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Wärmetauscher und Verfahren zu ihrer Herstellung Die erfindung bezieht
sich auf Wärmetauscher und betrifft insbesondere mit Rippen versehene Wärmetauscher.
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Der Brfindung-liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Wärmetauscher
und ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines solchen Wärmetauschers zu schaffen,
Ferner wird gemäß der Erfindung ein neuartiger Wärmetauscher der mit Rippen versehenen
Bauart geschaffen, bei der die Rippen dadurch geformt werden, daß Werkstoff aus
Abschnitten eines Wärmetauscherteils herausgeschnitten oder herausgemeißelt wird.
Weiterhin wird ein neuartiger Wärmetauscher geschaffen, bei dem sekundäre Wärneubertragungsflächen
dadurch geformt
werden, daß diese Flächen aus einem mit Stegen versehenen
rohrförmigen Material herausgeschnitten oder herausgemeißelt werden, um längliche,
gegenüber dem rohrförmigen Material nach außen vorspringende Rippen zu bilden.
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Warmetauscher mit Rippen in Form von Stacheln oder Flossen, die durch
Herausschneiden oder Herausmeißeln von Werkstoff aus einem Wandabschnitt eines Wärmetauscherteils
geformt worden sind, sind bereits in der U.S.A.-Patentschrift 2 247 243 beschrieben,
während Wärmetauscher mit Rippen, die durch Herausschneiden oder Herausmeißeln von
Werkstoff aus nach außen vorspringenden Stegen eines rohrförmigen Bauteils hergestellt
sind, in den,U.S.A.-Patentschriften 3 202 212 und 3 229 722 beschrieben sind. Zwar
hat es sich gezeigt, daß die Wärmetauscher der in den soeben genannten U.S.A.-Patentschriften
beschriebenen Art sehr zweckmäßig sind und mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten,
doch sollen gemäß der Erfindung Wärmetauscher geschaffen werden, die im Vergleich
zu den vorstehend genannten bekannten Wärme-tauschern verbessert sind.
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Schließlich soll gemäß der Erfindung ein neuartiger Wärmetauscher
der Rippenbauart geschaffen werden, bei dem die Rippen auf neuartige und besonders
zweckmäßige Weise ausgebildet und angeordnet sind.
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Es hat sich gezeigt, daß beim Herstellen eines Wärmetauschers gemäß
der U.S.A.-Patentschrift 3 202 212, bei dem die Rippen aus einem Wandabschnitt des
Wärmetauschers herausgeschnitten oder herausgemeißelt und so umgebogen werden, daß
sie nach außen ragende Vorsprünge bilden, diejenigen Flächen der Rippen, die in
die Richtung weisen, in der die Rippen beim Umbiegen bewegt werden, aufgerauht werden,
so daß sie eine verbreiterte Fläche aufweisen, die im folgenden als "erwei-terte
Fläche" bezeichnet wird, da das Aufrauhen dieser Flächen dazu führt, daß eine größere
Fläohe
zum Herbeifüllren eines Wärmeübergangs mit der Umgebungsluft
zur Verfügung steht, als sie vorhanden wäre, wenn die genannten Flächen glatt wären.
Durch die Erfindung wird gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung ein neuartiger
Wärmetauscher geschaffen, der Rippen besitzt, die solche erweiterten Flächen aufweisen,
und bei dem die erweiterten Flächen auf neuartige und zweckmäßige Weise hergestellt
und angeordnet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung soll ein neuartiger Wärmetauscher
der Bauart geschaffen werden, beider Rippen vorhanden sind, die durch das Herausschneiden
oder Herausmeißeln von Werkstoff aus einem langgestreckten rohrförmigen Bauteil
in der.Längsrichstung gebildet worden sind, bei dem die Rippen auf einer Seite erweiterte
Flächen aufweisen, und bei den sich die erweiterten Flächen jeweils quer zur Längsachse
des langgestreckten Bauteils erstrecken.
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Weiterhin wird ein neuartiger Wärmetauscher der Bauart geschaffen,
bei dem langgestreckte, in Richtung ihrer Längsachse nach außen vorspringende Rippen
durch Herausschneiden oder Herausmeißeln von Werkstoff in der Längsrichtung aus
einem langgestreckten rohrförmigen Bauteil erzeugt werden, und bei dem die Rippen
so geformt und angeordnet sind, daß sie gewundene oder teilweise durch Hindernisse
verlegte Strömungswege für Luft bilden, die quer zur Längsachse des ronrförmigen
Bauteils strömt. Schließlich wird ein neuartiger Wärmetauscher der genannten Art
geschaffen, der sich in der Praxis als zweckmäßigr erweist, mit einem hohen Wirkungsgrad
arbeitet und sich leicht und mit geringen Kosten im. industriellen Itaßstab herstellen
läßt.
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Die Ixrfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Brfindung werden
im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführurlgsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 perspektivisch ein Stück einer Ausführungsform
eines Wärmetauscherelements; Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt längs der Linie
2-2 in Fig. 1; Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1; Fig. 4 im Grundriß
einen Teil des Wärmetauscherelements nach Fig. 1; und Fig. 5 in einer Fig. 4 ähnelnden
Darstellung eine abgeänderte Ausführungsform eines Wärmetauscherelements.
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In Fig. 1 bis 4 ist ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher bzw. ein
insgesamt mit 1 bezeichnetes Wärmetauscherelement als ein Endabsolinitt eines langgestreckten
rohrförmigen Bauteils 2 dargestellt, um ein Beispiel für eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zu geben und ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen erfindungsgemäßer
Wärmetauscher zu veranschaulichen.
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Wie im folgenden näher erläutert, wird das Wärmetauscherelement 1
vorzugsweise aus einem die gewünschte Länge aufweisenden Stück eines rohrförmigen
Materials, z. B. einem rohrförmigen Bauteil oder Werkstück 2, hergestellt, wobei
die Bearbeitung von dem einen inde A des rohrförmigen Bauteils ausgehend in Richtung
auf das andere imide B fortschreitet, und wobei der Wärmetauscller 1 von dem zurückbleibenden,
sich zwischen den Punkten B und C erstreckenden Rest des rohrförmigen Bauteils abgetrennt
wird, sobald der Wärmetauscher fertiggestellt ist und die gewünschte Large aufweist,
die z. 13. der Strecke zwischen den Punkten A und a entspricht.
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Gemäß Fig. 1 hat das rohrförmige Bauteil 2 einen im wenentlichen
rechteckigen Quersclmitt mit einer oberen Wandfläche
3, einer dazu
im wesentlichen parallelen unteren Wandfläche 4 und zwei voneinander abgewandten
seitlichen Wandflächen 5 und 6, die sich im wesentlichen im rechten Winkel zu den
Wandflächen 3 und 4 erstrecken. Lurch das rohrförmige Bauteil 2 erstrecken sich
mehrere im wesentlichen parallele, in der Längsrichtung verlaufende Offnungen 7',
und' je zwei benachbarte Öffnungen 7 sind voneinander durch eine Zwischenwand 8
getrennt. Gegebenenfalls können die Zwischenwände 8 mit durchgehenden Kanälen versehen
sein, wie es in der U.S.A.-Patentschrift 3 229 722 beschrieben ist. Zwar hat das
rohrförmige Bauteil 2 nach Fig. 1 bis 4 einen rechteckigen Querschnitt und es weist
mehrere Längsöffnungen 7 auf, doch handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel,
auf das sich die Erfindung nicht beschränkt, denn im Rahmen der Erfindung könnte
man auch rohrförinige Bauteile verwenden, die keinen rechteckigen Querschnitt haben
und nur eine einzige Öffnung aufweisen, die sich in der Längsrichtung durch das
Bauteil erstreckt.
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Das rohrförmige Bauteil 2, aus dem der Wärmetauscher 1 nach Fig.
1 bis 4 hergestellt wird, kann aus einem beliebigen, dem Verwendungszweck entsprechenden
Werkstoff, z. 1.
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Aluminium, bestehen und an der Außenseite der Wandflächen 3 und 4
mehrere langgestreckte, vorspringende Stege 9 aufweisen, die durch Querabstånde
getrennt sind und -sich arallel zur Längsachse des rohrförmugen Bauteils 2 erstrecken.
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Beim Herstellen des Wärinetauschers 1 wird ein rohrförmiges Bauteil,
z. B. das BauteiL 2, das sich über seine ganse Länge erstreckende Stege 9 aufweist,
zuerst in die gewünschte Form gebracht. Danach können Rippen 10 an jedem der Stege
9 auf den Wandflächen 3 und 4 nacheinander ausgebildet werden, wobei dieser Vorgang
von einem Ende des rohrförmigen Bauteils, z. B. dem Ende A, aus in Richtung auf
das andere Ende 3 fortschreitet. Die Rippen 10 közzlen mit Hilfe
eines
Schneidwerkzeugs aus den betreffenden Stegen 9 herausgeschnitten oderherausgemeißelt
werden, wobei das Schneidwerkzeug zuerst eine Schneidbewegung entlang den Stegen
9 gemäß Fig. 2 von links nach rechts ausführt, um eine geneigte Fläche 11 zu erzeugen,
woraufhin die Schneidbewegung des Werkzeugs so fortgesetzt wird, daß der Werkstoff
in der Längsrichtung des betreffenden Stegs 9 unter Einhaltung einer geringeren
Neigung fortgesetzt wird, so daß gemäß Fig. 2 eine geneigte Fläche 12 entsteht,
deren rechtes Ende auf gleicher Höhe mit der unteren Begrenzung des Stegs 9 oder
etwas darüber liegt. Jede Rippe 10, die aus dem Werkstoff des rohrförmigen Bauteils
2 herausgeschnitten oder herausgemeißelt wird, wird dann vorzugsweise so nach außen
umgebogen, daß sie sich annähernd im rechten Winkel zur Ebene der Wandfläche 3 oder
4 erstreckt,an der sie ausgebildet worden ist, und der freie Endabschnitt 13 Jeder
Rippe wird außerdem um die Längsachse der Rippe gedreht oder verwunden, so daß sie
sich allgemein quer zu ihrem Basisabschnitt 14 erstreckt; hierauf wird im folgenden
näher eingegangen.
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Durch das beschriebene Herausschneiden oder Herausmeißeln der Rippen
10 aus den Stegen 9 erhält jede Rippe nach dem Herausschneiden oder Herausmeißeln
der ersten Rippe die aus Fig. 1 bis 3 ersichtliche Form, bei der jede Rippe einen
Basisabschnitt 14 aufweist, der mit der zugehdrigen Wandfläche 3 oder 4 zusammenhängt
und sich quer zur Längsachse des rohrförmigen Bauteils 2 erstreckt. Der freie Endabschnitt
13 jeder Rippe 10 bildet gemäß Fig. 2 eine Fläche 15, die nach außen von dem Basisabschnitt
14 der Rippe weg geneigt ist, um einen verdickten Abschnitt 16 zu bilden, und ferner
hat jede Rippe eine zweite>FlEche 17, die von dem verdickten Abschnitt 16 aus
nach hinten geneigt ist und am äußeren Fnde der Rippe 10 eine dünne Kante 18 bildet.
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Jede der Rippen 10 weist zwei voneinander abgewandte Flächen 19 und
20 auf, deren Breite und Länge der Breite des Stegs 9, aus dem die Rippe herausgeschnitten
worden ist, bzw.
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der Länge des entlangden den Flächen 11 und 12 geführten Schnitt entspricht.
Die Rippen 10 können jede gewinschte, dem Verwendungszweck entsprechende Dicke erhalten,
doch-liegt ihre Dicke vorzugsweise im Bereich von etwa 0,25 bis 1,25 mm.
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Es hat sich gezeigt, daß beim Herausschneiden- oder Herausmeißeln
der Rippen 10, das in der beschriebenen Weise vor sich geht, und bei dem beschriebenen
Umbiegen der Rippen nach außen die Fläche 20 aufgerauht wird. Dieses Aufrauhen der
Flächen 20 der Rippen 10 führt dazu, daß jede Rippe in der schon erwähnten Weise
eine "erweiterte" qder vergrößerte Fläche erhält, die größer ist als der Flächeninhalt
der Fläche 19 der gleichen Rippe.
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Beim Herstellen des Wärmetauschers 1 nach Fig. 1 bis 4 werden die
freien Endabschnitte 13 der Rippen 10 gegenüber den Basisabschnitten 14 in einer
solchen Richtung verdreht, daß die vergrößerten Flächen 20 eine Lage einnehmen,
bei der sie alle gemäß Fig.' 3 nach links gerichtet sind und sich allgemein quer
zur Längsachse des rohrförmigen Bauteils 2 erstrecken. Bei dem Wärmetauscher nach
Fig. 1 bis 4 strömt das Kühlmittel in Richtung des Pfeils R in Fig. 1, während die
Richtung des Luftstroms, der sich quer zur Längsachse des rohrförmigen Bauteils
2 bewegt, in Fig. 1 durch den Pfeil A angedeutet ist. Wenn die Endabschnitte 13
der Rippen 10 die aus den Zeichnungen ersichtliche Lage einnehmen, trifft die in
der bezeichneten Richtung quer zu dem Wärmetauscher strömende Luft direkt auf die
vergrößerten Flächen 20, wodurch ein wirksamer Wärmeaustausch zwischen diesen'Flächen
und der sie überstreichenden-Luft gewährleistet ist
Zusätzlich dazu,
daß Gewähr dafür besteht, daß die quer zu dem Wärmetauscher 1 strömende Luft direkt
auf die vergrößerten Flächen 20 auftritt, wenn die Rippen 10 an mehreren einander
benachbarten parallelen Stegen 9 ausgebildet worden sind, führt das Verdrehen der
freien Endabschnitte 13 der Rippe quer zu ihren Basisabschnitten 14 außerdem dazu,
daß die Lücken zwischen den entlang den Stegen 9 verteilten Rippen teilweise geschlossen
werden, so daß die quer zu dem Wälmetauscher strömende Luft gezwungen wird, sich
längs gewundender oder teilweise durch Hindernisse verlegter Strömungswege zu bewegen.
Ferner führt die beschriebene Anordnung der freien Endabschnitte 13 dazu, daß sich
zwischen den Rippen 10 turbulente Luftströmungen ausbilden. Das Vorhandensein der
gewundenen Strömungswege und das Auftreten von Turbulenz in dem Luftstrom trägt
ebenfalls dazu bei, einen guten Wärmeaustausch zwischen den Rippen 10 und der über
sie hinwegstreichenden Luft zu gewährleisten.
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Zwar wird es vorgezogen, die Luft bei dem Wärmetauscher 1 nach Fig.
l bis 4 in Richtung des Pfeils A strömen zu lassen, doch beschränkt sich die Erfindung
nicht auf diese Anordnung, d. h., die Luft könnte gegenüber dem Wärmetauscher auch
in anderen Richtungen strömen. Gemäß Fig. 4, wo zu erkennen ist, daß die freien
Endabschnitte 13 der Rippen 10 gegenüber den Basisabschnitten 14 unter einem spitzen
Winkel von weniger als 900 angeordnet sind, würde Luft, die gemäß Fig. 4 von rechts
nach links strömt, auf die vergrößeren Flächen 20 der Rippen 10 auftreffen.
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Nachdem die Rippen 10 an dem rohrförmigen Bauteil 2 längs der gewünschten
Strecke, z. B. der Strecke zwischen den Punkten A und C, ausgebildet worden sind,
kann man das rohrförmige Bauteil quer zu seiner Längsachse an dem Punkt C durchschneiden,
so daß man ein fertiges Würmetaus cherelsmeiit
erhält, das im wesentlichen
über seine ganze Länge mit Rippen 10 besetzt ist. Gegebenenfalls könnte man mit
dem Bilden von Rippen 10 an einem Punkt beginnen, der gegenüber dem Ende A des rohrförmigen
Bauteils 2 nach innen versetzt ist, und man könnte das rohrförmige Bauteil gemäß
Fig. 2 an einem gegenüber dem Punkt C nach links versetzten Punkt durchschneiden,
so daß man Endabschnitte erhalten würde, die gegenüber den äußersten Rippen 10 in
der Längsrichtung vorspringen und an beiden Enden des fertigen Wärmetauschers Verbindungs-
oder Abschlußabschnitte bilden. Bei dieser hier nicht dargestellten Ausführungsform
werden die Teile der Stege 9 des rohrförmigen Bauteils 2, die außerhalb der äußersten
Rippen liegen, vorzugsweise entfernt, z. R. durch Abschleifen, so daß der fertige
Wärmetauscher glattwandige Fndabschnitte aufweist.
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In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der lBrfindung dargestellt;
in Fig. 5 gezeigte Teile, die in Fig. 1 bis 4 dargestellten Teilen entsprechen,
sind jeweils mit den gleichen Bezugszahlen bezeicimet, während Teile, die in Fig.
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1 bis 4 gezeigten Teilen nur ähneln oder sie ersetzen, mit Bezugszahlen
bezeichnet sind, denen der Buchstabe a beigefügt ist.
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Gemäß Fig. 5 haben die Stege 9a des rohrförmigen Bauteils 2 eine
geringere Breite und die freien Endabsciinitte 13a der Rippen lOa erstrecken sich
im rechten Winkel zu den Basisabschnitten 14a der Rippen. Bei dieser Ausführungsform
wird einem Luftstrom, der sich parallel zur Längsachse des rohrförmigen Bauteils
2 bewegt, ein geringerer Widerstand entgegengesetzt, da die äußeren Enden der freien
Endabschnitte 13a der Rippen 10a, die zu einander benachbarten Reihen gehören, im
wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
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Wenn man die Stege 9a genügend schmal ausbildet, kann man die freien
Endabschnitte 13a der Rippen 10a in der bescliriebenen Weise im rechten Winkel zu
den Basisabsolulitten 14-a anordnen, wobei trotzdem Abstände zwischen den freien
Endabsclinitten 13a in Richtung der Längsachse des rohrförmigen Bauteils 2 verbleiben,
wie es aus Fig. 5 ersichtlich ist. Bei dieser Ausführungsform kann Luft gegebenenfalls
zwischen den Rippen 10a quer zur Längsachse des rohrförmigen Bauteils 2 in der gleichen
Richtung strömen wie bei dem Wärmetauscher 1 nach Fig. 1 bis 4; hierbei trifft die
Luft direkt auf die vergrößerten Flächen 20 der freien Fndabschnitte 13a der Rippen
10a.
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Gemäß der Erfindung ist somit ein neuartiger Wärmetauscher geschaffen
worden, bei dem die Rippen aus einem rohrförmigen Bauteil in der Längsrichtung herausgeschnitten
oder herausgemeißelt werden können, bei dem sich die Basisabsciinitte der Rippen
quer zur Längsachse des rohrförmigen Bauteils erstrecken, und bei dem die Rippen
vergrößerte Flächen aufweisen, die quer zu den Basisabsclrnitten angeordnet sind,
so daß der Wärmeübergang zwischen den Rippen und der diese überstreichenden Luft
ohne Rücksicht darauf verstärkt wird, ob die Luft quer zur Längsachse des Wärmetauschers
oder parallel zu dieser Längsachse strömt.
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Ferner ist gemäß der Erfindung ein neuartiger Wärmetauscher geschaffen
worden, der sich in der Praxis als zweckmäßig erweist, mit einem hohen Wirkungsgrad
arbeitet und sich leicht und mit geringen Kosten im industriellen Maßstab herstellen
läßt.
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Schließlich ist gemäß der Erfindung ein neuartiges Verfahren zum
Herstellen von Wärmetauschern mit Rippen geschaffen worden.
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Patentansorüche: