DE102006031675A1

DE102006031675A1 - Verfahren zur Herstellung eines Turbulenzbleches und Flachrohr mit Turbulenzblech

Info

Publication number: DE102006031675A1
Application number: DE200610031675
Authority: DE
Inventors: Franco Ghiani
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2006-07-08
Filing date: 2006-07-08
Publication date: 2008-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Turbulenzbleches, welches wellenförmig ausgebildet ist und abwechselnd versetzt gegeneinander angeordnete Streifen (5) aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass - ein Flachband (1) der Breite B<SUB>0</SUB> bereitgestellt und einer ersten Station in Vorschubrichtung (x) kontinuierlich zugeführt wird, - dass in das Flachband Trennschnitte (2) nach einem vorgegebenen Muster eingebracht werden, - dass das Flachband (1) in einer zweiten Station in Vorschubrichtung (x) gestreckt wird, so dass die Trennschnitte (2) zu Öffnungen (2') umgeformt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Turbulenzbleches nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Flachrohr mit Turbulenzblech sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Flachrohres mit Turbulenzblech nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 6.
Turbulenzbleche, auch Turbulenzeinlagen genannt, sind bei Wärmeübertragern bekannt: sie dienen primär der Erzeugung einer turbulenten Strömung des Wärmeübertragermediums, indem sie durch ihre versetzt angeordneten Kanten die laminare Strömung des Mediums immer wieder aufbrechen. Turbulenzbleche werden vorzugsweise in Flachrohre von Wärmeübertragern oder bei Scheibenwärmeübertragern eingesetzt und können auch mit den Wänden der Rohre bzw. Scheiben verlötet werden, so dass sie auch der Erhöhung der Innendruckfestigkeit infolge Zugankerwirkung dienen. Turbulenzbleche haben meist eine bevorzugte Strömungsrichtung mit einem relativ geringen Strömungswiderstand und eine weitere Durchströmungsrichtung mit einem erhöhten Strömungswiderstand. Turbulenzbleche werden auch als Innenberippung bezeichnet, da sie eine Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche bewirken.
Durch die DE 41 31 739 C2 wurde ein Turbulenzblech für einen von einer Flüssigkeit durchströmten Kühlkörper zur Kühlung elektrischer Bauelemente bekannt. Durch die 33 47 086 A1 der Anmelderin wurde ein spiralförmig zu einer Trägermatrix aufgewickeltes Turbulenzblech bekannt, durch welches die Abgasströmung eines Verbrennungsmotors zwecks Erhöhung der Konvertierung verwirbelt wird. Durch die DE 296 22 191 U1 wurde ein Plattenwärmeübertrager, ein so genannter Stapelscheibenwärmeübertrager bekannt, bei welchem zwischen den Scheiben Turbulenzbleche angeordnet sind. Die bekannten Turbulenzbleche weisen wellen- bzw. mäanderförmige Streifen auf, die in einer Hauptströmungsrichtung hintereinander und quer zur Hauptströmungsrichtung versetzt angeordnet sind, wobei der Versatz durch Aufbrechen oder Scheren des Materials erzielt wird.
Turbulenzbleche können – wie erwähnt – als Einzelteile in einen Strömungskanal, z. B. ein Flachrohr eingesetzt und mit diesem verlötet werden. Für eine aus einem Blechstreifen geformte, wellenförmige Innenberippung ist es bekannt, dass die gewellte Innenrippe quasi in die Rohrwandung eingewickelt, d. h. in das Flachrohr integriert wird. Entsprechende Ausbildungen von einstückiger Innenrippe mit Flachrohr gehen aus folgenden Druckschriften hervor: EP 1 281 923 A2 , US 2,757,628 A , FR 2 769 359 A1 und EP 0 646 231 B1 . Bei den bekannten Lösungen sind die Strömungskanäle durchgehend, d. h. es gibt keinen Versatz der Wellung – demzufolge ist der Wärmeübergang unzureichend.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Turbulenzbleches wurde durch die US 6,546,774 B2 bekannt. Das bekannte Turbulenzblech weist wellenförmig bzw. mäanderförmig ausgebildete Streifen auf, die hintereinander und versetzt zueinander angeordnet sind. Das als länglicher Streifen ausgebildete Turbulenzblech wird in den Strömungsquerschnitt eines Flachrohres eingesetzt und kann mit den Rohrinnenwandungen verlötet werden. Durch den Versatz der hintereinander angeordneten Wellungen ergeben sich Durchtrittsöffnungen, welche durch die Hinterkanten des vordern und die Vorderkanten des hinteren Streifens gebildet werden. Vorderkanten und Hinterkanten von benachbarten Streifen liegen praktisch in einer Ebene, d. h. ihr Abstand in Hauptströmungsrichtung ist praktisch gleich Null. Dies ergibt sich aus der Herstellung des bekannten Turbulenzbleches, welches als ebener Blechstreifen von einem Coil abgewickelt und mehreren unterschiedlich aus gebildeten Rollensätzen zugeführt wird. In einem ersten Rollensatz wird das flache Band geschlitzt, d. h. mit einer Vielzahl von Schlitzen versehen, wobei das Bandmaterial aufgerissen bzw. geschert wird. Dies wird durch entsprechend ausgebildete Scheiben auf den Rollen der Rollensätze bewirkt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine bessere Materialausnutzung erreicht wird und damit gleichzeitig die Herstellkosten für das Verfahrenserzeugnis gesenkt werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Flachrohr mit Turbulenzeinlage, insbesondere hinsichtlich seiner Herstellung vereinfachen und bezüglich der Herstellkosten zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird zunächst durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird ein Flachband einer ersten Station kontinuierlich zugeführt, wo quer zur Vorschubrichtung des Flachbandes angeordnete Trennschnitte nach einem bestimmten Muster eingebracht werden, beispielsweise durch Schlitzen oder Scheren des Flachbandmaterials. Nach diesem ersten Verfahrensschritt wird das Flachband in einer zweiten Station gestreckt, indem es auf eine geringere Dicke heruntergewalzt wird. Dabei entfernen sich die Schnittkanten der Trennschnitte voneinander, so dass Öffnungen im Bereich der Trennschnitte entstehen. Gleichzeitig wird eine Verfestigung des Materials und eine größere Länge erreicht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden in einer dritten Station Wellungen in das Flachband eingeformt, welche in Vorschubrichtung gesehen durchgehende Strömungskanäle bilden. Anschließend daran wird in einem weiteren Verfahrensschritt ein Versatz in jede zweite Wellenreihe eingeformt, und zwar jeweils zwischen zwei in x-Richtung aufeinander folgenden Trennschnitten. Damit entstehen in den Strömungskanälen des Turbulenzbleches versetzte Anströmkanten, welche die Turbulenz der Strömung erhöhen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Merkmale des Patentanspruches 3 gelöst. Erfindungsgemäß ist das Turbulenzblech einstückig mit dem Flachrohr ausgebildet. Vorteilhafterweise wird das Flachrohr durch zwei Wandabschnitte gebildet, welche beiderseits an das Turbulenzblech anschließen, dieses umhüllen und längsseitig mittels einer Lot- oder Schweißnaht geschlossen werden. Da das Turbulenzblech vorzugsweise nach dem oben erwähnten Verfahren herstellbar ist, weist es versetzte Anströmkanten auf, welche die Turbulenz der Strömung und damit den Wärmeübergang auf der Rohrinnenseite erhöhen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 6 gelöst, wonach ein Flachrohr mit integrierter Turbulenzeinlage einstückig herstellbar ist. Dabei wird ein Flachband größerer Breite als bei der Herstellung des Turbulenzbleches allein verwendet. Die beiderseits des mittleren Flachbandstreifens angrenzenden Flachbandränder werden von entgegengesetzten Seiten um das Turbulenzblech herum gelegt, und zum Schluss wird das Flachrohr durch Längsschweiß- oder Längslötnähte geschlossen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Vorteil erreicht, dass ein Turbulenzblech mit versetzten Anströmkanten einstückig mit einem Flachrohr herstellbar ist, d. h. es entfällt das Einschieben und Positionieren eines separaten Turbulenzbleches. Damit können auch die Herstellkosten gesenkt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen
1a, 1b, 1c Verfahrensschritte zur Herstellung eines Turbulenzbleches,
2 einen Flachrohrabschnitt mit integriertem Turbulenzblech,
3 Verfahrensschritte zur Herstellung eines Flachrohres mit integriertem Turbulenzblech und
4 ein erweitertes Verfahren zur Herstellung eines Flachrohres mit integriertem Turbulenzblech.
1a, 1b und 1c zeigen in vier Verfahrensschritten die Herstellung eines an sich bekannten Turbulenzbleches mit wellenförmiger Struktur und Versatz der Wellung. Derartige Turbulenzbleche dienen – wie eingangs zum Stand der Technik ausgeführt – der Erzeugung einer turbulenten Strömung und damit der Verbesserung des Wärmeüberganges in Strömungskanälen.
Ausgangsmaterial für die Herstellung des Turbulenzbleches ist gemäß 1a ein Flachband 1, welches von einem nicht dargestellten Coil abwickelbar ist. Das Flachband 1 hat eine Ausgangsbreite B₀ und wird einer nicht dargestellten Station I kontinuierlich in Richtung x (Vorschubrichtung) zugeführt, wo eine Vielzahl von Trennschnitten 2, quer zur Vorschubrichtung x in das Flachband 1 eingebracht werden. Die Herstellung der Trennschnitte 2 erfolgt vorzugsweise abfalllos durch Scheren oder Schlitzen mit an sich bekannten Werkzeugen.
Es ist allerdings auch möglich, die Trennschnitte durch Lochstanzen herzustellen, wie dies in der zeitgleichen parallelen Patentanmeldung der Anmelderin (internes Aktenzeichen: 05-B-186) beschrieben ist. Die Trennschnitte können vorzugsweise durch Lochstanzen hergestellt werden, was auf einem entsprechend ausgebildeten Rollensatz erfolgt, welcher auf seinem Umfang angeordnete Stempel (Matrizen und Patrizen) aufweist. Beim Lochstanzen beispielsweise wird – im Gegensatz zu dem bekannten Scheren oder Schlitzen – Material aus dem ebenen Blechstreifen ausgestanzt. Vorteilhaft hierbei ist eine saubere, klar definierte Schnittkante. Durch die Trennschnitte wird die Herstellung von versetzten Wellungen erleichtert.
Anschließend wird das Flachband 1 in Vorschubrichtung x einer zweiten nicht dargestellten Station II zugeführt, in welcher das Flachband 1 in Richtung x durch Walzen gestreckt wird. Das Flachband erfährt somit eine Verlängerung in Richtung x. Gleichzeitig werden die Trennschnitte 2 geöffnet, d. h. die aneinander liegenden Schnittkanten entfernen sich in Richtung x voneinander, so dass schmale Öffnungen oder Spalte 2' entstehen. In einem nächsten Verfahrensschritt, d. h. in einer nicht dargestellten Station III wird das Flachband 1 in Richtung der beiden Pfeile y auf eine Breite B₁ gerafft und mit einer Wellung 3 versehen. Die Wellung wird mittels eines nicht dargestellten, an sich bekannten Rollensatzes eingeformt, so dass in Richtung x durchgehende Strömungskanäle 4 gebildet werden, welche sich über einen Abschnitt A in x-Richtung erstrecken. In einer weiteren nicht dargestellten Station IV wird der Versatz der Wellung im Bereich der Trennschnitte bzw. Spalte 2' hergestellt. Die ursprünglichen Strömungskanäle 4 sind damit nicht mehr gradlinig durchgehend, sondern weisen versetzte Anströmkanten auf. Es entsteht ein Turbulenzblech mit versetzter Wellung 5, welches durch den Abschnitt B gekennzeichnet ist. Der Abschnitt B mit der versetzten Wellung 5 stellt somit das fertige Turbulenzblech dar, welches beispielsweise in ein nicht dargestelltes Flachrohr eingeschoben oder in einen anderen flachen Strömungskanal eingesetzt werden kann. Andererseits kann das Turbulenzblech mit der versetzten Wellung 5 auch in ein Flachrohr integriert werden, was im Folgenden beschrieben wird.
2 zeigt einen Abschnitt eines Flachrohres 6 mit integriertem Turbulenzblech 7, welches eine versetzte Wellung mit versetzten Anströmkanten 7a, 7b aufweist. Das Flachrohr 6 weist eine Rohrwand 8 auf, welche aus zwei Längsseiten 8a, 8b und zwei Schmalseiten 8c, 8d besteht. Die Rohrwand 8 und das Turbulenzblech 7 sind einstückig, d. h. aus einem Flachband hergestellt. Das Herstellungsverfahren wird im Folgenden beschrieben.
3 zeigt einzelne Verfahrensschritte in einer isometrischen Darstellung zur Herstellung eines Flachrohres mit integrierter Turbulenzeinlage, wie in 2 dargestellt. Ausgangspunkt des Herstellungsverfahrens ist ein Flachband 9 – ähnlich wie in 1a bzw. 1b dargestellt – allerdings mit einer vergrößerten Breite B_X gegenüber der Breite B₀ des Flachbandes 1 in 1a bzw. 1b. Das Flachband 9 weist einen mittleren Abschnitt der Breite B₀ mit Trennschnitten 2 bzw. Trennspalten 2' entsprechend den 1a, 1b auf. An diesen mittleren Abschnitt schließen sich beiderseits glatte Abschnitte der Breite u/2 an, wobei u dem Umfang des Flachrohres entspricht, wie es in 2 dargestellt ist. Ausgehend von dem dargestellten Flachbandabschnitt 9, wird das Turbulenzblech 10 durch Raffen und Einformen der Wellungen einschließlich Versatz hergestellt, wie dies im Zusammenhang mit der 1c beschrieben wurde. Parallel zur Ausformung des Turbulenzbleches 10 werden die beiden äußeren, glatten Abschnitt 9b, 9c in entgegengesetzte Richtungen (nach oben und nach unten) abgekantet, beigeklappt und um das Turbulenzblech 10 herumgelegt, so dass ein geschlossenes Flachrohr 11 mit einem Rechteckquerschnitt und integrierter Turbulenzeinlage 10 entsteht.
Das Flachrohr 11 mit Turbulenzeinlage 10 ist somit aus einem Flachband in einem kontinuierlich ablaufenden Fertigungsprozess herstellbar. Anschließend erfolgt lediglich eine Verlötung und/oder eine Verschweißung der Längsnähte.
Abweichungen von dem dargestellten Verfahren zur Erzielung eines modifizierten Flachrohres mit integrierter Turbulenzeinlage sind möglich: Beispielsweise muss der Abschnitt 9a nicht symmetrisch in der Mitte des Flachbandes 9 liegen, vielmehr könnte der Abschnitt 9a außen liegen und beide glatten Abschnitte 9b, 9c, d. h. die gesamte Länge des Umfanges u würden sich an einer Seite anschließen. Das Turbulenzblech würde dann durch einen Rohrmantel der Länge u sukzessive „eingewickelt", wobei sich nur eine zu schließende Längsnaht ergäbe. Ferner wäre es auch möglich, durch entsprechende Bemessung der Breite des Flachbandes eine Trennwand in das Flachrohr einzubauen, sei es in der Mitte, sei es außerhalb der Mitte des Flachrohres. Darüber hinaus wäre es auch möglich, ein Zwei- oder Mehrkammerrohr, d. h. mit Trennwänden herzustellen, wobei nur eine Kammer ein integriertes Turbulenzblech aufweist und eine andere Kammer kein Turbulenzblech enthält.
4 zeigt das zu 3 beschriebene Herstellungsverfahren als Draufsicht in schematischer Darstellung, ausgehend vom Flachband 9 (gleiche Bezeichnungen wie in 3) bis zum fertigen Flachrohr 11. In einem ersten Abschnitt, angedeutet durch den Pfeil I werden die Schlitze 2 (Trennschnitte) in das Flachband eingeschnitten. Danach werden in einem zweiten Abschnitt, angedeutet durch den Pfeil II, die Wellungen in den mittleren Abschnitt 9a des Flachbandes 9 eingeformt, so dass das Turbulenzblech 10 entsteht. In den folgenden Verfahrensschritten, angedeutet durch die Pfeile III, IV, werden die äußeren Bandabschnitte 9b, 9c gefalzt und sukzessive von oben und von unten um die Turbulenzeinlage 10 herumgelegt, so dass das geschlossene Flachrohr 11 am Ende des Fertigungsprozesses entsteht.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Turbulenzbleches, welches wellenförmig ausgebildet ist und abwechselnd versetzt gegeneinander angeordnete Streifen (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Flachband (1) der Breite B₀ bereitgestellt und einer ersten Station in Vorschubrichtung (x) kontinuierlich zugeführt wird, – dass in das Flachband Trennschnitte (2) nach einem vorgegebenen Muster eingebracht werden, – dass das Flachband (1) in einer zweiten Station in Vorschubrichtung (x) gestreckt wird, so dass die Trennschnitte (2) zu Öffnungen (2') umgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – in einer dritten Station in das Flachband (1) Wellungen (3) eingeformt werden, so dass in x-Richtung durchgehende Strömungskanäle (4) gebildet werden und dass – in einer vierten Station ein Versatz von in x-Richtung aufeinander folgenden Wellungen (5) durch Umformung im Bereich der geöffneten Trennschnitte (2') hergestellt wird.
Flachrohr mit Turbulenzblech (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Turbulenzblech (7, 7a, 7b) einstückig mit dem Flachrohr (8, 8a, 8b, 8c, 8d) ausgebildet ist.
Flachrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachrohr (6) eine zweiteilige Rohrwand (8) aufweist, wobei beide Wandteile (8a, 8c, 8b, 8d) jeweils an das Turbulenzblech (7) anschließen und dieses einhüllen.
Flachrohr nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbulenzblech (7) versetzt gegeneinander angeordnete, wellen- bzw. mäanderförmig ausgebildete Streifen mit versetzten Anströmkanten (7a, 7b) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Turbulenzbleches nach Anspruch 1 oder 2 und eines Flachrohres nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Flachband (9) mit vergrößerter Breite B_X bereitgestellt wird, wobei B_X ungefähr B₀ + u und u der Umfang des Flachrohres ist, – dass im Bereich der Breite B₀ Trennschnitte (2) oder längliche Öffnungen durch Lochstanzen hergestellt werden, – dass die Wellung (10) und der Versatz der Wellung im Bereich der Breite B₀ eingeformt wird und dass die über die Breite B₀ unausstehenden Flachbandstreifen (9b, 9c) um das Turbulenzblech (10) herumgelegt und zu einem Flachrohrquerschnitt (11) geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachband (9) – nach Herstellen der Trennschnitte (2) – in x-Richtung, vorzugsweise durch Walzen gestreckt wird und dass Trennspalte (2') gebildet werden.