DE102007049474A1

DE102007049474A1 - Verfahren zur Herstellung von gewellten Wärmetauscherelementen

Info

Publication number: DE102007049474A1
Application number: DE102007049474A
Authority: DE
Inventors: Manfred Lenkner
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Innerio Heat Exchanger GmbH
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: DE102007049474B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gewellten Wärmetauscherelementen (c), mit Wellenbergen und Wellentälern und diese verbindende Wellenflanken (W), das auf einer Walzenpaare aufweisenden Walzenstraße ausgeführt wird, durch ein ein endloses Metallband transportiert und dabei mittels der Walzenpaare umgeformt wird, wobei in das Metallband eine Vielzahl von in Abständen (2) angeordneter Einschnitte (1) eingebracht werden, aus denen im Zuge der weiteren Herstellung (W) Öffnungen (3) entstehen, wobei entweder die Wellenberge (Wb) gegenüber den Wellentälern (Wt) verschoben werden oder umgekehrt, wodurch aus den Einschnitten (1) die Öffnungen (3) hergestellt werden. Durch die Erfindung werden hohe Vorschubgeschwindigkeiten des Metallbandes realisiert und die Gefahr des Reißens des Metallbandes wird deutlich reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gewellten Wärmetauscherelementen mit Wellenbergen und Wellentälern und diese verbindende Wellenflanken auf einer Walzenstraße. Ferner betrifft die Erfindung auch ein nach dem Verfahren hergestelltes gewelltes Wärmetauscherelement und eine Walzenstraße auf der das Verfahren ausgeführt wird.
Ein Herstellungsverfahren mit einigen Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Walzenstraße zur Herstellung von gewellten Wärmetauscherelementen sind aus der noch nicht veröffentlichten Anmeldung mit der Anmeldenummer DE 10 2007 004 993.7 bekannt. In der noch nicht veröffentlichten Anmeldung werden Inneneinsätze für flache Wärmetauscherrohre hergestellt, wobei in den Wellenflanken angeordnete Schnitte heraus gebogen werden, um als Turbulenzerzeuger zu dienen. Die Turbulenzerzeuger verbessern die Wärmetauscheffizienz des mit solchen Wärmetauschelementen ausgerüsteten Wärmetauschers. Um den Wärmetauscher recht leicht auszubilden und mit guten Wärmeübergangswerten versehen zu können, werden Metallbänder eingesetzt, deren Dicke etwa im Bereich von 0,03 mm oder geringfügig darüber liegt.
Ein weiteres gewelltes Wärmetauscherelement ist aus US 6 942 024 B2 bekannt. Dort wurden die Schnitte schräg in den Wellenflanken und kreuzweise zu den Schnitten in benachbarten Wellenflanken angeordnet (Fischgrätenmuster) und ebenfalls aus der Ebene der Wellenflanken heraus gebogen, um als Turbulenzerzeuger wirken zu können.
Es wurde gemäß einem anderen internen Vorschlag (1) bereits vorgesehen, die gewellten Wärmetauscherelemente durch Längs- und/oder Querstreckung des Metallbandes herzustellen, wobei sich die Schnitte 1 zu Öffnungen 3 erweitern. Dadurch wurde erreicht, dass die Ausgangsbandbreite des Metallbandes trotz der Ausbildung der Wellungen erhalten bleibt. Die Walzenstraße kommt mit einer geringeren Anzahl von Walzenpaaren aus, wodurch die Kosten gesenkt werden können. Die Dicke des Metallbandes liegt in dem oben angegebenen minimalen Bereich, also 0,03 mm oder etwas mehr. Deshalb ist es zurzeit noch ungewiss, ob und wenn ja inwieweit das Metallband die mit dem intern bekannten Verfahren erforderliche Streckung mitmachen wird. Das Metallband sollte keinesfalls zerreißen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines wirtschaftlichen Herstellungsverfahrens für gewellte Wärmetauscherelemente, mit dem die Gefahr des Reißens des Metallbandes zu reduzieren ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich mit einem Herstellungsverfahren, das sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Es ist vorgesehen, dass die Wellenberge gegenüber den Wellentälern verschoben werden oder umgekehrt, wodurch aus den Einschnitten die Öffnungen entstehen. Die so entstandenen Öffnungen weisen eine geschwungene Form auf.
Es hängt vom Standpunkt des Betrachters ab, was die Wellenberge und was die Wellentäler sein sollen. Jedenfalls bilden die Wellenberge eine virtuelle Ebene, die parallel zur ursprünglichen Ebene des Metallbandes ist und die Wellentäler bilden eine andere virtuelle Ebene, die ebenfalls parallel zur ursprünglichen Ebene des Metallbandes ist. Die eine virtuelle Ebene ist dann auf der einen Seite der ursprünglichen Ebene vorhanden und die andere virtuelle Ebene befindet sich auf der anderen Seite der ursprünglichen Ebene. Die Verschiebung wird bevorzugt dadurch realisiert, dass das gewellte Wärmetauscherelement wenigstens einen Niveauunterschied bzw. eine Umlenkung im Zuge seiner Herstellung durchläuft bzw. überwindet.
Zunächst werden die Einschnitte in benachbarten Wellenflanken schräg, in der Art eines Fischgrätenmusters, in das noch ebene Metallband eingebracht. Dazu wird beispielsweise ein Schnittwalzenpaar verwendet.
Die den Wellenbergen und den Wellentälern aufgezwungenen Bahnen weisen eine Längendifferenz auf. Die dadurch verursachte Verschiebung führt dazu, dass aus den Einschnitten Öffnungen entstehen, die dann etwa senkrecht zu den Wellenbergen bzw. Wellentälern ausgebildet sind. Das gewellte Wärmetauscherelement wird dabei sozusagen in sich verschoben.
Die Dicke des verwendeten endlosen Metallbandes liegt im vorne bereits genannten Bereich von 0,03 mm oder wenig darüber, vielleicht höchstens bei 0,10 mm.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Risiko des Reißens des Metallbandes im Zuge der Herstellung der gewellten Wärmetauscherelemente deutlich reduziert, weil kaum eine Streckung des Metallbandes vorgenommen wird. Das vorgeschlagene Verfahren kann mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten ablaufen als andere Verfahren aus dem Stand der Technik, was zu einer Produktivitätssteigerung führt.
Die vorgeschlagene Verschiebung verursacht eine wenigstens teilweise Umformung der Abstände bzw. der Stege zwischen den Schnitten, die dabei zu Turbulenzerzeugern umgewandelt werden und für sehr gute Wärmetauscheffizienz sorgen. Es stellt sich bei Verfahren aus dem Stand der Technik gewöhnlich ein Breitenunterschied zwischen der Breite des Ausgangsblechbandes und der Breite des fertigen gewellten Wärmetauscherelements ein, siehe auch 5 in der DE 19 800 096 A1 , die den Breitenunterschied zeigt. Dieser Breitenunterschied wird bei Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens nicht vorhanden sein, weshalb weniger Rollenwalzenpaare erforderlich sind, wodurch die Investitionen reduziert werden können. Weiteres ergibt sich aus den abhängigen Patentansprüchen, die als an dieser Stelle angegeben zu betrachten sind.
Die Erfindung wird in zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen beschrieben.
Die 1 zeigt einen internen Stand der Technik, der soeben angemeldet worden ist.
Die 2 zeigt die Erfindung.
Die 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die 4 und 5 zeigen ein Anwendungsbeispiel des gewellten Wärmetauscherelements.
Die 6 zeigt einen Ausschnitt aus dem gewellten Wärmetauscherelement.
Die 7 zeigt einen Ausschnitt aus dem Metallband.
Die 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wärmetauscher.
Die 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dort sind ein Schnittwalzenpaar SW und sechs folgende Walzenpaare WP vorgesehen, die als Umformwalzen dienen. Die Anzahl solcher Walzenpaare ist freigestellt. Mit dem Schnittwalzenpaar werden Schnitte 1 in einem Fischgrätenmuster in das ebene Metallband eingearbeitet. Die Schnitte 1 könnten allerdings auch mit anderen Werkzeugen als mittels Schnittwalzen eingebracht werden. Danach beginnt die Ausbildung der gewellten Struktur mittels des ersten Umformwalzenpaares. Die folgenden Umformwalzenpaare weisen in ihrer Anordnung jeweils einen Niveauunterschied zur Position des ersten Umformwalzenpaares auf. Es wird eine Umlenkung des gewellten Wärmetauscherelementes vorgenommen, die in den gezeigten Ausführungsbeispielen etwa senkrecht auf der Ebene E des Metallbandes steht, das heißt, der Um lenkungswinkel α beträgt etwa 90°. Es ist allerdings nachvollziehbar, dass die Umlenkung auch andere Winkel α als 90° aufweisen könnte. In Abhängigkeit von dem gewählten Neigungswinkel β (7) der Schnitte 1 und dem Umlenkungswinkel α wird sich ein gewünschter Winkel der Öffnungen 3 am fertigen Wärmetauscherelement einstellen. In der 2 wurden die oberen Biegungen des Metallbandes als Wellenberge Wb bezeichnet und die unten liegenden entsprechend als Wellentäler Wt. Es ist erkennbar, dass die Wellenberge Wb einen größeren Abstand von dem durch ein Kreuz markierten virtuellen Kreismittelpunkt aufweisen als die Wellentäler Wt, was dazu führt, dass die Wellenberge Wb beim Transport des Metallbandes durch die Walzenpaare WP einen längeren Weg durchlaufen müssen als die Wellentäler Wt. Durch diese Wegedifferenz werden die Wellenberge Wb gegenüber den Wellentälern Wt verschoben, wodurch sich die Schnitte 1 öffnen, das heißt, zu den Öffnungen 3 umgeformt werden. Das in den 2 und 3 am Ende der Umformung positionierte Walzenpaar kann als Richt- oder Kalibrierwalzenpaar angesehen werden.
Das fertig gewellte Wärmetauscherelement sieht dann etwa so aus, wie es in der 6 gezeigt ist. Die Fischgrätenstruktur ist verschwunden, denn die Öffnungen 3 stehen nun etwa senkrecht (90°) auf den Wellenbergen Wb bzw. auf den Wellentälern Wt. Die Öffnungen 3 müssen, wie oben bereits beschrieben wurde, allerdings nicht senkrecht zu den Wellenbergen bzw. den Wellentälern Wt stehen. Aus dieser Umformung bzw. aus der Verschiebung ergibt es sich auch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kein Breitenunterschied zwischen der Breite B des Metallbandes und der Breite des gewellten Wärmetauscherelementes c vorhanden ist. Die unterschiedlich langen Pfeile in der 6 können als unterschiedlicher Verschiebeweg aufgefasst werden, die die relativen Bewegungen zwischen den Wellenbergen Wb und den Wellentälern Wt andeuten können. Die Pfeile zeigen auch an, dass die Verschiebung in Längsrichtung des Metallbandes bzw. des Wärmetauscherelements vorgenommen wird. Die geschwungene Form der Öffnungen 3 ist ebenfalls in der 6 zu sehen. Die Stege 4 zwischen den Öffnungen 3 weisen eine denselben entsprechende gewundene Form auf.
Die 7 kann zur näheren Erläuterung des Vorstehenden verwendet werden. In dem dort gezeigten Ausschnitt aus dem ebenen Metallband sind die Schnitte 1 im Fischgrätenmuster bereits eingebracht worden. Der Schnittwinkel β beträgt hier noch etwa 45°. Die anschließend auszubildenden Wellenberge Wb und Wellentäler Wt wurden in Form eines einzigen Wellenberges Wb und zweier benachbarter Wellentäler Wt angedeutet. Auch dort wurden die Vektoren eingezeichnet. Der größere Wegvektor am Wellenberg Wb führt zur Verschiebung zwischen den Wellenbergen Wb und den Wellentälern Wt, wobei die Schnitte 1 sich öffnen. Die Öffnungen 3 sind dann in diesen Ausführungsbeispielen etwa senkrecht zu den Wellenbergen/Wellentälern ausgerichtet, was aus den 2 oder 6 erkennbar sein sollte.
Die 3 unterscheidet sich von der 2 dadurch, dass eine große Umformwalze (anstelle mehrerer gleich großer Walzenpaare in 2) vorgesehen wird, um deren Umfang mehrere kleinere Umformwalzen angeordnet sind, was an ein Planetengetriebe erinnern mag. Allerdings hat die gezeigte Walzenanordnung mit einem Planetengetriebe nichts zu tun, denn die Walzen weisen eine axial um deren Umfang und in Längsrichtung der Walzen laufende Wellenprofilierung P auf. Die Wellenspitzen der einen Walze greifen in die Wellensenken der anderen Walze ein. Dazwischen läuft das Metallband. An dieser Stelle sei noch betont, dass das Merkmal der Wellenprofilierung P der Walzen natürlich auch im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 vorhanden ist. Das Ergebnis, nämlich das gewellte Wärmetauscherelement c, ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 identisch mit dem oben bereits beschriebenen Vorgang.
Die in den 2 oder 3 gezeigten Walzenstraßen können Teil einer größeren Walzenstraße sein, die in der 4 grob gezeigt ist. In der 5 wird der Querschnitt eines Wärmetauscherrohres gezeigt, das ein gewelltes Wärmetauscherelement c besitzt. Solche Wärmetauscherrohre werden mittels der in 4 gezeigten Walzenstraße hergestellt. Das Wärmetauscherrohr besitzt darüber hinaus noch zwei Wandteile, die mit a und b bezeichnet worden sind. Die Dicke der Wandteile a, b liegt etwa bei 0,15 mm.
Die 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wärmetauschernetz mit Flachrohren 10 und Wellrippen 20, durch die beispielsweise Kühlluft strömen kann. Die Flachrohre weisen Inneneinsätze auf, die als gewellte Wärmetauscherelemente c ausgebildet sind. Auch die zwischen den Flachrohren angeordneten Wellrippen 20 sind gewellte Wärmetauscherelemente c, die gemäß dem Verfahren hergestellt worden sind. Die Wellenhöhen der Wärmetauscherelemente c liegen bei den Inneneinsätzen etwa bei 1–2 mm und bei den Wellrippen etwa bei 5–10 mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007004993 [0002]
- US 6942024 B2 [0003]
- DE 19800096 A1 [0013]

Claims

Verfahren zur Herstellung von gewellten Wärmetauscherelementen (c), mit Wellenbergen (Wb) und Wellentälern (Wt) und diese verbindende Wellenflanken (W), das auf einer Walzenpaare aufweisenden Walzenstraße ausgeführt wird, durch die ein endloses Metallband transportiert und dabei mittels der Walzenpaare umgeformt wird, wobei in das Metallband eine Vielzahl von in Abständen (2) angeordneter Einschnitte (1) eingebracht werden, aus denen im Zuge der weiteren Herstellung (W) Öffnungen (3) entstehen, wobei entweder die Wellenberge (Wb) gegenüber den Wellentälern (Wt) verschoben werden oder umgekehrt, wodurch aus den Einschnitten (1) die Öffnungen (3) hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung dadurch realisiert wird, dass das gewellte Wärmetauscherelement wenigstens einen Niveauunterschied überwindet, wozu das Metallband bezüglich dessen Ebene (E) umgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkung beispielsweise etwa senkrecht zur Ebene (E) des Metallbandes vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnitte (1) in benachbarten Wellenflanken schräg, in der Art eines Fischgrätenmusters, in das ebene Metallband eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Einschnitten (1) entstehenden Öffnungen (3) beispielsweise etwa senkrecht zu den Wellenbergen (Wb) bzw. den Wellentälern (Wt) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verschiebung aus der Differenz der Wege zwischen den Wellenbergen (Wb) und den Wellentälern (Wt) ergibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung in Längsrichtung des Metallbandes vorgenommen wird.
Walzenstraße mit mehreren Walzenpaaren, zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Walzenpaare (WP) mit axial laufenden wellenartigen Profilierungen (P) des Umfangs der Walzen vorgesehen sind, die auf unterschiedlichem Niveau angeordnet sind, sodass das durch die Umformwalzenpaare (WP) laufende gewellte Wärmetauscherelement wenigstens eine Umlenkung bezüglich der Ebene (E) des Metallbandes erfährt.
Gewelltes Wärmetauscherelement mit Wellenbergen und Wellentälern und diese verbindende Wellenflanken (W), wobei in das Metallband eine Vielzahl von in Abständen (2) angeordnete Einschnitte (1) eingebracht sind, aus denen im Zuge der weiteren Herstellung Öffnungen (3) in den Wellenflanken (W) entstehen, wobei die Öffnungen (3) eine geschwungene Form aufweisen.
Wärmetauscher, bestehend aus Flachrohren (10) mit Inneneinsätzen (c) und aus Wellrippen (20), die zwischen benachbarten Flachrohren (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Inneneinsätze und/oder die Wellrippen (20) aus gewellten Wärmetauscherelementen (c) bestehen, das gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet bzw. hergestellt worden sind.