DE102014200708A1

DE102014200708A1 - Flachrohr

Info

Publication number: DE102014200708A1
Application number: DE102014200708.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Kästle; Karl-Gerd Krumbach; Wolfgang Geiger; Thomas Herzig
Original assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2015-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) für einen Wärmeübertrager (1), wobei das Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) durch ein Einfalten von zwei sich gegenüberliegenden freien Endbereichen eines einteiligen Bandmaterials (20) erzeugt ist, mit einer Außenstruktur (8), welche zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten (7) und zwei sich gegenüberliegende Breitseiten (6) aufweist, wobei im Inneren des Flachrohres (2, 2a, 2b, 2c) zumindest zwei fluidisch voneinander getrennte Kanäle durch eine Innenstruktur (9) ausgebildet sind, wobei das Bandmaterial (20) zumindest einen ersten Bereich (21) einer ersten Materialdicke (12) und zumindest einen zweiten Bereich (22) einer zweiten Materialdicke (13) aufweist, wobei die zweite Materialdicke (13) geringer ist als die erste Materialdicke (12), wobei die Materialabschnitte (17) des Bandmaterials (20), welche die quer zu den Breitseiten (6) gelegene Stoßstelle (16) der eingefalteten freien Endbereiche des Bandmaterials (20) aneinander bilden, die zweite Materialdicke (13) aufweisen. Außerdem betrifft die Erfindung einen Wärmeübertrager (1) mit einem erfindungsgemäßen Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Flachrohr für einen Wärmeübertrager, wobei das Flachrohr durch ein Einfalten von zwei sich gegenüberliegenden freien Endbereichen eines einteiligen Bandmaterials erzeugt ist, mit einer Außenstruktur, welche zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten und zwei sich gegenüberliegende Breitseiten aufweist, wobei im Inneren des Flachrohres zumindest zwei fluidisch voneinander getrennte Kanäle durch eine Innenstruktur ausgebildet sind, wobei das Bandmaterial zumindest einen ersten Bereich einer ersten Materialdicke und zumindest einen zweiten Bereich einer zweiten Materialdicke aufweist, wobei die zweite Materialdicke geringer ist als die erste Materialdicke. Außerdem betrifft die Erfindung einen Wärmeübertrager mit einem erfindungsgemäßen Flachrohr.
Stand der Technik
In Wärmeübertragern werden regelmäßig Flachrohre verwendet, die von einem Fluid durchströmt werden können. Während der Durchströmung kann ein Wärmeübertrag zwischen dem Fluid im Inneren des Flachrohres und einem zweiten Fluid, wie beispielsweise der Umgebungsluft, außerhalb des Flachrohres erzeugt werden. Zur Erhöhung der Stabilität und des Wärmeübertrags können im Inneren des Flachrohres Wellrippen oder Wellrippenstrukturen angeordnet sein.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Flachrohren bekannt, welche in unterschiedlichen Anwendungen verwendet werden können. So gibt es beispielsweise extrudierte Flachrohre, die einen einteiligen geschlossenen Mantel aufweisen. Extrusionsprozesse erfordern dabei hohe Drücke, um eine ausreichende Verformung des Rohmaterials zu erzeugen. Weiterhin sind die Investitionskosten für eine Extrusionsanlage sehr hoch und die Extrusionswerkzeuge unterliegen einem hohen Verschleiß. Aufgrund der hohen Drücke sind die Toleranzfenster für die erzeugte Materialdicke der extrudierten Flachrohre verhältnismäßig groß, was zu Ungenauigkeiten im Rahmen der Großserienherstellung und zu erhöhten Ausschussraten führen kann. Auch sind die durch Extrusion erzeugbaren Rohrdesigns begrenzt.
Das Rohmaterial, welches im Extrusionsprozess zum extrudierten Flachrohr umgeformt wird, kann aus fertigungstechnischen Gründen nicht mit einem Lot plattiert werden. Deshalb muss zur dauerhaften Verbindung zwischen dem extrudierten Flachrohr und der Wellrippe entweder eine lotplattierte Wellrippe verwendet werden oder das extrudierte Flachrohr zusätzlich mit einem Lot beschichtet werden. Beides ist hinsichtlich der Fertigungskosten nicht optimal.
Für die Verarbeitung im Rahmen eines Extrusionsprozesses kommt weiterhin nur eine begrenzte Auswahl von geeigneten Materialien in Frage, wodurch insbesondere hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit Nachteile entstehen. Außerdem ist es nachteilig, dass extrudierte Flachrohre weltweit nur eingeschränkt verfügbar sind, wodurch insbesondere die Teileversorgung in der Großserienherstellung gefährdet ist.
Im Stand der Technik sind weiterhin alternative Lösungen bekannt, um ein druckfestes Flachrohr zu fertigen.
So offenbart die DE 10 2006 054 814 B4 ein Flachrohrdesign, wobei das Flachrohr aus drei Elementen gefertigt wird. Zwei Elemente bilden dabei die Außenwandungen des Flachrohres, während ein drittes Element eine Innenstruktur ausbildet. Nachteilig ist hierbei insbesondere, dass der Herstellprozess sehr komplex ist und hohe Investitionskosten in die Fertigungseinrichtungen erfordert.
Die Druckschrift DE 10 2006 050 319 A1 offenbart ein Flachrohr für einen Wärmetauscher, wobei das Flachrohr aus zumindest zwei Elementen gebildet ist, wobei eines der Elemente die Außenwandungen des Flachrohres bildet und ein weiteres Element die Innenstruktur des Flachrohres bildet. Auch hier ist es insbesondere nachteilig, dass die Herstellung eines solchen Flachrohres komplex ist und mit erhöhtem Kostenaufwand verbunden ist. Weiterhin ist die Variabilität hinsichtlich der erzeugbaren Wandstärken eingeschränkt.
Die Druckschrift EP 1 243 884 B1 offenbart weiterhin ein Flachrohr, welches einen einteiligen Grundkörper aufweist, der die Außenwandungen bildet. Die Innenstruktur ist ebenfalls durch ein zweites Element gebildet. Die Innenstruktur wird dabei in den Grundkörper eingefaltet. Aufgrund des Faltvorgangs kommt es dabei insbesondere an der Stoßstelle zwischen den eingefalteten freien Enden des Grundkörpers und der Innenstruktur zu Materialdopplungen. Nachteilig ist hier insbesondere, dass insgesamt ein höherer Materialeinsatz notwendig ist und hierdurch das Gewicht des Flachrohres erhöht wird.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Flachrohr bereitzustellen, welches einfach herzustellen ist, dessen Grundmaterial weltweit verfügbar ist und das ein Design aufweist, welches hinsichtlich der Materialdicken an den Einsatzzweck angepasst ist. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung einen Wärmeübertrager mit einem erfindungsgemäßen Flachrohr bereitzustellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Flachrohr mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Flachrohr für einen Wärmeübertrager, wobei das Flachrohr durch ein Einfalten von zwei sich gegenüberliegenden freien Endbereichen eines einteiligen Bandmaterials erzeugt ist, mit einer Außenstruktur, welche zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten und zwei sich gegenüberliegende Breitseiten aufweist, wobei im Inneren des Flachrohres zumindest zwei fluidisch voneinander getrennte Kanäle durch eine Innenstruktur ausgebildet sind, wobei das Bandmaterial zumindest einen ersten Bereich einer ersten Materialdicke und zumindest einen zweiten Bereich einer zweiten Materialdicke aufweist, wobei die zweite Materialdicke geringer ist als die erste Materialdicke, wobei die Materialabschnitte des Bandmaterials, welche die quer zu den Breitseiten gelegene Stoßstelle der eingefalteten freien Endbereiche des Bandmaterials aneinander bilden, die zweite Materialdicke aufweisen.
Das Flachrohr ist vorteilhafterweise aus einem Bandmaterial durch Faltung erzeugt. Die Verwendung von einem Bandmaterial zur Erzeugung ist dabei insbesondere vorteilhaft, da ein Bandmaterial, beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, mit sehr kleinen Toleranzen bezüglich der Materialdicke gefertigt werden kann. Weiterhin sind Bandmaterialien unterschiedlichster Werkstoffe weltweit verfügbar, kostengünstig zu beziehen und einfach zu transportieren. Die in Bezug auf die Materialdicke erreichten Toleranzen bei einem Bandmaterial sind dabei um etwa den Faktor 5 genauer im Vergleich zu den beim Extrusionsprozess erreichbaren Toleranzen. Weiterhin kann ein Bandmaterial auf einfache Weise weiterverarbeitet werden und es können beispielsweise Oberflächenstrukturen eingebracht werden, die im endmontierten Flachrohr beispielsweise als turbulenzerzeugende Strukturen wirken.
Vorzugsweise werden die sich gegenüberliegenden freien Endbereiche des Bandmaterials zur Mitte hin eingefaltet, um ein geschlossenes Rohrprofil zu erhalten. Dabei können die freien Endbereiche des Bandmaterials auch mehrfach mäanderförmig eingefaltet werden, so dass neben dem geschlossenen Rohrprofil auch eine im Inneren des Rohrprofils angeordnete Innenstruktur entsteht, die die Festigkeit des Rohres erhöht und durch die Ausbildung von fluidisch zueinander getrennten Kanälen den Wärmeübertrag positiv beeinflusst.
Das Bandmaterial kann durch einen Walzprozess bearbeitet werden, wodurch auf einfache Weise Bereiche unterschiedlicher Materialdicke erreicht werden können. Der Walzprozess lässt dabei auch eine hohe Maßhaltigkeit und damit eine geringe Fehlertoleranz zu. Durch das Vorsehen von Bereichen größerer Materialdicke und Bereichen geringerer Materialdicke kann insgesamt der Materialeinsatz reduziert werden, wodurch das Flachrohr leichter wird und kostengünstiger herzustellen ist.
Das einteilige Bandmaterial ist besonders vorteilhaft, da die Herstellung des Flachrohres aus dem Bandmaterial mit einfachen Arbeitsschritten durchführbar ist. Außerdem wird die Anzahl an Fügestellen, die zur Erreichung eines fluiddichten Rohrprofils notwendig sind, verringert. Eine einteilige Ausführung des Flachrohres ist ebenfalls vorteilhaft hinsichtlich der Ablängung der einzelnen Rohre, da jeweils nur ein Bauteil abgelängt werden muss und nicht mehrere miteinander verbundene Bauteile.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Schmalseiten und/oder die Breitseiten durch einen Materialabschnitt, welcher die erste Materialdicke aufweist, gebildet sind.
Insbesondere die Schmalseiten und die Breitseiten, welche die Außenstruktur des Flachrohres und damit das Rohrprofil bilden, sind vorteilhafterweise aus einem Materialabschnitt des Bandmaterials ausgeführt, welcher die größere erste Materialdicke aufweist. Dies ist nützlich, um ein möglichst robustes Flachrohr zu erzeugen, welches gegenüber mechanischen Störeinflüssen und korrosiven Einflüssen von außen unempfindlich ist. Auch kann durch die stabilere Außenstruktur eine höhere Maßhaltigkeit des Flachrohres im Montageprozess eines Wärmeübertragers erreicht werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die sich gegenüberliegenden freien Endbereiche des Bandmaterials mäanderförmig eingefaltet sind.
Ein mäanderförmiges Einfalten ist besonders vorteilhaft, da in einer ersten Faltung der freien Endbereiche um 180 Grad das Bandmaterial derart umgeformt werden kann, dass die freien Endbereiche im fertigen Flachrohr innerhalb der von den Schmalseiten und den Breitseiten gebildeten Außenstruktur zu liegen kommen. Die freien Endbereiche können über gesonderte Faltungen unterschiedliche Strukturen annehmen und so an das Flachrohr angepasste Innenstrukturen ausbilden.
Nach der Faltung der freien Endbereiche um 180 Grad werden die nun rechts und links liegenden neu ausgebildeten freien Endbereiche des Halbzeugs erneut um 180 Grad nach innen gefaltet, wodurch die geschlossene Außenstruktur erzeugt wird.
Ein auf diese Weise erzeugtes Flachrohr ist einfach herzustellen und weist an seinem Außenumfang nur eine Stoßstelle, welche ungefähr auf halber Länge einer der Breitseiten liegt, auf. Dies ist insbesondere der Maßhaltigkeit des Flachrohres zuträglich.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Innenstruktur durch einen wellenförmig geknickten Materialabschnitt des Bandmaterials gebildet ist, wobei der wellenförmig geknickte Materialabschnitt erste Schenkel aufweist, die quer zu den Breitseiten stehen, und zweite Schenkel aufweist, die parallel zu den Breitseiten stehen und die Kontaktflächen zwischen der Innenstruktur und der Außenstruktur bilden.
Die freien Endbereiche des Bandmaterials, welche im fertigen Flachrohr die Innenstruktur ausbilden, sind vorteilhafterweise in einem wellenförmigen Muster vorgefaltet. Das wellenförmige Muster kann dabei beispielsweise durch eine Aneinanderreihung von rechteckig gefalteten Bereichen gebildet sein. Die rechteckigen Bereiche weisen dabei vorteilhafterweise Schenkel auf, welche im fertigen Flachrohr quer zu den Breitseiten stehen, und Schenkel, welche im fertigen Flachrohr parallel zu den Breitseiten stehen. Die quer stehenden Schenkel dienen dabei insbesondere der Abtrennung von Kanälen im Inneren des Flachrohres und der Erhöhung der Druckstabilität. Die parallel verlaufenden Schenkel bilden die Kontaktflächen zwischen der Innenstruktur und der Außenstruktur. An diesen Kontaktflächen findet vorteilhafterweise auch die Verlötung der Strukturen statt.
Das verwendete Bandmaterial ist dazu entweder vollflächig einseitig oder beidseitig mit einem Lot beaufschlagt oder nur partiell an den zur Verlötung vorgesehenen Stellen. Die Verwendung eines bereits vorplattierten Bandmaterials ist besonders kostengünstig und einfach im Vergleich zu einer nachträglichen Plattierung des Flachrohres. Zusätzlich kann das Bandmaterial auch eine weitere Beschichtung aufweisen, welche beispielsweise der Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit dienen kann.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es außerdem vorgesehen, dass zumindest ein erster Schenkel die erste Materialdicke aufweist und die zweiten Schenkel die zweite Materialdicke aufweisen.
Die ersten quer stehenden Schenkel weisen vorteilhafterweise die größere Materialdicke auf, wodurch insbesondere die Stabilität des Flachrohres erhöht werden kann. Die zweiten parallel zu den Breitseiten verlaufenden Schenkel weisen vorteilhafterweise die geringere Materialdicke auf, wodurch insbesondere der Wärmeübergang begünstigt wird, da die Materialanhäufung im Bereich der Kontaktflächen verringert wird. Weiterhin wird dadurch auch die Faltung der Innenstruktur beziehungsweise des gesamten Flachrohres begünstigt.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn durch die Übergänge zwischen den Bereichen, welche die erste Materialdicke aufweisen, und den Bereichen, welche die zweite Materialdicke aufweisen, Soll-Knickstellen ausgebildet sind.
Die Übergänge zwischen den beiden Materialdicken erzeugen eine lokale Schwächung des Widerstandsmomentes des Bandmaterials, wodurch die Faltvorgänge erleichtert werden. Zusätzlich ist durch die Übergänge das Erreichen von sehr genauen 90 Grad Faltungen möglich, da die Materialverdrängung infolge eines Faltvorganges deutlich geringer ist, als sie dies bei einem Bandmaterial konstanter Materialdicke wäre. Es sind daher besonders scharfkantige Faltungen mit einer hohen Maßhaltigkeit möglich.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Knick, welcher den Übergang von einer der Breitseiten in die Stoßstelle der beiden freien Endbereiche des Bandmaterials bildet, einen Winkel von 90 Grad aufweist, wobei der Knick scharfkantig ist, wodurch der Deltaradius zwischen den aneinanderstoßenden Materialabschnitten kleinstmöglich ist.
Der Knick beziehungsweise die Faltung, welche den Übergang von der Breitseite auf die Innenstruktur bildet, ist vorteilhafterweise exakt 90 Grad und weist einen sehr geringen Biegeradius auf. Durch den jeweils sehr geringen Biegeradius wird die Anlagefläche der um 90 Grad gegenüber der Breitseite angewinkelten Bereiche vergrößert. Der zwischen diesen beiden abgewinkelten Bereichen entstehende Spalt, insbesondere im Bereich der Biegeradien, ist somit minimal. Dies erhöht die Maßhaltigkeit des Flachrohres und erzeugt insgesamt eine ebene Breitseite mit einer möglichst geringen Unterbrechung durch den Spalt. Der Deltaradius bezeichnet in diesem Zusammenhang insbesondere den Biegeradius an dem Übergang zwischen der Breitseite und dem zur Breitseite um 90 Grad abgewinkelten Bereich.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Innenstruktur derart gestaltet ist, dass eine Materialdopplung im Bereich einer Schmalseite oder beider Schmalseiten entsteht, wobei der Materialabschnitt der Innenstruktur, welcher die Materialdopplung verursacht, die erste Materialdicke oder die zweite Materialdicke aufweist.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, da durch die Materialdopplung an den Schmalseiten eine Erhöhung der Stabilität des Flachrohres erreicht werden kann. Insbesondere die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Störeinflüsse und Korrosionseinflüsse kann damit erhöht werden. Die Materialdopplung kann dabei an nur einer der Schmalseiten oder an beiden Schmalseiten erfolgen. Ebenso kann die Materialdopplung durch eine Materialschicht der ersten Materialdicke und einer Materialschicht der zweiten Materialdicke oder durch jeweils zwei Materialschichten einer Materialdicke erfolgen.
In einer alternativen ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung können die freien sich gegenüberliegenden Endbereiche des Bandmaterials im Inneren des fertigen Flachrohres jeweils an einer Breitseite anliegen und mit dieser verlötet sein. Dabei reichen die freien Endbereiche nicht in die Schmalseiten, welche vorzugsweise einen gekrümmten Querschnitt aufweisen, hinein. Dies ist besonders vorteilhaft, da somit Breitentoleranzen des Bandmaterials ausgeglichen werden können, indem die freien Endbereiche mehr oder weniger weit von den Schmalseiten entfernt zu liegen kommen. Die allgemeine Funktion des Flachrohres wird dadurch jedoch nicht beeinflusst.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die Rohrbreite entlang der Breitseiten zwischen 9 mm und 60 mm und dabei bevorzugt zwischen 10 mm und 30 mm liegt. Die Rohrbreite wird entlang der Breitseiten gemessen und bezeichnet die Länge von Außenkante zu Außenkante. Eine Rohrbreite zwischen 9 mm und 60 mm ist insbesondere vorteilhaft, um ein Flachrohr bereitzustellen, welches in die heute im Rahmen der Großserienherstellung gängigen Wärmeübertrager passt.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Rohrhöhe entlang der Schmalseiten in einem Bereich zwischen 1,3 mm und 30 mm liegt. Die Rohrhöhe wird entlang der Schmalseiten von Außenkante zu Außenkante gemessen. Die Rohrhöhe zwischen 1,3 mm und 30 mm ist vorteilhaft, um eine möglichst hohe Kompatibilität mit den regelmäßig eingesetzten Wärmeübertragern zu erreichen.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn die erste Materialdicke zwischen 160 μm und 500 μm und dabei bevorzugt zwischen 180 μm und 250 μm liegt, wobei die zweite Materialdicke zwischen 50 μm und 400 μm und dabei bevorzugt zwischen 70 μm und 250 μm liegt. Die vorgeschlagenen Materialdicken sind insbesondere vorteilhaft, da eine Fertigung von Bandmaterial in diesen Dimensionen besonders einfach ist und eine vielfältige Auswahl an unterschiedlichen Bandmaterialien in diesen Dimensionierungen am Markt erhältlich ist.
Auch ist es zweckmäßig, wenn Anzahl der quer zu den Breitseiten stehenden Materialabschnitte und/oder ersten Schenkel zwischen zwei und zwanzig liegt.
Die Anzahl der quer zu den Breitseiten stehenden Materialabschnitte oder ersten Schenkel ist vorteilhafterweise zwischen zwei und zwanzig. Auf diese Weise kann die Anzahl der durch die Materialabschnitte oder Schenkel gebildeten Kanäle derart beeinflusst werden, dass abhängig von der Rohrbreite und der Rohrhöhe stets Kanäle im Inneren entstehen, die eine ausreichende Durchströmbarkeit aufweisen.
Da die Stoßstelle des Flachrohres zwangsläufig durch zwei aneinander angefaltete Materialabschnitte gebildet ist, ergibt sich im Falle von nur zwei quer zu den Breitseiten stehenden Elementen eine Unterteilung des Flachrohres in zwei Kanäle. Die beiden eingefalteten Materialabschnitte bilden dabei nach der Verlötung einen gemeinsamen Schenkel, bestehen jedoch, wie eben beschrieben, aus zwei Materialabschnitten.
Die Aufgabe des Wärmeübertragers wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Flachrohr nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmeübertrager einen ersten Rohrboden und einen zweiten Rohrboden aufweist, wobei die Flachrohre endseitig in die Rohrböden aufgenommen sind, wobei die Außenstruktur, die Innenstruktur und die Rohrböden in einem Arbeitsschritt miteinander verlötet sind.
Ein Wärmeübertrager mit einem erfindungsgemäßen Flachrohr ist besonders vorteilhaft, da die Flachrohre aufgrund ihrer Bauart eine sehr hohe Maßhaltigkeit aufweisen. Die Ausschnitte in den Rohrböden, welche die Flachrohre aufnehmen, können daher mit einem sehr geringen Übermaß erzeugt werden. Durch die Stoßstelle mit den sehr geringen Biegeradien ist außerdem der Spalt in diesem Bereich zwischen der Breitseite und der Innenfläche der das Flachrohr aufnehmenden Öffnung sehr gering, wodurch eine einfache Verlötung möglich ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 in linken Teil der 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, welcher eine Mehrzahl von Flachrohren aufweist, die in endseitig angeordnete Sammelkästen münden und im rechten Teil der Figur eine Schnittansicht durch die Flachrohre, wobei zwischen den Flachrohren Wellrippen angeordnet sind,
2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Flachrohr, wobei im Inneren des Flachrohres eine Mehrzahl von Fluiden angeordnet ist,
3 eine Detailansicht des verwendeten Bandmaterials mit Bereichen der ersten Materialdicke und Bereichen der zweiten Materialdicke,
4 eine Detailansicht der Stoßstelle zwischen den beiden eingefalteten sich gegenüberliegenden Endbereiche des Bandmaterials,
5 eine Detailansicht des linken Endbereichs des Flachrohres, wobei die Schmalseite zusammen mit der Innenstruktur eine Materialdopplung bildet,
6 eine alternative Detailansicht einer Materialdopplung im Bereich einer Schmalseite des Flachrohres, wobei die Innenstruktur im Bereich der Materialdopplung einen Bereich der ersten Materialdicke aufweist,
7 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Flachrohr, wobei die Innenstruktur lediglich den Stoß zwischen den beiden Endbereichen des Bandmaterials ausbildet und lediglich zwei voneinander fluidisch getrennte Kanäle im Inneren des Flachrohres ausgebildet sind, und
8 eine Detailansicht der Stoßstelle eines Flachrohres gemäß der 7.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt im linken Teil eine perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragers 1. Der Wärmeübertrager 1 weist eine Mehrzahl von Flachrohren 2 auf, welche endseitig in einem oberen Sammelkasten 3 und einem unteren Sammelkasten 4 aufgenommen sind. Die Flachrohre 2 sind dabei durch Wellrippen 5, welche im linken Teil der 1 nicht gezeigt sind, zueinander beabstandet. Der Wärmeübertrager 1 entspricht sonst im Wesentlichen einem Aufbau wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die verwendeten Flachrohre 2 entsprechen einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung und sind aus einem einteiligen Bandmaterial durch Faltung hergestellt.
Im rechten Teil der 1 ist ein Querschnitt durch die Flachrohre 2 und die dazwischen angeordneten Wellrippen 5 dargestellt. Es ist hier zu erkennen, dass die Flachrohre 2 eine Außenstruktur aufweisen, welche durch zwei sich gegenüberliegende Breitseiten und zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten gebildet ist. Weiterhin ist in dem einteiligen Flachrohr 2 eine Innenstruktur ausgebildet, welche eine Mehrzahl von Kanälen innerhalb des Flachrohres 2 ausbildet. Der genauere Aufbau der Flachrohre 2 wird in den nachfolgenden Figuren erläutert.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch eines der erfindungsgemäßen Flachrohre 2 wie Sie bereits im Wärmeübertrager 1 beziehungsweise im Schnittbild der 1 dargestellt sind. Das Flachrohr 2 weist eine Außenstruktur 8 auf, welche aus zwei sich gegenüberliegenden Breitseiten 6 und zwei sich gegenüberliegenden Schmalseiten 7 gebildet ist. Weiterhin weist das Flachrohr 2 im Inneren eine Innenstruktur 9 auf, welche durch einen wellenförmig gefalteten Materialbereich des Bandmaterials, aus welchem das Flachrohr 2 gefertigt ist, gebildet ist. Sowohl die Außenstruktur 8 als auch die Innenstruktur 9 sind einteilig aus einem einzigen Bandmaterial durch Faltung hergestellt.
Das Flachrohr 2 weist eine Breite 14 auf, welche entlang der Breitseiten 6 gemessen ist. Weiterhin weist das Flachrohr 2 eine Höhe 15 auf, welche entlang der Schmalseiten 7 gemessen ist.
Das Bandmaterial, aus welchem das Flachrohr 2 gebildet ist, weist Bereiche einer ersten Materialdicke 12 auf und Bereiche einer zweiten Materialdicke 13. Die erste Materialdicke 12 ist dabei größer als die zweite Materialdicke 13. Die unterschiedlichen Materialdicken 12, 13 des Bandmaterials sind hierbei vorzugsweise durch einen Walzprozess in das ebenflächige Bandmaterial eingebracht worden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann es auch mehr als zwei Materialdicken geben. Wesentlich ist, dass zumindest eine größere Materialdicke und eine im Verhältnis dazu kleinere Materialdicke vorhanden ist.
Die beiden sich gegenüberliegenden Schmalseiten 7 weisen einen abgerundeten Querschnitt auf, welcher vornehmlich durch die Faltung beziehungsweise Biegung des Ausgangsbandmaterials erreicht ist.
Die Innenstruktur 9 weist erste Schenkel 10 auf, welche quer zu den beiden Breitseiten 6 verlaufen, weiterhin weist die Innenstruktur 9 zweite Schenkel 11 auf, welche parallel zu den Breitseiten 6 verlaufen. Die zweiten Schenkel 11 bilden hierbei die Kontaktflächen 18 zwischen den Innenflächen der Breitseiten 6 und der Innenstruktur 9. Die ersten Schenkel 10 dienen der Abstützung der sich gegenüberliegenden Breitseiten 6 gegeneinander.
Das Flachrohr 2, wie es in 2 dargestellt ist, wird erzeugt in dem ein flächiges Bandmaterial, welches im Ausgangszustand in der Ebene der unteren Breitseite 6 liegt, durch mehrere Biege- und Faltvorgänge bearbeitet wird. Hierbei werden die sich gegenüberliegenden freien Endbereiche zuerst durch Faltvorgänge, welche abwechselnd in zwei sich entgegengesetzte Richtungen durchgeführt werden, zu wellenförmigen Bereichen umgeformt, welche später die Innenstruktur 9 bilden. Diese wellenförmigen Bereiche werden um 180 Grad nach innen gefaltet, so dass diese auf dem Bandmaterial in der Ebene der unteren Breitseite 6 zu liegen kommen.
Anschließend werden die durch die Faltung entstandenen neuen freien Endbereiche wiederum um 180 Grad nach innen gefaltet, wodurch die gekrümmten Schmalseiten 7 ausgebildet werden. Die wellenförmigen Bereiche kommen dabei im Inneren der durch die Schmalseiten 7 und Breitseiten 6 gebildeten Außenstruktur 8 zu liegen. Während dieser letzten Faltung werden die freien Endbereiche in der Mitte des Flachrohres 2 miteinander in Anlage gebracht, wodurch die Stoßstelle 16 entsteht. Die Einfaltung der freien Endbereiche erfolgt somit mäanderförmig.
Die jeweils sich links und rechts gegenüberliegenden freien Endbereiche des Ausgangsbandmaterials sind im Flachrohr 2 der 2 durch die Endbereiche 19 gebildet, welche im Inneren des Flachrohres 2 an der unteren Breitseite 6 anliegen. Die Endbereiche 19 sind dabei zu den Wölbungen der Schmalseiten 7 beabstandet, wodurch die Schmalseiten 7 vollständig einwandig ausgeführt sind.
Durch die Anordnung der Endbereiche 19, wie in 2 gezeigt, kann eine Breitentoleranz des Ausgangsbandmaterials in der Breite dadurch ausgeglichen werden, dass der Abstand der freien Endbereiche 19 zu den Schmalseiten 7 leicht variiert. Der grundsätzliche Aufbau und die Maßhaltigkeit des Flachrohres 2 und insbesondere der Außenstruktur 8 werden durch eine verkürzte beziehungsweise verlängerte Ausführung der Endbereiche 19 dabei nicht beeinträchtigt, wodurch weiterhin eine gute Verarbeitbarkeit bei der Herstellung von Wärmeübertragern gewährleistet ist.
Die 3 zeigt eine Detailansicht des Bandmaterials 20, welches als Ausgangsmaterial für die Erzeugung der Flachrohre 2 dient. Das Bandmaterial 20 weist erste Bereiche 21 der ersten Materialdicke 12 auf und zweite Bereiche 22 der zweiten Materialdicke 13. Wie an dem Bandmaterial 20 der 13 zu erkennen ist, werden die Bereiche 22 der zweiten Materialdicke 13 in einem ebenen Zustand des Bandmaterials beispielsweise durch einen Walzprozess in das Bandmaterial 20 eingearbeitet. Zwischen den Bereichen 21 ersten Materialdicke 12 und den Bereichen 22 zweiter Materialdicke 13 sind Übergangsbereiche 23 ausgebildet, welche wie in 3 dargestellt einen stetigen Übergang zwischen der ersten Materialdicke 12 und der zweiten Materialdicke 13 bilden.
Insbesondere diese Übergangsbereiche 23 führen zu einer partiellen Veränderung beziehungsweise Schwächung des Widerstandsmoments des Bandmaterials 20 gegenüber Faltungen und Knickungen. Hierdurch ist es insbesondere einfach möglich das Bandmaterial 20 zu falten. Aufgrund der Übergänge 23 ist es weiterhin möglich besonders scharfkantige Knicke und Faltungen, insbesondere in einem genauen 90° Winkel, zu erzeugen, da die durch den Knick entstehende Materialverdrängung geringer ist, als sie es bei einem Material konstanter Dicke wäre.
Die 4 zeigt eine Detailansicht der Stoßstelle 16, welche sich an der oberen Breitseite 6 des Flachrohres 2 im mittleren Bereich ergibt. Die Stoßstelle 16 resultiert dabei aus einer Anlage zwischen Materialabschnitten 17, welche ihrerseits die zweite Materialdicke 13 aufweisen. Die Anlage der Materialabschnitte 17 entsteht dabei durch das Falten der die Innenstruktur 9 bildenden Bereiche nach innen und das letztendliche Auffalten der oberen Breitseite 6 auf die untere Breitseite 6. Aufgrund der besonders scharfen Knicke, welche insbesondere genau 90° einnehmen, kann an der Stoßstelle 16 eine sehr passgenaue Fügung des linken beziehungsweise des rechten Abschnitts des Flachrohres 2 erzeugt werden. Insbesondere der als Deltaradius beschriebene Radius, welcher an der Stoßstelle 16 an der nach außen gerichteten Fläche der Breitseite 6 auftritt, kann dadurch besonders gering gehalten werden, wodurch eine hohe Maßhaltigkeit der Breitseite 6 gewährleistet werden kann.
Wie in der Detailansicht der 4 weiterhin zu erkennen ist, weist jede Knickstelle zwischen den ersten Schenkeln 10 und den zweiten Schenkeln 11 den Übergangsbereich 23 auf, welcher sehr exakte scharfkantige Knicke in 90° Winkel erlaubt. Auf diese Weise wird eine hohe Maßhaltigkeit des Flachrohres 2 erzeugt und weiterhin eine gute Kontaktfläche 18 zwischen den Breitseiten 6 und der Innenstruktur 9 in Form der zweiten Schenkel 11. Die Kontaktfläche 24 beschreibt die Kontaktfläche zwischen den Materialabschnitten 17 an der Stoßstelle 16. Je genauer der Knick aus der Breitseite 6 hin zu dem Materialabschnitt 17 auf den beiden Seiten erfolgt, desto passgenauer liegen die Materialabschnitte 17 aneinander an.
Die 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Flachrohres 2a. Insbesondere ist hier der linke Endbereich des Flachrohres 2a dargestellt. Das Flachrohr 2a ist im Wesentlichen identisch zu dem vorausgegangenen Flachrohr 2 aufgebaut.
Abweichend zum Flachrohr 2 der 1 bis 4 weist das Flachrohr 2a an der Innenstruktur 9 einen längeren Endbereich 25 auf, welcher nicht wie der bereits gezeigte Endbereich 19 lediglich an der Innenfläche der unteren Breitseite 6 anliegt, sondern entlang der gewölbten Schmalseite 7 bis hin zur oberen Breitseite 6 verläuft. Der Endbereich 25 weist hierbei die zweite geringere Materialdicke 13 auf. Aufgrund des längeren Endbereichs, welcher innen an der Schmalseite 7 anliegt, entsteht eine Materialdopplung an der linken Schmalseite 7.
Die Ausführung des Flachrohres 2a, wie sie für den linken Bereich des Flachrohres 2a gezeigt ist, kann ebenfalls auch den rechten Endbereich des Flachrohres 2a betreffen.
Die 5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Flachrohres 2b. In Abwandlung zur 5 weist der verlängerte Endbereich 25a der Innenstruktur 9 hier die erste Materialdicke 12 auf. Dadurch wird eine noch stärkere Materialdopplung der linken Schmalseite 7 erreicht. Sowohl die Schmalseite 7 als auch der Endbereich 25a im Inneren des Flachrohres 2b weisen somit die erste Materialdicke 12 auf.
Die 7 zeigt einen Querschnitt durch ein Flachrohr 2c, welches in Abwandlung zu dem Flachrohr 2 der 2 eine vereinfachte und verkürzte Innenstruktur 9 aufweist. Das Flachrohr 2c der 7 weist nur zwei erste Schenkel 10 und zweite Schenkel 11 auf, welche quer beziehungsweise parallel zu den Breitseiten 6 verlaufen. Die Innenstruktur 9 des Flachrohres 2c der 7 weist die beiden Materialabschnitte 17 auf, welche an der Stoßstelle des linken und des rechten Bereichs der oberen Breitseite 6 aneinander anliegen. Diese Materialabschnitte 17 bilden den quer zu den Breitseiten 6 stehenden ersten Schenkel 10. Die freien Endbereiche der Materialabschnitte 17, welche an der Innenfläche der unteren Breitseite 6 anliegen, bilden die zweiten Schenkel 11.
Die 8 zeigt eine Detailansicht der Stoßstelle 16 des Flachrohres 2c der 7. Wie auch in den vorausgegangenen Figuren liegen die Materialabschnitte 17 flächig aneinander an und bilden zueinander eine Kontaktfläche 24. Die sich links und rechts im ungefalteten Zustand gegenüberliegenden Endbereiche 19a des Bandmaterials sind in dem Ausführungsbeispiel der 8 um 90° zu den Materialabschnitten 17 abgewinkelt und liegen flächig an der Innenfläche der unteren Breitseite 6 an. Das Flachrohr 2c der 7 und 8 ist somit lediglich in zwei innere Kanäle unterteilt. Sowohl die Materialabschnitte 17 als auch die Endbereiche 19a weisen hierbei die zweite Materialdicke 13 auf während die Schmalseiten 7 und die Breitseiten 6 jeweils die erste Materialdicke 12 aufweisen. In alternativen Ausführungsformen können die Materialabschnitte 17, welcher die ersten Schenkel 10 bilden, auch die erste Materialdicke 12 aufweisen. Dies gilt ebenso für die freien Endbereiche 19a, welche die zweiten Schenkel 11 bilden.
Vorteil der Ausführungsform des Flachrohres 2c der 7 und 8 ist, wie bereits beschrieben, dass die Stoßstelle 16 einen sehr kleinen Deltaradius aufweist, wodurch eine sehr hohe Maßhaltigkeit der oberen Breitseite 6 erreicht werden kann.
Der sehr geringe Deltaradius an der Stoßstelle 16 ist auch hinsichtlich einer prozesssicheren Verlötung des Flachrohres 2c vorteilhaft, da die sich ergebenden Spaltmaße sehr gering sind. Die Spaltmaße sind dabei insbesondere gegenüber Stoßstellen mit größerem Deltaradius gering.
Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 8 sind beispielhaft und dienen zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens. Insbesondere hinsichtlich der Ausgestaltung und geometrischen Dimensionierung und Anordnung der einzelnen Elemente zu einander weisen die 1 bis 8 keine beschränkende Wirkung auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006054814 B4 [0007]
DE 102006050319 A1 [0008]
EP 1243884 B1 [0009]

Claims

Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) für einen Wärmeübertrager (1), wobei das Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) durch ein Einfalten von zwei sich gegenüberliegenden freien Endbereichen eines einteiligen Bandmaterials (20) erzeugt ist, mit einer Außenstruktur (8), welche zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten (7) und zwei sich gegenüberliegende Breitseiten (6) aufweist, wobei im Inneren des Flachrohres (2, 2a, 2b, 2c) zumindest zwei fluidisch voneinander getrennte Kanäle durch eine Innenstruktur (9) ausgebildet sind, wobei das Bandmaterial (20) zumindest einen ersten Bereich (21) einer ersten Materialdicke (12) und zumindest einen zweiten Bereich (22) einer zweiten Materialdicke (13) aufweist, wobei die zweite Materialdicke (13) geringer ist als die erste Materialdicke (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabschnitte (17) des Bandmaterials (20), welche die quer zu den Breitseiten (6) gelegene Stoßstelle (16) der eingefalteten freien Endbereiche des Bandmaterials (20) aneinander bilden, die zweite Materialdicke (13) aufweisen.
Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmalseiten (7) und/oder die Breitseiten (6) durch einen Materialabschnitt, welcher die erste Materialdicke (12) aufweist, gebildet sind.
Flachrohr (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich gegenüberliegenden freien Endbereiche des Bandmaterials (20) mäanderförmig eingefaltet sind.
Flachrohr (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenstruktur (9) durch einen wellenförmig geknickten Materialabschnitt des Bandmaterials (20) gebildet ist, wobei der wellenförmig geknickte Materialabschnitt erste Schenkel (10) aufweist, die quer zu den Breitseiten (6) stehen, und zweite Schenkel (11) aufweist, die parallel zu den Breitseiten (6) stehen und die Kontaktflächen (18) zwischen der Innenstruktur (9) und der Außenstruktur (8) bilden.
Flachrohr (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Schenkel (10) die erste Materialdicke (12) aufweist und die zweiten Schenkel (11) die zweite Materialdicke (13) aufweisen.
Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Übergänge (23) zwischen den Bereichen (21), welche die erste Materialdicke (12) aufweisen, und den Bereichen (22), welche die zweite Materialdicke (13) aufweisen, Soll-Knickstellen ausgebildet sind.
Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Knick, welcher den Übergang von einer der Breitseiten (6) in die Stoßstelle (16) der beiden freien Endbereiche des Bandmaterials (20) bildet, einen Winkel von 90 Grad aufweist, wobei der Knick scharfkantig ist, wodurch der Deltaradius zwischen den aneinanderstoßenden Materialabschnitten kleinstmöglich ist.
Flachrohr (2a, 2b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenstruktur (9) derart gestaltet ist, dass eine Materialdopplung im Bereich einer Schmalseite (7) oder beider Schmalseiten (7) entsteht, wobei der Materialabschnitt (25, 25a) der Innenstruktur (9), welcher die Materialdopplung verursacht, die erste Materialdicke (12) oder die zweite Materialdicke (13) aufweist.
Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbreite (14) entlang der Breitseiten (6) zwischen 9 mm und 60 mm und dabei bevorzugt zwischen 10 mm und 30 mm liegt.
Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrhöhe (15) entlang der Schmalseiten (7) in einem Bereich zwischen 1,3 mm und 30 mm liegt.
Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialdicke (12) zwischen 160 μm und 500 μm und dabei bevorzugt zwischen 180 μm und 250 μm liegt, wobei die zweite Materialdicke (13) zwischen 50 μm und 400 μm und dabei bevorzugt zwischen 70 μm und 250 μm liegt.
Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der quer zu den Breitseiten (6) stehenden Materialabschnitte (17) und/oder ersten Schenkel (10) zwischen zwei und zwanzig liegt.
Wärmeübertrager (1) mit einem Flachrohr (2, 2a, 2b, 2c) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) einen ersten Rohrboden und einen zweiten Rohrboden aufweist, wobei die Flachrohre (2, 2a, 2b, 2c) endseitig in die Rohrböden aufgenommen sind, wobei die Außenstruktur (8), die Innenstruktur (9) und die Rohrböden in einem Arbeitsschritt miteinander verlötet sind.