fällen sind die Flachrohre über ihre Schmalseiten gebogen worden, damit man mehrere Flachrohre nebeneinander anordnen und dazwischen die Lamellen oder die Kühlrippen für die radial strömende Kühlluft anbringen kann. Eines von zahlreichen weiteren Beispielen wurde in der
DE 37 21 257 C2 beschrieben. - Man hat aber auch schon einen ringförmigen Wärmetauscher vorgeschlagen, dessen Flachrohre über ihre Breitseiten gebogen wurden, was fertigungstechnisch einfacher auszuführen ist. In diesem Fall strömt die Kühlluft allerdings axial durch die zwischen den Flachrohren angeordneten Lamellen. Ein solches Beispiel kann der
DE 3 104 945 ,4 , entnommen werden. - Oftmals hat man ringförmige Wärmetauscher mir runden oder leicht ovalen Rohren ausgerüstet, die sich einfacher biegen lassen als Flachrohre. Die Lamellen sind dort gewöhnlich Flachrippen, die Öffnungen besitzen, durch die hindurch die Rohre vor dem Biegen gesteckt worden sind. Bei runden Rohren sind die am Wärmetausch beteiligten Flächen kleiner als bei flachen Rohren, weshalb sich der Wirkungsgrad verschlechtert.
- Rotierende Maschinenelemente können beispielsweise Kupplungen oder Bremsen sein, die einen Kühlbedarf haben. Angesprochen sind beispielsweise solche – häufig als Nasskupplungen bezeichneten – Drehmomentübertragungsorgane, die durch einen Kühlmittelsumpf, meistens Öl, laufen und die durch ihre Rotation das Kühlmittel wegschleudern. Das Kühlmittel läuft dann beispielsweise an der Gehäusewand zurück in den Sumpf und kann sich dort abkühlen. Es gibt auch auf diesem Gebiet zahlreiche Veröffentlichungen.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wärmetauscher zur Kühlung eines von einem rotierenden Maschinenelement weggeschleuderten Kühlmittels zur Verfügung zu stellen, mit dem eine effiziente Kühlung erreicht werden kann. Es soll demnach ein Beitrag dazu geleistet werden, dass die Leistungsübertragung mittels des Maschinenelements bei kleinem Bauraum gesteigert werden könnte.
- Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich bezüglich des Wärmetauschers aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren befindet sich im Anspruch 11.
- Der Wärmetauscher besteht aus wenigstens einem Rohr, vorzugsweise einem Flachrohr, und aus wenigstens einer Lamelle und dient zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Kühlmittel, welches durch das Flachrohr strömt und einem zweiten Kühlmittel, welches unter Einwirkung von Fliehkräften den Wärmetauscher benetzt. Das zweite Kühlmittel wird dadurch gekühlt und steht zur weiteren Kühlung eines rotierenden Maschinenelements zur Verfügung, welches in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher etwa ringförmig ausgebildet ist, das rotierende Maschinenelement im Wesentlichen umgibt und in dem Gehäuse integriert ist.
- Ein solchermaßen ausgebildeter und angeordneter Wärmetauscher ermöglicht eine aktive und effektive Kühlung des zweiten Kühlmittels und leistet somit sowohl einen Beitrag, um die Leistungsübertragung mittels des rotierenden Maschinenelements steigern zu können, als auch einen Beitrag, um die Menge bzw. den Raumbedarf des zweiten Kühlmittels bei gleicher Leistung reduzieren zu können. Die bei einer größeren Leistungsübertragung anfallenden größeren, hauptsächlich durch Reibung hervorgerufenen, Verlustwärmemengen werden wirksam auf das erste Kühlmittel übertragen und abgeführt. Der Raumbedarf des ringförmigen Wärmetauschers im Gehäuse ist relativ klein. Der Ausdruck „ringförmig" soll im Sinne des vorliegenden Vorschlags nicht nur kreisförmig bedeuten sondern vielmehr jeden Konturverlauf umfassen, der geeignet ist, das rotierende Maschinenelement im Wesentlichen zu umgeben. Etwa die Hälfte des Umfangs des Maschinenelements sollte mindestens von dem Wärmetauscher eingefasst sein. Vorzugsweise erstreckt sich der Wärmetauscher jedoch um wenigstens nahezu den gesamten Umfang des Maschinenelements und ist in dessen Gehäuse integriert.
- Nach einem vorteilhaften Aspekt wird weiter vorgesehen, dass das wenigstens eine Flachrohr über seine Breitseiten gebogen ausgebildet ist, wobei an der nach innen weisenden Breitseite die Lamelle angeordnet ist. Es handelt sich dabei um die Seite, die von dem zweiten Kühlmittel benetzt wird. Das Biegen von Flachrohren über die Breitseiten ist bekanntlich einfacher zu bewerkstelligen. Die Breitseiten des Flachrohrs sind somit etwa parallel zur Rotationsachse des Maschinenelements angeordnet.
- Es ist ohne weiteres möglich, mehrere nebeneinander liegende über die Breitseiten gebogene Flachrohre einzusetzen.
- Es ist auch möglich, eines oder mehrere Flachrohre mit in den Abständen zwischen den Flachrohren angeordnete Rippen einzusetzen, wobei die Flachrohre über ihre Schmalseiten gebogen sind.
- Nach einem anderen Aspekt wird vorgesehen, dass die Lamelle mit einer mit Öffnungen versehenen Verkleidung versehen ist, die sich etwa parallel zur Breitseite des Flachrohres erstreckt und die Lamelle abdeckt. Es handelt sich bei der Verkleidung beispielsweise um einen Blechstreifen. Damit wird die Intensität des Wärmetausches gesteigert.
- Die Öffnungen sind so ausgebildet und angeordnet, dass das zweite Kühlmittel bis an die Lamelle und bis an die Breitseite des Flachrohres strömen und wieder aus der Lamelle herausströmen kann. Das Kühlmittel kann auch an den Schmalseiten der Lamelle bzw. an deren Längsränder herausströmen, denn die Ränder müssen nicht von der Abdeckung umfasst sein. Dadurch wird die Verweilzeit des zweiten Kühlmittels in der Lamelle bzw. am Flachrohr verlängert, und es kann intensiver gekühlt werden.
- Das zweite Kühlmittel strömt in einen Sumpf oder dergleichen Auffangwanne, in der es von dem rotierenden Maschinenelement erreichbar ist.
- An wenigstens einem Ende des wenigstens einen Flachrohrs ist eine Endkammer zur Zu- bzw. Abführung des ersten Kühlmittels angeordnet.
- Vorzugsweise ist an beiden Enden des wenigstens einen Flachrohrs eine Endkammer angeordnet.
- Es ist darüber hinaus ebenfalls von Vorteil, wenn an wenigstens einer der Endkammern Laschen oder dergleichen Verbindungselemente angeordnet sind, um beide Endkammern miteinander zu verbinden.
- Es ist herstellungsmäßig günstig, wenn das mindestens eine Flachrohr, in dem das erste Kühlmittel strömt, entweder ein gelötetes bzw. geschweißtes Flachrohr mit einem Inneneinsatz ist, oder ein mittels Strangpressverfahren hergestelltes Flachrohr. Die Lamelle weist einen wellenartigen Konturverlauf auf, mit zahlreichen versetzt angeordneten Schnitten in den Wellenflanken, wobei der Wellenverlauf senkrecht oder geneigt zur Ersteckungsrichtung des Rohres vorgesehen ist. Solche Lamellen sind aus dem Bereich „Ölkühlung" an und für sich bekannt. Diese Lamelle wirkt mit der oben beschriebenen Verkleidung zusammen. Die Verkleidung ist vorzugsweise ein Abdeckblech welches gemeinsam mit der Lamelle und dem Rohr verlötet wird.
- Das Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers aus wenigstens einem flachen Rohr und wenigstens einer Lamelle weist folgende Verfahrensschritte auf:
- a) an die Breitseite des wenigstens einen flachen Rohres wird eine Lamelle angesetzt;
- b) Endkammern werden am Ende des flachen Rohres angebracht;
- c) die Teile werden metallisch verbunden;
- d) ein Biegevorgang wird ausgeführt, um einen ringförmigen Wärmetauscher zu erzeugen;
- e) der ringförmige Wärmetauscher wird in ein Gehäuse eingefügt, um das Kühlmittel eines rotierenden Maschinenelements zu kühlen.
- Der Schritt a) kann das Ansetzen einer mit Öffnungen versehenen Verkleidung an die Lamelle umfassen.
- Die Endkammern können im Zuge der Montage miteinander verbunden werden.
- Die Erfindung wird im Folgenden in einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In dieser Beschreibung können weitere vorteilhafte Merkmale und Wirkungen enthalten sein.
- Die
1 zeigt prinzipiell die Integration des Wärmetauschers im Gehäuse. Die2 zeigt drei Ausschnitte aus dem Wärmetauscher mit unterschiedlichen Rohren. Die3 zeigt den ringförmigen Wärmetauscher in perspektivischer Darstellung. Die4 und5 zeigen Details im Bereich der Endkammern des Wärmetauschers. Die6 zeigt drei mögliche Anordnungen der Lamelle. Die7 zeigt mögliche Ausbildungen der Verkleidung. - Der im Ausführungsbeispiel gezeigte Wärmetauscher besteht aus einem einzigen Flachrohr
1 und einer Lamelle2 . Das Flachrohr1 wurde über die Breitseiten10 ringförmig gebogen, wobei im Ausführungsbeispiel eine etwa kreisringförmige Gestaltung gezeigt ist, wobei die Formgestaltung allerdings nahezu beliebig anpassbar sein kann. Ein günstiger Herstellungsablauf des Wärmetauschers sieht vor, dass zunächst ein gerades Flachrohr1 mit einer Lamelle2 zusammengefügt wird. In dem Flachrohr1 kann sich gemäß der linken Darstellung a in der2 ein Inneneinsatz befinden. Die mittlere Darstellung b soll ein stranggepresstes Mehrkammerrohr sein und die rechte Darstellung c ist ein Flachrohr mit einem inneren Steg. - An den Enden des Flachrohres
1 wird je eine Endkammer30 sowie ein Einlassstutzen31 an der einen Endkammer30 und ein Auslassstutzen32 an der anderen Endkammer30 angesetzt. Je nach vorgesehenem Durchströmungsmuster des Flachrohres1 könnte jedoch auch eine einzige Endkammer30 mit einer Trennwand an einem Ende des Flachrohrs1 vorgesehen werden. Das andere Ende des Flachrohres1 wäre dann einfach verschlossen, wobei im Flachrohr dann ein Hinweg und ein Rückweg für das erste Kühlmittel ausgebildet sein würde. Dann wird eine Lamelle2 an einer Breitseite10 des Flachrohres1 angelegt. Ferner kann ein Abdeckstreifen21 als Verkleidung, ebenfalls aus Aluminiumblech, an der anderen Seite der Lamelle2 hinzugefügt bzw. angesetzt werden. Der Abdeckstreifen21 läuft etwa parallel zu den Breitseiten10 des Flachrohres1 , und er weist zahlreiche Öffnungen20 auf. Die Konstruktion wird anschließend in einem Hartlötprozess miteinander verbunden. Danach wird die Konstruktion im Wesentlichen mittels Biegens, mittels eines an sich bekannten Streckbiegeverfahrens, in die benötigte Form gebracht. Die3 zeigt einen Wärmetauscher mit etwa kreisrunder Form. Die Form könnte aber auch oval sein oder Absätze aufweisen, wobei das Streckbiegeverfahren durch entsprechende Arbeitsschritte ergänzt wird, um die Absätze zu schaffen. (nicht gezeigt) - In der
1 wurde ein Ausschnitt aus der Gesamtkonstruktion dargestellt, aus dem ein Teil des Gehäuses4 und auch ein Teil des rotierenden Maschinenelements3 erkennbar ist. Das Gehäuse4 umgibt das rotierende Maschinenelement3 . Der Wärmetauscher ist in das Gehäuse4 eingesetzt und befestigt worden. Die nach innen zeigende Breitseite10 , an der sich die Lamelle2 und (im Ausführungsbeispiel) auch das Abdeckblech21 befinden, weist auf das rotierende Maschinenelement3 . - Die Ein- und Auslassstutzen
31 ,32 für das erste Kühlmittel können außerhalb des Gehäuses4 mit einer Schlauchverbindung oder dergleichen angeschlossen werden. (nicht gezeigt) Auch nicht gezeigt wurde ein Ölsumpf, in den das rotierende Maschinenelement3 eintaucht. Das Öl ist das zweite Kühlmittel, welches das rotierende Maschinenelement3 kühlt. Durch die Rotation wird das Öl weggeschleudert, was in der1 mittels lediglich einiger Tropfen12 angedeutet sein soll. Das zu kühlende Öl strömt durch die Öffnungen20 in den Raum, in dem sich die Lamelle2 befindet, wird intensiv gekühlt und strömt anschließend wieder nach unten in den nicht gezeigten Sumpf. - An den Endkammern
30 befinden sich Laschen33 , die miteinander verbunden werden können, sodass eine relativ stabile Wärmetauscherkonstruktion entsteht. Näheres dazu zeigen die4 und5 . Die Verbindung zwischen den Laschen33 kann beispielsweise mittels „Clinchen" erfolgen. Solche Verbindungen sind als so genannte Tox-Verbindungen in Fachkreisen bekannt. Beide Laschen liegen übereinander. Dann wird der unter der Stempelstirnfläche befindliche Werkstoff in eine Hinterschneidung in der unten liegenden Lasche gedrückt. Gezeichnet wurden lediglich zwei Tox-Punkte35 . Diese Verbindungsart ist einfach, schnell und zuverlässig. - Die
6 zeigt, dass als gewellte Lamelle2 eine solche aus dem Bereich Ölkühlung zum Einsatz kommt. In der linken Darstellung verläuft die Anordnung der Wellen in horizontaler Richtung. In der mittleren Darstellung laufen die Wellen vertikal, also in Erstreckungsrichtung des Flachrohres1 . In der rechten Darstellung ist die Wellenlaufrichtung um etwa 45° geneigt zur Längsrichtung vorgesehen worden. Mit solchen einfachen und kostengünstigen Maßnahmen kann auf den Wärmetausch in gewünschter Weise eingewirkt werden. Die7 zeigt drei beispielhafte Abbildungen, die sich durch die Form und Anordnung der Öffnungen20 unterscheiden. Auch der Flächenanteil der Öffnungen20 zum Rest der Verkleidung21 kann unterschiedlich sein. Es soll bewirkt werden, dass das Öl längere Zeit in Kontakt mit der Lamelle2 und mit dem Flachrohr1 bleibt.
Claims (13)
- Wärmetauscher, bestehend aus wenigstens einem Rohr (
1 ) und wenigstens einer Lamelle (2 ), zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Kühlmittel welches durch das Rohr (1 ) strömt und einem zweiten Kühlmittel welches unter Einwirkung von Fliehkräften den Wärmetauscher benetzt, um gekühlt zu werden und zur weiteren Kühlung eines rotierenden Maschinenelements (3 ) zur Verfügung zu stehen, das in einem Gehäuse (4 ) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher etwa ringförmig ausgebildet ist, das rotierende Maschinenelement (3 ) im Wesentlichen umgibt und in dem Gehäuse (4 ) integriert ist. - Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rohr (
1 ) ein Flachrohr ist, das über seine Breitseiten (10 ) gebogen ausgebildet ist, wobei an der nach innen weisenden Breitseite die Lamelle (2 ) befestigt ist und wobei die Breitseiten (10 ) etwa parallel zur Rotationsachse (R) angeordnet sind. - Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle (
2 ) mit einer mit Öffnungen (20 ) versehenen Verkleidung (21 ) versehen ist, die sich etwa parallel zur Breitseite (10 ) des Flachrohres erstreckt. - Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (
20 ) so ausgebildet und angeordnet sind, dass das zweite Kühlmittel bis an die Lamelle (2 ) und bis an die Breitseite (10 ) des Flachrohres (1 ) strömen und wieder aus der Lamelle (2 ) herausströmen kann. - Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlmittel in einen Sumpf oder dergleichen Auffangwanne strömt, in der es von dem rotierenden Maschinenelement erreichbar ist.
- Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende des wenigstens einen Flachrohrs (
1 ) eine Endkammer (30 ) zur Zu- und Abführung des ersten Kühlmittels angeordnet ist. - Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, das an beiden Enden des wenigstens einen Flachrohrs (
1 ) eine Endkammer (30 ) angeordnet ist. - Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer der Endkammern (
30 ) Laschen oder dergleichen Verbindungselemente angeordnet sind, um beide Endkammern (30 ) miteinander zu verbinden. - Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Flachrohr (
1 ) in dem das erste Kühlmittel strömt entweder ein gelötetes bzw. geschweißtes Flachrohr (1 ) mit einem Inneneinsatz ist, oder ein mittels Strangpressverfahren hergestelltes Flachrohr. - Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamelle (
2 ) einen wellenartigen Konturverlauf aufweist, mit zahlreichen versetzt angeordneten Schnitten in den Wellenflanken, wobei der Wellenverlauf senkrecht oder geneigt zur Ersteckungsrichtung des Rohres (1 ) vorgesehen ist. - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers aus wenigstens einem Flachrohr und wenigstens einer Lamelle, nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten: a) an die Breitseite (
10 ) des wenigstens einen Flachrohrs (1 ) wird eine Lamelle (2 ) angesetzt, b) Endkammern (30 ) werden am Ende des Flachrohres (1 ) angebracht, c) die Teile werden metallisch verbunden, d) ein Biegevorgang wird ausgeführt, um einen ringförmigen Wärmetauscher zu erzeugen, e) der ringförmige Wärmetauscher wird in ein Gehäuse (4 ) eingefügt, um ein Kühlmittel für ein rotierendes Maschinenelement (3 ) zu kühlen. - Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) das Ansetzen einer mit Öffnungen versehenen Verkleidung (
21 ) an die Lamelle (2 ) umfasst. - Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Endkammern (
30 ) bedarfsweise miteinander verbunden werden.
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