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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Wärmetauscher mit Rippen.
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Es ist möglich, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor mit Wärmetauschern auszustatten, die dazu vorgesehen sind, die Wärme der Abgase rückzugewinnen. Bei diesen Wärmetauschern kann es sich um Tauscher mit glatten oder gewellten Rohren, mit Platten und Rippen oder auch mit Rohren und Rippen handeln.
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Bei diesen zwei letztgenannten Familien gibt es drei Rippentypen: mit Wellen, Offset oder gewalzt. In 1 sind Rippen vom Typ Offset-Rippen gezeigt. Diese Rippen sind diskontinuierlich und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zur Abgaszirkulationsrichtung, die in 1 mit dem Pfeil F dargestellt ist. Die Wirksamkeit dieser Rippen beruht hauptsächlich auf der Stirnfläche der Rippe, d.h. auf ihrem Rand, der der Abgasströmung gegenübersteht. Die weiteren Flächen der Rippe verlaufen im Wesentlichen parallel zum Fluid. Sie sind somit nur unwesentlich an den Wärmeaustauschleistungen beteiligt.
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Bei diesem Rippentyp besteht die einzige Möglichkeit, die Leistungen zu steigern, darin, die Länge der Rippen zu verringern und deren Anzahl zu erhöhen. Dadurch kann die Stirnfläche vergrößert werden, die der Abgaszirkulation gegenübersteht. Es ist jedoch nicht möglich, die Anzahl der Rippen sehr stark zu steigern, da der von den Rippen erzeugte Gegendruck infolgedessen steigt.
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Darüber hinaus sind die Rippen vom Typ Offset-Rippen im Betrieb relativ hohen Temperaturen ausgesetzt. Die mechanischen Belastungen bei diesem Rippentyp sind somit sehr hoch.
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In diesem Zusammenhang besteht das Ziel der Erfindung darin, Rippen mit sehr guten Wärmeaustauschleistungen vorzuschlagen, die jedoch einen geringeren Gegendruck erzeugen und bei denen die mechanischen Belastungen im Betrieb verringert sind.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt eine Platte, die so umgebogen ist, dass mehrere Längsrippen gebildet sind, die in Querrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Platte eine erste und eine zweite große Fläche aufweist, die einander gegenüberliegen, und mehrere erste Bereiche aufweist, die an der ersten großen Fläche gewölbt und an der zweiten großen Fläche vertieft sind, sowie mehrere zweite Bereiche, die an der zweiten großen Fläche gewölbt und an der ersten großen Fläche vertieft sind, wobei die Platte dazu vorgesehen ist, mit mindestens einem Rohr in Kontakt zu sein, in dem ein erstes Fluid zirkuliert, wobei die Rippen Kanäle für die Zirkulation eines zweiten Fluids begrenzen;
wobei jede Rippe in Längsrichtung abwechselnd einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist;
wobei die ersten Bereiche einer vorgegebenen Rippe in Querrichtung gegenüber den ersten Bereichen der in Querrichtung benachbarten Rippe angeordnet sind und die zweiten Bereiche der vorgegebenen Rippe in Querrichtung gegenüber den zweiten Bereichen der in Querrichtung benachbarten Rippe angeordnet sind, so dass dem zweiten Fluid zwischen der vorgegebenen Rippe und der benachbarten Rippe eine Längsabfolge von Durchlässen mit verengtem Querschnitt und von Durchlässen mit erweitertem Querschnitt geboten wird;
wobei jeder erste Bereich mindestens vier flache Facetten aufweist, wobei die flachen Facetten jeweilige Normalen aufweisen, die in divergierende Richtungen ausgerichtet sind.
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Aufgrund der Tatsache, dass die Zirkulationskanäle für das zweite Fluid in Längsrichtung eine Abfolge von Durchlässen mit verengtem Querschnitt und von Durchlässen mit erweitertem Querschnitt aufweisen, werden in der Strömung des zweiten Fluids Turbulenzen erzeugt. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben ist, ist es dadurch möglich, Fluidumwälzungen auf Höhe der Durchlässe mit erweitertem Querschnitt zu erzeugen. Auf Höhe der Durchlässe mit verringertem Querschnitt wird das zweite Fluid zur Mitte des Zirkulationskanals umgeleitet, wodurch der im Zirkulationskanal zirkulierende Strom des zweiten Fluids nach und nach durchgekühlt werden kann.
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Die Verwendung von flachen Facetten zur Bildung der gewölbten Bereiche und der vertieften Bereiche trägt dazu bei, hervorragende Leistungen zu erhalten. Das zweite Fluid löst sich an den flachen Facetten ab, wodurch die Temperatur der Rippen begrenzt werden kann.
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Diese Ergebnisse werden mit einem im Vergleich zu Rippen vom Typ Offset-Rippen verringerten Gegendruck erhalten.
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Die Platte kann auch eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale aufweisen, die einzeln oder in allen technisch möglichen Kombinationen betrachtet werden:
- - jeder zweite Bereich ist durch mindestens zwei flache Facetten gebildet, die zu dem ersten Bereich gehören, der in Längsrichtung auf einer ersten Seite des zweiten Bereichs liegt, und durch mindestens zwei weitere flache Facetten, die zu dem ersten Bereich gehören, der in Längsrichtung auf einer zweiten Seite des zweiten Bereichs liegt, die der ersten Seite gegenüberliegt;
- - die Platte ist zackenförmig umgebogen, wobei die Rippen über obere und untere Flächen miteinander verbunden sind, die dazu vorgesehen sind, mit dem Rohr bzw. den Rohren in Kontakt zu sein;
- - die oberen und unteren Flächen sind eben;
- - jede Rippe weist ein oberes Band auf, das die ersten und zweiten Bereiche mit der oberen Fläche verbindet, sowie ein unteres Band, das die ersten und zweiten Bereiche mit der unteren Fläche verbindet, wobei das obere und das untere Band Teil ein und derselben bestimmten Ebene sind;
- - die flachen Facetten der ersten Bereiche weisen jeweilige geometrische Zentren auf, die Teil der bestimmten Ebene sind;
- - der zwischen zwei vorgegebenen Rippen begrenzte Zirkulationskanal ist auf einer Seite durch eine der oberen oder unteren Flächen geschlossen und weist auf der gegenüberliegenden Seite der oberen oder unteren Fläche eine Öffnung auf, wobei die ersten und/oder zweiten zum Inneren des Zirkulationskanals gewölbten Bereiche jeweils mindestens zwei flache Facetten aufweisen, die zur oberen oder unteren Fläche versetzt und zur oberen oder unteren Fläche geneigt sind, sowie mindestens zwei flache Facetten, die zur Öffnung versetzt und zur Öffnung geneigt sind.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Fahrzeugwärmetauscher, wobei der Wärmetauscher Folgendes aufweist:
- - mehrere Rohre, die für die Zirkulation eines ersten Fluids vorgesehen sind;
- - mindestens eine Platte mit den oben genannten Merkmalen, wobei die Platte mit mindestens einem der Rohre in Kontakt ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Fahrzeugabgasleitung mit einem Wärmetauscher mit den oben genannten Merkmalen, wobei es sich bei dem zweiten Fluid um das Abgas handelt.
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Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Platte mit den oben genannten Merkmalen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Tiefziehen eines ebenen Metallplättchens mit einer oberen und einer unteren großen Fläche, was zur Bildung von mehreren Längsbändern in dem Metallplättchen führt, die bezogen auf die obere große Fläche hervorstehen und bezogen auf die untere große Fläche vertieft sind, wobei jedes Längsband die ersten und zweiten Bereiche von zwei Rippen aufweist und die obere Fläche die beiden Rippen miteinander verbindet;
- - Umbiegen des tiefgezogenen Metallplättchens um mehrere obere längsverlaufende Biegungslinien an der Verbindungsstelle zwischen den Rippen und den oberen Flächen und um mehrere untere längsverlaufende Biegungslinien an der Verbindungsstelle zwischen den Rippen und den unteren Flächen.
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Das Herstellungsverfahren kann ferner eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale umfassen, die einzeln oder in allen technisch möglichen Kombinationen betrachtet werden:
- - im Tiefziehschritt werden Ausganspunkte der oberen und unteren längsverlaufenden Biegungslinien ausgebildet;
- - der Umbiegeschritt umfasst folgende Unterschritte:
- - Anordnen des tiefgezogenen Metallplättchens zwischen einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche, wobei die obere und die untere große Fläche gegenüber der oberen Oberfläche bzw. gegenüber der unteren Oberfläche angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen der oberen und der unteren Oberfläche im Wesentlichen der Höhe der Rippen entspricht;
- - Komprimieren des tiefgezogenen Metallplättchens in Querrichtung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung, die nachfolgend beispielhaft und keineswegs einschränkend mit Bezug auf die beigefügten Figuren angegeben ist. Darin zeigen:
- 1 eine Draufsicht von Rippen vom Typ Offset-Rippen;
- 2 eine Aufrissansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, die eine Platte zeigt, die so umgebogen ist, dass mehrere Rippen gebildet sind, die mit zwei Wärmeaustauschrohren in Kontakt sind;
- 3 eine perspektivische Teilansicht der Platte von 2;
- 4 eine Seitenansicht einer Rippe von 3;
- 5 und 6 schematische Darstellungen, die die Strömung des Gasflusses zwischen zwei Rippen bzw. die Temperaturgradienten in dieser Strömung veranschaulichen;
- 7 und 8 Schnittansichten eines Teils der Platte von 3, die senkrecht zur Längsrichtung bzw. in einer Längs- und Querebene betrachtet werden;
- 9 bis 13 Schnittansichten der Platte von 3, die in den in 7 dargestellten Ebenen IX bis XIII betrachtet werden; und
- 14 bis 16 verschiedene Schritte des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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Der in 2 gezeigte Wärmetauscher 1 weist Folgendes auf:
- - mehrere Rohre 3, die für die Zirkulation eines erstes Fluids vorgesehen sind;
- - mindestens eine Platte 5, die so umgebogen ist, dass mehrere Längsrippen 7 gebildet sind, die in Querrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Platte 5 mit mindestens einem der Rohre 3 in Kontakt ist.
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Zwischen den Rippen 7 sind Kanäle 21 zur Zirkulation eines zweiten Fluids begrenzt. Diese Kanäle 21 erstrecken sich in Längsrichtung von einem Ende der Platte 5 zum anderen.
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Die Längs- und Querrichtung sind durch die Pfeile L und T in den 2 und 3 dargestellt.
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Der Wärmetauscher 1 ist üblicherweise für den Einbau in einer Abgasleitung eines Fahrzeugs, üblicherweise eines Kraftfahrzeugs wie etwa eines Autos, eines Lastwagens oder eines Zweirads vorgesehen.
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Das Fahrzeug ist üblicherweise mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet, der Abgase abgibt.
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In diesem Fall handelt es sich bei dem zweiten Fluid üblicherweise um das Fahrzeugabgas.
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Als Variante ist der Wärmetauscher nicht in der Abgasleitung des Fahrzeugs, sondern in einem anderen Kreislauf, z.B. in einem Belüftungs- oder Klimatisierungskreislauf des Fahrzeuginnenraums eingebaut.
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Gemäß einer weiteren Variante wird der Wärmetauscher nicht bei einem Fahrzeug, sondern in jeglicher anderen Industrieanlage verwendet.
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In 2 sind lediglich zwei Rohre 3 und eine Platte 5 dargestellt. Der Wärmetauscher kann jedoch eine beliebige Anzahl an Rohren 3 und auch eine beliebige Anzahl an Platten 5, die mit den Rohren 3 in Kontakt sind, aufweisen.
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In 2 umfasst die Platte 5 sechs Rippen 7. Die Platte 5 kann jedoch eine beliebige Anzahl an Rippen 7 umfassen, die je nach Größe des Wärmetauschers 1 weniger als sechs oder mehr als sechs beträgt.
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Bei dem dargestellten Beispiel haben die Rohre 3 einen sogenannten „race track“-Querschnitt, d.h. die Gestalt einer Rennstrecke. Jedes Rohr 3 weist zwei ebene Flächen 9 auf, die über gebogene Abschnitte 11 miteinander verbunden sind. Die Platte 5 ist gegenüber den beiden Rohren 3 in Kontakt mit den ebenen Flächen 9.
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Als Variante haben die Rohre 3 einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt oder einen Querschnitt mit jeglicher anderen geeigneten Gestalt.
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Die Platte 5 ist in Kontakt mit der Außenfläche der Rohre 3, wobei diese Außenfläche je nach Fall gebogen oder eben ist.
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Wie in den 2 und 3 zu sehen ist, ist die Platte 5 zackenartig umgebogen, wobei die Rippen 7 über eine obere und eine untere Fläche 13, 15, die dazu vorgesehen sind, mit den Rohren 3 in Kontakt zu sein, miteinander verbunden sind.
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Die obere und untere Fläche 13, 15 sind vorteilhafterweise eben, so dass sie einen guten thermischen Kontakt mit den Rohren 3 gewährleisten.
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Üblicherweise sind die obere und die untere Fläche 13, 15 an die Rohre 3 gelötet, so dass ein perfekter Kontakt gewährleistet ist, sowie an eine große Oberfläche zwischen der Platte 5 und den Rohren 3.
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Dies ist im Fall der Erfindung aufgrund der großen Menge Wärme, die von den Rippen 7 zu den Rohren 3 übertragen wird, besonders kritisch.
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Die obere und untere Fläche 13, 15 erstrecken sich in Längsrichtung im Wesentlichen auf der gesamten Länge der Platte 5.
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Bei dem dargestellten Beispiel verlaufen sie in Längs- und in Querrichtung.
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Jede Rippe 7 erstreckt sich in einer Höhenrichtung E von einer unteren Fläche 15 zu einer oberen Fläche 13. Die Höhenrichtung E ist in den 2 und 3 dargestellt.
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Mit anderen Worten ist ein oberer Rand der Rippe 7 mit der oberen Fläche 13 verbunden. Ein unterer Rand, der in Höhenrichtung E dem oberen Rand gegenüberliegt, ist mit der unteren Fläche 15 verbunden.
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Jeder Kanal 21 ist quer durch zwei zueinander benachbarte Rippen 7 begrenzt. Er ist auf einer Seite durch eine der oberen Flächen 13 oder eine der unteren Flächen 15 geschlossen. Er weist gegenüber der oberen Fläche 13 oder der unteren Fläche 15 eine Öffnung auf. Diese Öffnung ist durch eines der Rohre 3 (2) geschlossen.
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Die Platte 5 weist eine erste und eine zweite große Fläche 17, 19 auf, die einander gegenüberliegen. Die Platte 5 weist mehrere erste Bereiche 23 auf, die an der ersten großen Fläche 17 gewölbt und an der zweiten großen Fläche 19 vertieft sind, sowie mehrere zweite Bereiche 25, die an der zweiten großen Fläche 19 gewölbt und an der ersten großen Fläche 17 vertieft sind.
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Die ersten und zweiten Bereiche 23, 25 werden durch Tiefziehen, d.h. durch Verformung der Platte erhalten.
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Wie in den 2 bis 4 zu sehen ist, weist jede Rippe 7 in Längsrichtung abwechselnd einen ersten Bereich 23 und einen zweiten Bereich 25 auf.
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Genauer gesagt weist jede Rippe 7 in Längsrichtung nacheinander und abwechselnd einen ersten Bereich 23 und einen zweiten Bereich 25 auf.
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Wie insbesondere in den 9 bis 13 zu sehen ist, sind die ersten Bereiche 23 einer vorgegebenen Rippe 7 in Querrichtung gegenüber den ersten Bereichen 23 der in Querrichtung benachbarten Rippe 7 angeordnet.
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Ebenso sind die zweiten Bereiche 25 der vorgegebenen Rippe 7 in Querrichtung gegenüber den zweiten Bereichen 25 der in Querrichtung benachbarten Rippe 7 angeordnet.
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Somit wird zwischen der vorgegebenen Rippe 7 und der benachbarten Rippe 7 eine Längsabfolge von Durchlässen mit verengtem Querschnitt 27 und von Durchlässen mit erweitertem Querschnitt 29 gebildet.
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Jeder Zirkulationskanal 21 hat somit eine Form vom Typ konvergierende/divergierende Form.
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Mit anderen Worten verändert sich der dem zweiten Fluid gebotene Durchlassquerschnitt in Längsrichtung mit dem Fortschreiten des zweiten Fluids. Diese Veränderung des Querschnitts wird durch eine Veränderung der Geschwindigkeit und des Drucks ausgedrückt. Diese Veränderung ist gering, jedoch stark genug, um Turbulenzen zu erzeugen. Sie ist ausreichend gering, um keinen großen Gegendruck zu erzeugen.
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Das Verhalten des zweiten Fluids, das durch einen der Zirkulationskanäle 21 strömt, ist in 5 veranschaulicht. In dem Durchlass mit erweitertem Querschnitt 29 sind Umwälzungen oder Wirbel 31 zu beobachten, die bezogen auf die allgemeine Strömungsrichtung des zweiten Fluids, die durch den Pfeil C dargestellt ist, im Gegenstrom sind. Diese Umwälzungen 31 betreffen nur eine geringe Menge des zweiten Fluids, das eine geringe Geschwindigkeit hat. Aufgrund der langen Dauer, in der es an den Oberflächen der beiden Rippen 7, die den Durchlass mit erweitertem Querschnitt 29 begrenzen, freiliegt, verringert sich die Temperatur dieses Teils des zweiten Fluids daher deutlich.
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Diese Umwälzungen 31 finden in den zum Inneren des Zirkulationskanals 21 vertieften Bereichen, d.h. in den zweiten Bereichen 25 der Rippen 7 für den in 5 gezeigten Kanal 21 statt.
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In den beiden Kanälen 21, die den in 5 gezeigten Kanal 21 umgeben, finden die Umwälzungen 31 in den ersten Bereichen 23 der Rippen 7 statt.
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Das zweite Fluid tritt, nachdem es eine Umwälzung um eine ganze Drehung ausgeführt hat, erneut in die Hauptstrecke des zweiten Fluids ein, was dazu beiträgt, diese Hauptstrecke zu kühlen.
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In den zum Inneren des Zirkulationskanals 21 gewölbten Bereichen sind die Rippen in Kontakt 7 mit einer großen Menge des zweiten Fluids, das eine hohe Geschwindigkeit hat.
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In dem in 5 gezeigten Kanal entsprechen diese gewölbten Bereiche den ersten Bereichen 23 der Rippen 7. In den beiden Kanälen 21, die den in 5 gezeigten Kanal 21 umgeben, sind die gewölbten Bereiche die zweiten Bereiche 25 der Rippen 7.
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Die Gasstrecken, die jeder Rippe 7 am nächsten liegen, werden von den gewölbten Bereichen umgeleitet und erneut zum Mittelteil der Hauptstrecke des zweiten Fluids geleitet, wie in 5 durch die Pfeile 33 gezeigt ist. Je größer der Winkel α zwischen den Strecken des auftreffenden Gases und der Tangente zum gewölbten Bereich, desto mehr werden die Strecken des auftreffenden Gases zur Mitte der Hauptfluidstrecke umgeleitet.
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Mit anderen Worten funktionieren die Zirkulationskanäle vom Typ divergierende/konvergierende Kanäle nach dem folgenden Prinzip. Das zweite Fluid strömt im Zirkulationskanal 21 gemäß der Hauptrichtung, die in 5 durch den Pfeil C dargestellt ist. Sobald die Spitzen der zum Inneren des Zirkulationskanals 21 gewölbten Bereiche überschritten sind, tritt das Fluid in einen Durchlass 29 mit erweitertem Querschnitt ein, und das diesem Fluid gebotene Volumen steigt abrupt an. Der Druck sowie die Geschwindigkeit sinken. Ein Teil des Fluids verändert kaum die Richtung und strömt weiter gemäß der Richtung C. Ein sehr geringer Teil des zweiten Fluids wird stark umgeleitet und kann Wirbel 31 erzeugen. Ein etwas größerer Teil des zweiten Fluids wird von den zum Inneren des Zirkulationskanals 21 gewölbten Bereichen umgeleitet und schnellt in die durch die Pfeile 33 dargestellten Richtungen zurück. Dieses Fluid verliert einen Teil seiner Wärmeenergie beim Kontakt mit den gewölbten Bereichen.
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Somit wird das zweite Fluid in jedem Durchlass mit verengtem Querschnitt 27 und in jedem Durchlass mit erweitertem Querschnitt 29 gekühlt. Es kühlt nach und nach ab, bis die Hauptstrecke des zweiten Fluids durchgekühlt ist.
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In 6 ist die Temperatur des zweiten Fluids dargestellt, das in dem in 5 gezeigten Zirkulationskanal 21 strömt. Es wurden mehrere Bereiche dargestellt, wobei die Temperatur des Fluids in diesen Bereichen von a nach f abnimmt.
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Im Schnitt von 6 sind bei 35 die gekühlten Fluidbereiche zu sehen, die den Umwälzungen 31 entsprechen. Bei 37 ist die Abkühlung zu sehen, die das zweite Fluid erfahren hat, wenn die Umwälzung 31 erneut in die Hauptstrecke eintritt.
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Der Bereich 39 entspricht den Strecken des zweiten Fluids, die von den entsprechend den Pfeilen 33 von 5 gewölbten Teilen umgeleitet werden. Dieser Bereich 39 hat aufgrund der Geschwindigkeit und der Menge des zweiten Fluids, das auf die gewölbten Bereiche trifft, eine geringere Dicke als der Bereich 35. Bei 41 ist der Einfluss der erneuten Einleitung der entsprechend den Pfeilen 33 von 5 umgeleiteten Fluidstrecken auf die Temperatur der Hauptstrecke des zweiten Fluids zu sehen.
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Die 5 und 6 sind Simulationen für den folgenden Betriebsfall:
- - Längsabstand zwischen zwei zum Inneren des Kanals 21 gewölbte Bereiche: 2 mm;
- - Tiefe der vertieften Bereiche: 0,5 mm;
- - zweites Fluid: Abgas bei einer Temperatur von 560°C am Einlass des Kanals 21;
- - Gasdurchsatz: 0,42 kg/Stunde im Kanal 21;
- - Durchschnittsgeschwindigkeit des Gases im Kanal 21: 12m/Sekunde.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung weist jeder erste Bereich 23 mindestens vier flache Facetten 43 auf, wobei die flachen Facetten 43 jeweilige Normalen N aufweisen, die in divergierende Richtungen gerichtet sind (s. 4).
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Jeder erste Bereich 23 weist vorzugsweise eine gerade Anzahl an flachen Facetten 43 auf, die größer oder gleich 4 ist. Jeder erste Bereich 23 könnte somit z.B. sechs oder acht flache Facetten 43 aufweisen.
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Bei dem dargestellten Beispiel weist jeder erste Bereich 23 vier flache Facetten 43 auf.
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Wie oben angegeben, ist jeder Zirkulationskanal 21, der zwischen vorgegebenen Rippen 7 begrenzt wird, auf einer Seite durch die obere oder untere Fläche 13, 15 geschlossen und weist auf der Seite, die der oberen oder unteren Fläche 13, 15 gegenüberliegt, eine Öffnung auf.
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Wie insbesondere in 1 zu sehen ist, weisen der erste und der zweite Bereich 23, 25, die zum Inneren des Zirkulationskanals 21 gewölbt sind, jeweils mindestens zwei flache Facetten 43 auf, die zur oberen oder unteren Fläche 13, 15 versetzt und zur oberen oder unteren Fläche 13, 15 geneigt sind, sowie mindestens zwei flache Facetten 43, die zur Öffnung versetzt und zur Öffnung geneigt sind.
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Üblicherweise ist die Hälfte der flachen Facetten 43 des ersten und des zweiten Bereichs 23, 25, die zum Inneren des Zirkulationskanals 21 gewölbt sind, zur oberen oder unteren Fläche 13, 15 versetzt und zur oberen oder unteren Fläche 13, 15 geneigt. Die andere Hälfte der flachen Facetten 43 ist zur Öffnung versetzt und zur Öffnung geneigt.
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Hier ist unter geneigt die Tatsache zu verstehen, dass die Normale N zur flachen Facette 43 in Richtung der Öffnung oder in Richtung der oberen oder unteren Fläche 13, 15 ausgerichtet ist.
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Ebenso weisen der erste und der zweite zum Inneren des Zirkulationskanals 21 gewölbte Bereich 23, 25 jeweils mindestens zwei flache Facetten 43 auf, die in Längsrichtung auf einer ersten Seite versetzt und zur Seite geneigt sind. Der erste und der zweite Bereich 23, 25 weisen auch jeweils mindestens zwei flache Facetten 43 auf, die in Längsrichtung auf der gegenüberliegenden Seite versetzt und zur gegenüberliegenden Seite geneigt sind.
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Üblicherweise ist die Hälfte der flachen Facetten 43 auf der ersten Längsseite versetzt und zur ersten Längsseite geneigt, und die andere Hälfte der flachen Facetten 43 ist zur zweiten Längsseite versetzt und zur zweiten Längsseite geneigt.
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Die flachen Facetten 43 sind über nicht ebene, gewölbte Abschnitte 45 der Platte 5 miteinander verbunden.
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Bei Betrachtung der Spitze 47 des ersten oder zweiten Bereichs 23, 25 liegen für den Fall, bei dem der erste oder der zweite Bereich 23, 25 vier flache Facetten 43 aufweist, dann zwei flache Facetten 43 vollständig zwischen der Spitze 47 und der Öffnung. Zwei weitere flache Facetten 43 liegen vollständig zwischen der Spitze 47 und der oberen oder unteren Fläche 13, 15, die der Öffnung gegenüberliegt.
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Die vier flachen Facetten 43 sind in Bezug auf eine Ebene, die die Längsrichtung L und die Querrichtung T beinhaltet und durch die Spitze 47 verläuft, symmetrisch.
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Ebenso liegen zwei flache Facetten 43 in Längsrichtung vollständig auf einer Seite der Spitze 47, und zwei weitere flache Facetten 43 liegen in Längsrichtung vollständig auf der anderen Seite der Spitze 47.
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Die vier flachen Facetten 43 sind bezogen auf eine Ebene, die die Höhenrichtung und die Querrichtung beinhaltet und durch die Spitze 47 verläuft, symmetrisch.
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Die geometrischen Zentren der vier flachen Facetten 43 sind somit so angeordnet, dass ein Rechteck gebildet ist. Die Spitze 47 nimmt in einer orthogonalen Projektion auf das Rechteck die Mitte des Rechtecks ein.
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Wenn der erste Bereich 23 vier flache Facetten 43 aufweist, sind die Normalen N zu diesen vier flachen Facetten 43 zu jeweilige Raummesswinkel π/2 sr gerichtet, die ohne Überschneidung nebeneinanderliegen und zusammen eine Halbkugel definieren.
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Mit anderen Worten sind die Normalen N jeweils zu einem Raumwinkel einer Achtelkugel gerichtet.
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Der Winkel α zwischen jeder flachen Facette 43 und einer Ebene, die die Höhenrichtung E und die Längsrichtung L beinhaltet, beträgt etwa 18°. Der Winkel β zwischen jeder flachen Facette 43 und einer Ebene, die die Höhenrichtung E und die Querrichtung T beinhaltet, beträgt etwa 63°. Diese Winkel sind in den 7 und 8 dargestellt.
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Die flachen Facetten 43 des ersten Bereichs 23 haben alle die gleiche Fläche und im Wesentlichen die gleiche Form.
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Der erste Bereich 23 erstreckt sich in Höhenrichtung E auf mindestens 75% der Höhe der Rippe 7.
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Wie in den Figuren zu sehen ist, ist jeder zweite Bereich 25 durch mindestens zwei flache Facetten 43 gebildet, die zu dem ersten Bereich 23 gehören, der in Längsrichtung auf einer ersten Seite des zweiten Bereichs 25 liegt, und durch mindestens zwei weitere flache Facetten 43, die zu dem ersten Bereich 23 gehören, der in Längsrichtung auf einer zweiten Seite des zweiten Bereichs 25 liegt, der der ersten Seite gegenüberliegt.
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Jede Facette 43 begrenzt somit sowohl den ersten Bereich 23, der in Längsrichtung auf einer Seite liegt, als auch den zweiten Bereich 25, der in Längsrichtung auf der gegenüberliegenden Seite liegt.
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Jede Rippe 7 weist außerdem ein oberes Band 49 auf, das den ersten und den zweiten Bereich 23,2 5 mit der oberen Fläche 13 verbindet. Sie weist auch ein unteres Band 51 auf, das den ersten und den zweiten Bereich 23, 25 mit der unteren Fläche 15 verbindet.
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Das obere und das untere Band 49, 51 sind eben. Sie sind Teil ein und derselben bestimmten Ebene. Sie erstrecken sich über die gesamte Länge der Rippe 7 in Längsrichtung.
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Die jeweiligen geometrischen Mitten der flachen Facetten 43 der ersten Bereiche 23 sind Teil der bestimmten Ebene, wie in 2 zu sehen ist.
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Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, über einen ersten und zweiten Bereich 23, 25, die möglichst tief sind, zu verfügen, wobei die Winkel α und β so groß wie möglich sind. Dies trägt dazu bei, interessante Wärmeaustauschleistungen zu erhalten und dabei eine geringe Rippentemperatur zu gewährleisten.
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Die Ausrichtung der flachen Facetten 43 ermöglicht die Bildung der aufeinanderfolgenden Durchlässe mit verengtem und erweitertem Querschnitt, d.h. der oben beschriebenen Geometrie vom Typ konvergierende/divergierende Geometrie.
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Wie oben angegeben, ist es dadurch möglich, das zweite Fluid allmählich zu kühlen.
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Die Tatsache, dass flache Facetten und keine gewölbten Formen verwendet werden, trägt dazu bei, eine hervorragende Ablösung des zweiten Fluids zu erhalten und eine verringerte Temperatur der Rippe zu gewährleisten.
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Die Ausrichtung der flachen Facetten 43 ermöglicht es auch, dass das auf Höhe des ersten und des zweiten Bereichs 23, 25 zirkulierende Fluid das auf Höhe der oberen Bänder 43 und auf Höhe der unteren Bänder 51 zirkulierende Fluid „holt“. Das Volumen des Zirkulationskanals 21, das zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich 23, 25 liegt, entspricht dem aktiven Teil des Zirkulationskanals 21. Die Ausrichtung der flachen Facetten 43 ermöglicht es, einen Austausch des zirkulierenden Fluids in diesem aktiven Teil zu gewährleisten. Dieses Fluid wird zur Öffnung des Zirkulationskanals 21 und zur oberen oder unteren Fläche 13, 15 geleitet und verdrängt somit das in diesen Volumina zirkulierende Fluid.
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Dies trägt dazu bei, zufriedenstellende Leistungen für die Rippen 7 zu erreichen.
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Die 9 und 13 zeigen die jeweilige Gestalt der unteren und oberen Bänder 51, 49 der Rippen 7. Die 10 und 12 zeigen die Ausrichtung der flachen Facetten 43, die unter bzw. über den Spitzen 47 der ersten Bereiche 23 liegen. 11 zeigt die Gestalt der Rippen 7 in einem Längsschnitt auf Höhe der Spitzen 47 der ersten Bereiche 23.
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Diese Figuren zeigen, dass die erfindungsgemäßen Rippen 7 im Gegensatz zu den Offset-Rippen durchgehend sind. Dadurch kann ein verringerter Gegendruck erhalten werden.
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Für ein Abgas mit einer Temperatur von 860° am Einlass des Wärmetauschers und mit einem Durchsatz von 45 kg/Stunde beträgt der von dem Wärmetauscher erzeugte Gegendruck 1,7 Millibar. Mit Offset-Rippen würde dieser Gegendruck 2,1 Millibar betragen, d.h. mit der Erfindung wird ein Gewinn von 30% erhalten.
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Die erfindungsgemäßen Rippen 7 erzeugen Gegendruck nur aufgrund der oben beschriebenen Fluidumwälzungen. Die ersten und zweiten Bereiche 23, 25 haben geringere Tiefen, wodurch der erzeugte Gegendruck begrenzt wird.
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Wie zuvor angegeben, wird die Temperatur der Rippen 7 verringert, mit einem Maximum bei 550°C im Vergleich zu einem Maximum von 710°C bei Offset-Rippen 7. Die thermomechanische Belastung in den Rippen 7 wird infolgedessen verringert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Platte.
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Das Verfahren ist in den 14 bis 16 veranschaulicht.
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Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Tiefziehen eines ebenen Metallplättchens 53 mit oberen und unteren großen Flächen 55, 57, was zur Bildung von mehreren Längsbändern 59 in dem Metallplättchen 53 führt, die in Bezug auf die obere große Fläche 55 hervorstehen und in Bezug auf die untere große Fläche 57 vertieft sind, wobei jedes Längsband 59 erste und zweite Bereiche 23, 25 von zwei Rippen 7 aufweist und die obere Fläche 13 die beiden Rippen 7 miteinander verbindet;
- - Umbiegen des tiefgezogenen Metallplättchens 53 um mehrere obere längsverlaufende Biegungslinien 61 an der Verbindungsstelle zwischen den Rippen 7 und den oberen Flächen 13 und um mehrere untere längsverlaufende Biegungslinien 62 an der Verbindungsstelle zwischen den Rippen 7 und den unteren Flächen 15.
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Das Metallplättchen 53 besteht üblicherweise aus Stahl. Es hat eine geringe Dicke.
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Das Metallplättchen 53 am Ende des Tiefziehschritts weist eine große Anzahl von zueinander parallelen Längsbändern 59 auf, wie in 15 gezeigt ist.
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Eines der Längsbänder 59 ist in 14 in größerem Maßstab gezeigt. Dieses Band ist eine Seitenansicht entlang der Längsrichtung L.
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Der Tiefziehschritt ermöglicht insbesondere das Ausbilden der flachen Facetten 43. Das Material wird durch Dehnung verformt. Diese Dehnung stellt betrachtet in einer Richtung, die bei der fertigen Rippe die Höhenrichtung E ist, eine Vergrößerung der Oberfläche der Rippe 7 um mindestens 15% dar.
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Jedes Längsband 59 weist auch die oberen und unteren Bänder 49, 51 jeder Rippe 7 auf.
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Die Bereiche des Metallplättchens 53, die zur Bildung der unteren Flächen 15 vorgesehen sind, sind jedoch nicht in den Längsbändern 59 integriert, sondern verbinden die Längsbänder 59 miteinander.
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Wie insbesondere in 14 zu sehen ist, sind die Rippen 7 ein und desselben Längsbands 59 nicht wesentlich parallel zueinander wie bei der Platte in der endgültigen Gestalt. Die beiden Rippen 7 bilden stattdessen zusammen einen großen Winkel, der beispielsweise zwischen 90 und 150° beträgt.
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Die Ebene, die die oberen und unteren Bänder 49, 51 jeder Rippe 7 enthält, bildet mit der oberen Fläche 13 insbesondere einen Winkel, der zwischen 45 und 80° beträgt.
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Vorteilhafterweise werden im Tiefziehschritt Ausgangspunkte der oberen und unteren längsverlaufenden Biegungslinien 61, 62 ausgebildet.
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Die Rippen 7 sind nämlich jeweils über gebogene Abschnitte der Platte 5 mit den oberen und unteren Flächen 13, 15 verbunden. Diese Abschnitte entsprechen den oberen und unteren längsverlaufenden Biegungslinien 61, 62. Im Tiefziehschritt wird auf Höhe der oberen und unteren längsverlaufenden Biegungslinien 61, 62 ein erster Radius ausgebildet. Dieser Radius ist weniger ausgeprägt als der der gebogenen Abschnitte am Ende des Umbiegeschritts. Dadurch, dass ein erster Radius markiert wird, kann in dem Metallplättchen 53 jedoch ein zerbrechlicherer Bereich erzeugt werden, entlang dem das Metallplättchen 53 während des Umbiegeschritts aus natürliche Weise umgebogen wird.
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Der Umbiegeschritt umfasst üblicherweise folgende Unterschritte:
- - Anordnen des tiefgezogenen Metallplättchens 53 zwischen einer oberen Oberfläche 63 und einer unteren Oberfläche 65, wobei die oberen und unteren großen Flächen 55, 57 der oberen Oberfläche 63 bzw. der unteren Oberfläche 65 gegenüberliegen, wobei der Abstand zwischen der oberen und der unteren Oberfläche 63 65 im Wesentlichen der Höhe der Rippen 7 entspricht;
- - Komprimieren des tiefgezogenen Metallplättchens 53 in Querrichtung.
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Die untere Oberfläche 65 gehört üblicherweise zu einem festen Gestell 67. Sie verläuft z.B. im Wesentlichen horizontal.
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Die obere Oberfläche 63 gehört z.B. zu einem beweglichen Schubfach 69. Die obere Oberfläche 63 verläuft üblicherweise auch horizontal.
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Wie in 15 veranschaulicht, wird das tiefgezogene Metallplättchen 53 zunächst auf die untere Oberfläche 65 gelegt, die zum festen Gestell 67 gehört.
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Ein Anschlag 71 ist starr am festen Gestell 67 befestigt. Vor der Komprimierung liegt das tiefgezogene Metallplättchen 53 in Querrichtung über einen Längsrand am Anschlag 71 an.
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Das bewegliche Schubfach 69 trägt eine Zunge 73, wobei das Schubfach 69 und die Zunge 73 in Querrichtung zum Anschlag 71 hin beweglich sind. Die Zunge 73 ist zunächst entlang des Längsrands des tiefgezogenen Metallplättchens 53, der dem Anschlag 71 gegenüberliegt, angeordnet.
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Der Komprimierungsschritt wird ausgeführt, indem das Schubfach 69 in Querrichtung zum Anschlag 71 hin bewegt wird. Das tiefgezogene Metallplättchen 53 wird somit zwischen der Zunge 73 und dem Anschlag 71 komprimiert. Es erfährt eine Verformung durch Umbiegen um die oberen und unteren längsverlaufenden Biegungslinien 61, 62. Die Teile des tiefgezogenen Metallplättchens 53, die zwischen den oberen und unteren längsverlaufenden Biegungslinien 61, 62 liegen und die Rippen 7 bilden, werden durch das Vorhandensein der ersten und zweiten Bereiche 23, 25 versteift. Sie werden im Umbiegeschritt keinerlei Verformung ausgesetzt.
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Die Verformung des Metallplättchens 53 senkrecht zur Längsrichtung L und zur Querrichtung T wird durch die verfügbare Höhe zwischen den unteren und oberen Oberflächen 65, 63 gesteuert. Dadurch kann die Bildung eines unregelmäßigen Akkordeons verhindert und die gewünschte Form erhalten werden.
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Der Verlauf des beweglichen Schubfachs 69 wird unter Berücksichtigung einer möglichen elastischen Rückstellung der Platte 5, sobald die Platte fertig ist, ausgewählt.
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Dieses Verfahren zur Herstellung der Platte 5 ist schnell, kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Steuerung der Gestalt der Platte 5 am Ende des Umbiegens.
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Es ist damit möglich, komplexe Formen zu erhalten.
