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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher
eines völlig
neuen Typs sowie seine Verfahren und Herstellungsmittel.
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Die
Wärmeaustauscher
zwischen zwei Fluiden werden überall
da verwendet, wo man Hitze zurückgewinnen
oder ableiten will, ohne dafür
das Fluid, das die Hitze transportiert, mit dem Fluid, das sie ableitet,
zu vermischen. Bei den Wärmeaustauschern
ist zumindest eines der Fluide eingeschlossen, das heißt zur Gänze gezwungen,
in einem begrenzten Raum zu zirkulieren, während das andere nur teilweise
oder gar nicht eingeschlossen sein kann. Das ist zum Beispiel der
Fall bei Zentralheizungskörpern
mit Heißwasser,
je nachdem, ob sie teilweise verschalt sind oder nicht. Das ist
auch der Fall des Wärmeaustauschers
einer Wärmepumpe, der
von einem kalten Gas durchlaufen wird, und der in einen Wasserstrom
getaucht ist. Während
die zwei betreffenden Fluide eingeschlossen sein müssen, insbesondere
um zurückgewonnen
und recycliert zu werden, muss der zu verwendende Wärmeaustauscher
daher einen oder mehrere interne Teile aufweisen, die von einem
externen Teil oder Mantel umgeben sind, wobei alle mit Anschlussrohrstutzen
versehen ist, wobei der externe Teil ferner generell wärmeisoliert
ist.
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Es
gibt mehrere Betriebsarten der Wärmeaustauscher:
mit Gegenstrom, Gleichstrom und gekreuzten Strömen. Der Vorteil eines Wärmeaustauschers,
der mit Gegenstrom funktioniert, besteht darin, dass er es erlaubt,
so gut wie den ganzen Wärmeunterschied,
der zwischen den beiden existiert, vom warmen Fluid zum kalten Fluid
zu transferieren. Der Gleichstromwärmeaustauscher erlaubt es nur, eine
Zwischentemperatur zwischen denen der zwei Fluide zu erreichen.
Was den Wärmeaustauscher
mit gekreuzten Strömen
betrifft, ist er weniger effizient als der Wärmeaustauscher mit Gegenstrom,
weil sein Aufbau von denen der vorhergehenden unterschiedlich ist,
er ist jedoch gut für
bestimmte Zwecke geeignet (zum Beispiel herkömmliche Fahrzeugkühler).
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Damit
sie eine maximale Effizienz haben, missen die Wärmeaustauscher alle die folgenden Merkmale
aufweisen:
sie müssen
(1) aktive Oberflächen
haben, das heißt Oberflächen, die
direkt an dem Wärmeaustausch
teilnehmen, die so groß wie
möglich
sind, (2) Durchgangsstärken
für die
zwei Fluide, die gleichzeitig gering und im Wesentlichen entlang
der aktiven Flächen
konstant sind, damit praktisch die gesamte Masse des oder der eingeschlossenen
Fluide an dem Austausch teilnimmt, und (3) einen großen Gesamtdurchgangsquerschnitt
für das
oder die eingeschlossenen Fluide, proportional zu der auszutauschenden Wärmeleistung
haben, um die Lastverluste zu minimieren.
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Bei
zahlreichen Industrieanwendungen bestehen die aktiven Wände der
verwendeten Gegenstromwärmeaustauschers
aus einem gut wärmeleitenden
Metall, das an die betreffenden Fluide angepasst ist. Nicht rostender
Stahl eines bestimmten Typs, daher kostspielig, ist zum Beispiel
in dem Fall erforderlich, in dem eines der zwei Fluide relativ korrosiv
ist (zum Beispiel Meereswasser). Auf dem Markt existieren mehrere
metallische Gegenstromwärmeaustauscher.
Die meisten bestehen aus einer Stapelung rechteckiger Platten mit
großen
Maßen, die
voneinander durch Dichtungen dicht getrennt werden, und aus Anschlusskammern,
die es jeder der Seiten dieser Platten erlauben, mit einem unterschiedlichen
Fluid in Berührung
zu sein. Um den oben genannten Merkmalen aller Wärmeaustauscher zu entsprechen,
ist diese Art von Gerät
notwendigerweise schwer und braucht in den drei Dimensionen viel
Platz. Um die Verluste zu verringern, nähert sich seine optimale Form
dem Würfel.
Diese zwei Nachteile fügen
sich noch zu dem ihrer hohen Herstellungskosten hinzu, die sich
aus der Anzahl durchzuführender
Operationen, die proportional zu der zu fügenden Anzahl Platten ist,
ergeben. In dem Fall eines Wärmeaustauschers
für korrosives
Fluid muss man ferner den relativ hohen Preis des verwendeten Metalls
berücksichtigen.
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Man
verwendet auch Gegenstromwärmeaustauscher
aus Kunststoff aufgrund der Alterungsbeständigkeit dieses Materials,
die es diesen Wärmeaustauschern
erlaubt, schadlos die meisten korrosiven Fluide zu ertragen. Zu
diesem ersten Vorteil kommen noch ihr relativ geringeres Gewicht
und die relativ niedrigeren Materialkosten. Gemeinsam gleichen diese
Vorteile weitgehend den Defizit an Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe und
die Tatsache aus, dass die maximale Temperatur der betreffenden
Fluide im Allgemeinen niedriger sein muss als 100 oder 120 °C. Bisher
ist es üblich,
Wärmeaustauscher
zwischen zwei eingeschlossenen Fluiden, die im Gegenstrom fließen, aus
Kunststoff mittels eines Bündels von
Rohren mit kleinem Durchmesser, die relativ lang sind und im Zickzack
in einem Rohr mit großem Durchmesser
installiert sind, herzustellen. Das interne und das externe Fluid
der kleinen Rohre zirkulieren in entgegen gesetzte Richtung. Der
Vorteil der Rohre mit kleinem Durchmesser besteht natürlich darin,
die aktiven Austauschoberflächen
für einen
gegebenen Querschnitt des großen
Rohrs bestens zu steigern und die maximalen Stärken des Fluids, das diese
kleinen Rohre umgibt zu senken, was die Austausche im Inneren und
außerhalb
dieser Rohre verbessert. Aber dieser Typ von Wärmeaustauschern weist einen
großen
Nachteil auf, der darauf zurückzuführen ist,
dass eine dichte Verzweigung an den zwei Enden jedes Rohrs herzustellen
ist, und dass man außerdem
sicherstellen muss, dass das gebildete Bündel über seine ganze Länge regelmäßig im Inneren
des großen
Rohrs angeordnet ist. Das erfolgt, damit alle Wände der Innenrohre von der
gleichen reduzierten Stärke
von Fluid umgeben sind, damit der Wärmeaustausch unter besten Bedingungen
erfolgen kann. Dieser Montagevorgang ist ebenfalls aufgrund der
großen
Anzahl durchzuführender
sorgfältiger
Operationen, die er aufweist, ziemlich kostspielig.
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In
dem Fall bestimmter Wärmeaustauschvorrichtungen
zwischen einem eingeschlossenen Fluid und äußerer Luft, die in Kühlschränke und/oder Tiefkühlschränke eingebaut
sind, wie zum Beispiel die, die in der europäischen Patentanmeldung, veröffentlicht
unter der Nummer
EP 1122505 8.
August 2001, beschrieben sind, die elementaren Wärmeaustauscher, die sie bilden,
metallisch und bestehen aus zwei rechteckigen welligen Platten und/oder
mit Höckern
versehenen Platten. Diese Platten weisen zwei Verbindungsringe auf,
die in zwei entgegen gesetzten Ecken angeordnet sind; sie sind symmetrisch
aufeinander montiert, so dass sie hohle und flache Elemente bilden
können,
die mit einem Eingang und einem Ausgang, die einander diametral
entgegen gesetzt sind, versehen sind. Die peripheren Ränder jedes
Platten- und Ringpaars sind wie bekannt aneinander geschweißt, und
die Kontaktzonen der Höcker oder
der Kontaktlinien der Scheitel der Wellungen sind durch relativ
weit beabstandete Punkte geschweißt. Um die Fügekosten
mehrerer elementarer hohler und flacher Wärmeaustauscher dieser Art zu verringern,
wurden automatische Vorgehensweisen entwickelt, insbesondere die
in dem Patent US N 4 860 421 vom 29. August 1989 beschriebene.
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Die
erste Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines
elementaren Wärmeaustauschers
eines völlig
neuen Typs, dessen Spezifikationen wie folgt lauten: er muss einstückig sein, das
heißt
ohne Fugen oder Schweißen
und muss große
Effizienz, beschränkten
Platzbedarf, reduziertes Gewicht, niedrige Produktionskosten und
im Allgemeinen intrinsische Alterungsbeständigkeit gegenüber korrosiven
Fluiden aufweisen.
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Die
zweite Aufgabe der Erfindung ist ein solcher elementarer Wärmeaustauscher,
der einen einzigen kompakten aktiven Teil aufweist.
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Die
dritte Aufgabe der Erfindung betrifft einen solchen elementaren
Wärmeaustauscher,
der leicht mit Werkzeugmaschinen und üblichen automatischen Produktionsausstattungen
der Industrie herzustellen ist.
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Die
vierte Aufgabe der Erfindung ist ein Rohling dieses elementaren
Wärmeaustauschers,
den ein einfacher Vorgang in einen aktiven Teil dieses Wärmeaustauschers
umwandeln kann.
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Erfindungsgemäß ist ein
Verfahren zum Herstellen eines elementaren, einstückigem Wärmeaustauschers
mit hoher Effizienz, eingeschränktem Platzbedarf,
geringem Gewicht, niedrigen Produktionskosten und allgemein intrinsischer Alterungsbeständigkeit
dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist:
- – in
einer Form Herstellen durch Wärmeblasen oder
Hydroformen eines Rohlings aus einem geeigneten Werkstoff, bestehend
aus einer Stapelung von Bälgen,
die insgesamt bikonvex sind, im Vergleich zu dem Quermaß des Rohlings
relativ tief und mit denen eines Akkordeons vergleichbar, wobei
die Bälge
zentrale längliche
Teile aufweisen, die mit Endanschlüssen, Flanken, Graten und Böden versehen
sind, die jeweils geeignete Formen haben, damit diese Flanken eine
Starrheit haben, die viel größer ist
als die der Böden
und der Grate, wobei die Stapelung ihrerseits mit zwei Verbindungsrohrstutzen
verseben ist, die auf den Stapelachsen der Endanschlüsse zentriert
sind,
- – wenn
die Bestandteile dieses Rohlings die entsprechenden Temperaturen,
Geschmeidigkeiten und Elastizitäten
haben, Anlegen eines inneren Unterdrucks und/oder externer Kompressionskräfte an sie,
parallel zu der Stapelachse der Bälge, dann Freigeben und/oder
Stoppen der Unterdrücke
und/oder Kompressionskräfte,
wenn der so hergestellte komprimierte Teil eine Stapelung hohler,
kommunizierender und insgesamt symmetrischer Paare von Hohlplatten
mit einer geringen Innenstärke
und einem geringen Abstand, die im Wesentlichen konstant sind, wird,
- – bei
Bedarf, nach dem Abkühlen
des so hergestellten Teils Umgeben dieses mit einem Organ, das das
Spannen sicherstellt, um die Abstände zwischen den Wänden der
Plattenpaare auf ihren ursprünglichen
Werten zu halten.
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Gemäß einem
besonderen Merkmal dieses Verfahrens weist die zum Umsetzen zu verwendende Form
aufgeweitete Rillen mit geradlinigen, engen und parallelen Graten
und Böden
auf, wobei die Flanken der Rillen gemustert sind, wobei die Höcker einer Flanke
den Vertiefungen der anderen gegenüber liegen.
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Gemäß zwei ergänzenden
Merkmalen zu dem vorhergehenden bilden die mittleren Ebenen der gemusterten
Flanken der Form Winkel zu 20 bis 30° mit ihrer Symmetrieebene und
ihre Endanschlüsse haben
umkehrbare Oberflächenprofile.
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Erfindungsgemäß ist ein
elementarer, einstückiger
Wärmeaustauscher
mit hoher Effizienz, verringerten Platzbedarf, geringem Gewicht,
niedrigen Produktionskosten und allgemeiner intrinsischer Alterungsbeständigkeit
dadurch gekennzeichnet,
- – dass er aus einem einzigen
aktiven Teil ohne Fügen
und ohne Schweißen
besteht, hergestellt aus einer Stapelung länglicher, hohler, kommunizierender
und insgesamt symmetrischer Plattenpaare,
- – dass
die Innenflächen
der Wände
jeder Hohlplatte ebenso wie die Außenflächen der Wände von zwei benachbarten Hohlplatten
in allen Punkten voneinander durch enge, im Wesentlichen konstante
Räume getrennt
sind,
- – dass
diese Hohlplattenpaare elementare Leitungen des aktiven Teils bilden,
die zentrale Teile aufweisen, deren zwei Enden miteinander durch
zwei Hohlanschlüsse
verbunden sind,
- – dass
jede elementare Leitung des aktiven Teils 2 Versorgungssammler besitzt,
deren Achsen mit den Stapelungsachsen der Endanschlüsse zusammenfallen,
- – dass
eines der Enden jedes Sammlers in einem Verbindungsrohrstutzen des
aktiven Teils endet.
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Gemäß einem
besonderem Merkmal dieses Wärmeaustauschers
sind die Hohlplattenpaare gemustert und global symmetrisch, ihre
mittleren Längsebenen
sind jedoch zu ihrer Symmetrieebene senkrecht.
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Gemäß einem
weiteren besonderen Merkmal dieses elementaren Wärmeaustauschers sind die Hohlplattenpaare
gemustert und global symmetrisch, ihre mittleren Längsebenen
bilden jedoch gemeinsam Dieder zu 120 bis 160°, und ihre Hohlendanschlüsse wurden
ausgehend von umkehrbaren Flächen
hergestellt.
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Dank
diesen Anordnungen kam man mittels bekannter Techniken mehrere Typen
elementarer Wärmeaustauscher
herstellen, die den oben genannten Spezifikationen entsprechen.
Dazu verwendet man die Techniken des Wärmeblasens oder Hydroformens.
Das Wärmeblasen
ist das Warmformen unter starkem pneumatischem Druck von Polymeren oder
Glas. Diese Technik wird zum Herstellen von Behältern, Fläschchen und Flaschen aller
Arten mit relativ komplexen Formen verwendet. Das Hydroformen ist
das Kaltstanzen von Rohren und Metallplatten unter sehr hohem Hydraulikdruck.
Diese Technik wird in zahlreichen Industrien verwendet, um Hohlteile
oder Bauteile mit komplexen Formen herzustellen.
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Der
Wärmeblasfachmann
weiß erfahrungsgemäß, dass
die Behälter,
die durch diese Technik hergestellt werden, keine Wände mit
konstanter Stärke
haben können,
wenn diese Behälter
relativ enge und tiefe Hohlteile aufweisen. In dem Fall der vorliegenden
Erfindung erfahren die Elemente des Vorpresslingteils (im Glasherstellungsjargon
die pastöse Hohlmasse
aus Glas oder Polymer, die in Form zu bringen ist), der zwischen
den Außenrändern von zwei
benachbarten parallelen Graten der aufgeweiteten Rippen der Form,
die für
das Herstellen eines Rohlings mit Bälgen verwendet wird, liegt,
in Abhängigkeit
von ihrer Position in Bezug auf diese Grate unterschiedliche Einflüsse. Entlang
der Grate der Form bilden sich die Böden der Bälge des Rohlings, und die Stärke dieser
Böden ist
im Wesentlichen die des Vorpresslings. Entlang der Flanken der Form wölbt sich
der ursprünglich
ebene Vorpresslingabschnitt, der zwischen den Innenrändern der
Grate der Form liegt, und, während
er allmählich
an Stärke
abnimmt, legt er sich an die Flanken der Verzweigungen der Form.
Wenn alles für
einen korrekten Ablauf vorgesehen wurde, wird der Vorpresslingteil
am Ende relativ dünn
oder sehr dünn
und legt sich auf den Boden der Rille, um den Grat des Rohlings
zu bilden, anderenfalls wird dieser Grat durchlöchert und der hergestellte
Rohling wird unbrauchbar. Bei guten Fertigungsbedingungen ist die
Stärke
der Böden
der Bälge
eines solchen Rohlings größer als
die mittlere Stärke
ihrer Flanken und viel größer als
die Stärke
ihrer Grate. Das Verhältnis
zwischen den Stärken
der Böden
und der Grate der Bälge
hängt von
dem Verhältnis
zwischen der Breite des Vorpresslingabschnitts, der zwischen zwei
Graten der Rillen der Form liegt, und dem doppelten ihrer Tiefe
ab oder auch vom Sinus des Halbwinkels des Dieders, das von den
mittleren Ebenen der Flanken der Rillen gebildet wird. Über einen
Mindestwert dieses Halbwinkels hinaus können die Grate der Bälge nicht
komplett gebildet werden. Der optimale Wert dieses Halbwinkels liegt
zwischen 20 und 30°,
wobei das Minimum von dem Mindestwinkel des richtigen Bildens der
Grate des wärmegeblasenen
Teils und das Maximum von dem maximalen Umkehrwinkel der Flächen der
Endanschlüsse
der Bälge
abhängen.
Diese Betrachtungen gelten ohne große Änderung für die Hydroformoperationen
metallischer Vorpresslinge.
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Bei
einem ersten Umsetzungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter Verwenden
eines Polymers oder relativ biegsamen und elastischen Metalls im
kalten Zustand (zum Beispiel Polyethylen oder Messing) ist es dank
den bekannten Wärmeblas-
und Hydroformtechniken einfach, einen erfindungsgemäßen Rohling
herzustellen, der Bälge mit
gemusterten Flanken aufweist, deren mittlere Längsebenen Dieder bilden, die
einen zu großen Halbwinkel
aufweisen, zum Beispiel 45°,
der jedes Umkehren ihrer Endanschlüsse verhindert. Da die Grate
und die Böden
der Bälge
viel weniger steif sind als die Flanken, ist es danach leicht (1)
diesen Rohling zusammenzudrücken,
um ihm die Form einer Stapelung von Hohlplattenpaaren, die insgesamt symmetrisch
und kommunizierend sind, zu verleihen, die Innenstärken und
geringe und im Wesentlichen konstante Abstände und mittlere Längsebenen
senkrecht zu ihrer Symmetrieebene haben, und (2) diese ursprüngliche
Form mittels eines geeigneten Organs beizubehalten, indem das Halten
durch Spannen sichergestellt wird.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird beim Formen eines Rohlings mit identischer Form wie der vorhergehenden,
aus Glas oder aus biegsamen Polymer im warmen Zustand und relativ
starr im kalten Zustand (zum Beispiel des Polypropylens) und darauf
folgender entsprechendem Zusammendrücken diesen Rohlings im warmen
Zustand, um ihm die gewünschte Form
zu verleihen, gefolgt von Auskühlenlassen
des so hergestellten Teils in einer entsprechenden Schablone, die
Form, die diesem Teil verliehen wird, beständig und endgültig. Jedes
Organ, das das Halten durch Spannen sicherstellen kann, wird daher
völlig unnütz.
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In
diesem ersten und zweiten Fall und dank des besonderen Merkmals
des oben definierten Verfahrens, sind die Flanken der Bälge des
hergestellten Rohlings gemustert. Aufgrund dieser Musterung (zum
Beispiel ein Wechsel von Vertiefungen und Höckern in Form von vierseitigen
Dächern),
steigt das Trägheitsmoment
der Wände
in Bezug auf ihre mittlere Ebene enorm, und die Steifheit der Flanken
der Bälge
wird daher sehr groß (> 100) im Vergleich
zu der Steifheit ihrer Böden,
obwohl die Stärke
dieser beim Wärmeblasen
viel größer ist
als die mittlere Stärke
der Flanken der Bälge.
In diesen zwei Fällen weisen
daher die Grate und Böden
der Bälge
relativ biegsame Scharniere in dem ersten Fall und sehr biegsame
Scharniere in dem zweiten Fall auf. Das Verhältnis zwischen der Steifheit
der gemusterten Flanken und der der relativ dicken Böden der
Bälge des
Rohlings steigt nämlich
schnell kurz nach seinem Herausnehmen aus der Form, denn die relativ
dünnen
Flanken kühlen
viel schneller ab als die relativ dicken Böden. In beiden Fällen untersagt
die große Steifheit
der gemusterten Wände
der Hohlplatten jede spätere
Verformung ihrer Stapelung.
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Bei
einer dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bilden die relativ tiefen mittleren Ebenen der gemusterten Flanken
der Bälge Dieder
zu etwa 50° und
ihre Endanschlüsse
sind umkehrbare Flächen.
Unter diesen Bedingungen und unter Beibehalten des Materials des
Rohlings des zweiten oben genannten Falls, kippen unter Einwirkung
des internen Unterdrucks und/oder der externen Kompressionskräfte, die
an diesen Rohling angelegt werden, die konvexen Flächen dieser
Halbbälge,
die dieser Kraft ausgesetzt werden, und werden konkav und bleiben
es dank dem beständigen
Umkehren der Flanken der Endanschlüsse dieser Halbbälge. Trotz
der Biegekraft, die von dem Umkehren dieser Endanschlüsse bewirkt
wird, ist jede spätere Biegung
der mittleren Längsebenen
dieser gemusterten, besonders starren Platten unmöglich.
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Bei
dieser dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bemerkt man, dass das Umkehren der Bälge des Rohlings in Wirklichkeit
nur die Endanschlüsse
dieser Bälge
betrifft, denn ihre zentralen Teile erfahren nur ein einfaches Zurückfalten,
aber das Umkehren dieser Endanschlüsse stellt das Halten und die
Stabilität
dieser Zurückfaltungen sicher.
Ein solches Umkehren wird durch die Tatsache beständig, dass
die Endanschlüsse
der zentralen Teile der Bälge
umkehrbare Flächen
sind, zum Beispiel Kegelhalbstümpfe.
Diese Flächen
besitzen eine solche Eigenschaft, weil die Tiefe der Bälge und ihrer
Endanschlüsse
im Vergleich zu dem Quermaß des
Rohlings ausreichend groß ist.
Eine solche Anordnung ist erforderlich, weil sie das zweite zwingende
Merkmal einer umkehrbaren Fläche
ist, wobei das erste in dem Fall eines Kegelstumpfs ein Halbwinkel auf
dem unteren Gipfel von etwa 60° ist.
Man weiß nämlich, dass
das Umkehren einer umkehrbaren Fläche eine kurze Knickphase zwischen
den zwei beständigen
Zuständen
dieser Fläche
aufweist. Bin solches Übergangsknicken
kann nur in dem Fall existieren, in dem die Flanken der Bälge gleichzeitig
nicht zu weit voneinander gespreizt und in Bezug auf das Quermaß des Rohlings
aufgrund der Stärke
ihrer Wand und des Elastizitätsmoduls
des verwendeten Werkstoffs relativ tief sind. Aufgrund dieser zwei
Parameter, kann zum Beispiel die Tiefe der Bälge um 95 bis 50 % des Radius
der kegelstumpfförmigen
Endanschlüsse
variieren. Schließlich
ist zu bemerken, dass dieses relative Maß der Bälge bei einem Akkordeon im
Allgemeinen nur 10 bis 15 % beträgt,
was es erlaubt, die Endanschlüsse
ohne jede bistabile Erscheinung kraftlos zu falten und zu öffnen.
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Erfindungsgemäß weist
ein Wärmeaustauscher
zwischen zwei eingeschlossenen Fluiden in einem Mantel einen oder
mehrere dieser elementaren Wärmeaustauscher
auf und ist dadurch gekennzeichnet,
- – dass der
Mantel aus zwei Halbschalen gebildet ist, die diesen oder diese
elementaren Wärmeaustauscher
komplett dicht umgeben, indem sie sich an die globalen Außenform
oder Außenformen
schmiegen und gleichzeitig enge Räume dazu einrichten und den
Kontakt mit den äußeren zentralen
Linien ihrer zwei Endhohlplatten behalten,
- – dass
jede Halbschale eine Längshälfte eines elementaren
Wärmeaustauschers
oder der aus mehreren Wärmeaustauschern
gebildeten Einheit ummantelt und an jedem ihrer Enden eine oder mehrere
Verbindungsrohrstutzen und in ihrem Boden eine oder mehrere Befestigungsöffnungen aufweist,
- – dass
die Ränder
dieser Halbschalen und dieser Halbrohrstutzen aneinander dicht befestigt
sind, und dass der Rand oder die Ränder dieser einen oder der
mehreren Öffnungen
ebenfalls an einem der Verbindungsrohrstutzen dieses Wärmeaustauschers
oder jedes dieser Wärmeaustauscher befestigt
sind.
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Erfindungsgemäß weist
die Form zum Herstellen eines Rohlings des aktiven Teils, der weiter oben
definiert wurde, des elementaren Wärmeaustauschers zwei metallische
Backen in Form parallelepipedischer Blöcke auf, die zu ihrer Fügeebene symmetrisch
sind,
- – in
jedem dieser Blöcke
sind aufgeweitete relativ lange Rillen ausgehöhlt, mit geradlinigen engen und
parallelen Graten und Böden,
deren zwei Flanken gemustert sind, wobei die Vertiefungen und Höcker der
einen den Höckern
und Vertiefungen der anderen gegenüber liegen,
- – die
Grate der Trennhöcker
der Rillen sind zu der Fügeebene
parallel und weisen zu dieser Ebene einen Abstand auf, der größer ist
als ihre eigene Breite,
- – die
mit ihrer Symmetrieebene von den mittleren Längsebenen der gemusterten Flanken
jeder der Rillen der Form gebildeten Winkel sind größer als ein
Mindestwinkel, der von den korrekten Formbedingungen des Rohlings
auferlegt wird, und vorzugsweise kleiner als der maximale Umkehrwinkel
der Endanschlüsse
des herzustellenden Rohlings, wobei dieser maximale Winkel von der Bruchgrenze
des verwendeten Materials auferlegt wird,
- – die
Enden der Flanken und der Böden
der Rillen stoßen
aufeinander, um zwei symmetrische Flächen zu bilden, gegebenenfalls
mit umkehrbarem Profil, wie zum Beispiel Kegelhalbstümpfe, die
an der Fügeebene
der Form enden, wobei die zwei Stapelungsachsen dieser zwei Flächen in
dieser Fügeebene
legen,
- – da
die zwei Stapelungsachsen die der künftigen Versorgungssammler
der elementaren Leitungen des aktiven Teils sind, werden koaxiale
Zylinderabschnitte in jeden der Höcker, die zwei benachbarte
Rillen trennen, geschnitten, um diese Sammler abzugrenzen,
- – an
einem der Enden jeder dieser Achsen ist ein halbzylindrischer Hohlraum
eingerichtet, der dazu bestimmt ist, die Hälfte eines der zwei Verbindungsrohrstutzen
eines elementaren Wärmeaustauschers
zu formen,
- – einer
dieser halbzylindrischen Hohlräume
mündet
nach außen.
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Ein
Verfahren zum Herstellen durch Wärmeblasen
eines Rohlings aus Glas oder Polymer des aktiven Teils des erfindungsgemäßen elementaren Wärmeaustauschers,
der oben definiert ist, weist die folgenden Schritte auf:
- – mittels
einer Extrudiermaschine mit dem ausgewählten Material einen hohlen,
relativ flachen Vorpressling herstellen,
- – diesen
Vorpressling zwischen die zwei Backen der oben definierten Form
einfügen,
- – die
Backen der Form schließen
und dabei durch Schweißen
das obere und das untere Ende des angebrachten Vorpresslings versiegeln,
- – eine
Düse in
den offenen Hohlraum der Backen der Form einführen und sie den Vorpressling durchbohren
lassen,
- – während eines
kurzen Augenblicks Anlegen im Inneren des Vorpresslings eines hohen
Luftdrucks, so dass warm durch Wärmeblasen
ein Rohling des aktiven Teils hergestellt wird, der die Rillen der
Form nachvollzieht und den bikonvexen Bälgen eines Akkordeons ähnlich ist,
- – Entfernen
der Düse, Öffnen der
Backen der Form und Herausnehmen des Rohlings.
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Ein
Verfahren zum Herstellen durch Hydroformen eines Rohlings aus Metall
des aktiven Teils des erfindungsgemäßen elementaren Wärmeaustauschers,
der oben definiert ist, weist die folgenden Schritte auf:
- – Einführen eines
abgeflachten metallischen Rohrs mit entsprechender Länge zwischen
die zwei Backen einer hochfesten mechanischen Form, des Typs, der
oben definiert ist, dann Schließen
der Backen und dabei Versiegeln der Enden des Rohrs an Ort und Stelle,
- – Einfügen einer
Düse in
den offenen Hohlraum der Form, so dass sie dicht in dieses Rohr
eingeführt
wird,
- – Anlegen
während
eines sehr kurzen Augenblicks eines hohen hydraulischen Drucks,
der das Metall auf die Wände
der Form pressen kann, im Inneren des Rohrs, um kalt einen Rohling
mit dünnen
Wänden
des aktiven Teils herzustellen, der die Rillen der Form nachvollzieht
und den bikonvexen Bälgen
eines Akkordeons ähnlich
ist,
- – Entfernen
der Düse, Öffnen der
Backen der Form und Herausnehmen des Rohlings.
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Dank
aller dieser Anordnungen stellt man die erfindungsgemäßen Objekte
komplett her, nämlich Wärmeaustauscher,
die im Gegenstrom gemäß den drei
Merkmalen und den oben genannten Spezifikationen funktionieren können. Insbesondere
ist zu bemerken, dass die erfindungsgemäßen einstückigen Wärmeaustauscher beschränkte Produktionskosten haben,
die insbesondere auf das komplette Fehlen von Füge- und Schweißvorgängen des
aktiven Teils zurückzuführen sind.
Dieses Fehlen von Schweißungen
ist ferner ein besonders geschätztes
Merkmal in den Industriebereichen, in denen Schwingungen auftreten.
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Die
Effizienz der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher
hängt von
der Wärmeleitfähigkeit und
daher von der Stärke
der Wände
ihres aktiven Teils ab. Diese Stärke
hängt einerseits
von der Stärke der
Wandung oder des Metallrohrs, die oben erwähnt wurden ab, und andererseits
von dem Verhältnis
ihres Umfangs und des Umkreises des geraden Abschnitts des Rohlings.
Eine gleiche Forma erlaubt das Herstellen von Rohlingen, deren Stärke der
Wände im
Allgemeinen zwischen einfach und doppelt variieren kann.
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Die
große
Austauschfläche,
die bei jedem Wärmeaustauscher
erforderlich ist, wird im Rahmen der Erfindung leicht erzielt, denn
die Hohlplatten des aktiven Teils können zahlreich sein (zum Beispiel
bis zu 30) und relativ lang (zum Beispiel 50 bis 150 cm). Das gleicht
die einzelne relativ beschränkte
Breite dieser Platten aus, wem die mittlere Stärke ihrer Wände gering ist. Jeder merkliche
Differenzdruck, der die Hohlplatten mit dünnen Wänden beeinflusst, bewirkt nämlich ihr
mehr oder minder starkes Verformen in Abhängigkeit von der Breite und daher
entweder ein Zusammendrücken
ihrer Trennräume
und eine Erhöhung
ihrer inneren Stärke
oder das Gegenteil. Die eine oder andere dieser Verformungen würde zu einer
Verringerung des hergestellten Wärmeaustauschs
führen.
Diese Verformungen sind jedoch bei den Hohlplatten mit gemusterten
Wänden
sehr gering. Die große
Steifheit der dünnen
gemusterten Wände
gestattet Plattenbreiten bis zu 125 mm.
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Wenn
man zum Herstellen des aktiven Teils des Wärmeaustauschers Glas verwendet,
können die
negativen Auswirkungen eines solchen Differenzdrucks jedoch ziemlich
leicht ausgeglichen werden, wenn man den Hohlplatten eine relativ
größere Breite gibt
als die oben angegebene und gleichzeitig die Stärke der gemusterten Wände dieser
Platten erhöht.
Da Glas doppelt so wärmeleitend
ist wie Wasser, wird diese doppelte Erhöhung leicht für zahlreiche
Anwendungen möglich.
Zu bemerken ist, dass bei relativem Überdruck des aktiven Teils
das Halten des Wärmeaustauschers,
der mit einem Mantel versehen ist, groß ist (zwei bis drei bar, bei
Wänden
des aktiven Teils von 0,5 mm). Hingegen würde jeder Druck im Inneren
des Mantels, der größer ist
(zum Beispiel über
100 Millibar) als der im Inneren des aktiven Teils zu einem Zusammendrücken dieses
Teils führen.
Dieser besondere Nutzungsfall eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers
muss daher ausgeschlossen werden.
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Die
geringen jeweiligen Durchgangsstärken der
Fluide in dem Wärmeaustauscher
werden von der Innenstärke
der Hohlplatten und von der ihrer Trennräume bestimmt, wobei diese zwei
Stärken
im Wesentlichen gleich sind, wenn die betreffenden Fluide gleiche
Beschaffenheit haben. Wenn eines hingegen ein Gas und das andere
eine Flüssigkeit
ist, werden ihre Massedurchsätze
und ihre jeweiligen Wärmekapazitäten berücksichtigt,
um die Stärken
der herzustellenden Durchgänge
bestens zu bestimmen.
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Der
Gesamtdurchgangsquerschnitt des in dem Wärmeaustauscher eingeschlossenen
Fluids ist das Produkt des Querschnitts jeder elementaren Leitung,
die von jedem Paar Hohlplatten des aktiven Teils gebildet wird,
mit der Anzahl dieser Platten. Die Oberfläche des Querschnitts einer
elementaren Leitung ist aus den oben dargelegten Gründen beschränkt, aber
die Anzahl der Hohlplatten kann relativ groß sein. Wenn die auszutauschende
Wärmeleistung
groß ist,
ist es ferner leicht, mehrere Wärmeaustauscher,
die mit Mänteln
versehen sind oder nicht, parallel zu installieren oder auch mehrere
elementare Wärmeaustauscher
parallel in einem einzigen Mantel zu installieren.
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Was
den verringerten Platzbedarf eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers betrifft, ergibt
er sich aus der Tatsache, dass trotz einer großen möglichen Länge die Maße des geraden Abschnitts seines
Mantels relativ gering und einander sehr nahe sind, sofern er nur
einen einzigen aktiven Teil aufweist.
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Was
das geringe Gewicht betrifft, ergibt es sich aus der Tatsache, dass
das verwendete Polymer (Polypropylen zum Beispiel) eine relativ
geringe Dichte hat, und dass die Wände des aktiven Teils und seines
Mantels, die gemeinsam das Gerät
bilden, a priori beschränkte
Stärken
haben. In dem Fall von aktiven Teilen aus Metall (zum Beispiel nicht
rostender Stahl oder Titan), kann die Stärke der Wände aufgrund der hohen mechanischen
Festigkeit des Metalls gering bleiben, was die größere Dichte
ausgleicht und es der Einheit erlaubt, ein geringes Gewicht zu behalten.
Eine solche Eigenschaft ist im Fall von Glas weniger charakteristisch.
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Zu
bemerken ist hier, dass die gute Beständigkeit gegenüber korrosiven
Fluiden eine intrinsische Eigenschaft der meisten Polymere ist,
die für die
Herstellung der Teile verwendet werden können, die den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher
bilden. Das gilt natürlich
auch für
Glas und spezielle Metalle, die dazu vorgesehen sind.
-
Was
den verringerten Herstellungspreis des Geräts betrifft, ergibt er sich
(1) aus der Tatsache, dass im Fall eines Wärmeaustauschers für zwei eingeschlossene
Fluide, der nur einen einstückigen
aktiven Teil aufweist, der Wärmeaustauscher
maximal drei leicht herzustellende und zu fügende Teile aufweist, (2) aus
der kleinen Anzahl durchzuführender automatischer
Operationen dafür
und (3) aus der Tilgung des allgemein hohen Preises auf einer sehr
großen
Anzahl von Einheiten der Formen. Was die automatischen Umsetzungsausstattungen
der Herstellungsverfahren betrifft, ist zu bemerken, dass sie in den
Fertigungswerkstätten
von Behältern
mit allen Formen aus Kunststoff, Glas oder aus Metall geläufig sind,
und dass die Einrichtungen und Ergänzungen, die an ihnen erfindungsgemäß durchzuführen sind, dem
Fachmann des betreffenden Gewerbes bekannt sind.
-
Zu
bemerken ist, dass der Gebrauch eines geeigneten Polymers und insbesondere
von Polypropylen, ABS oder Polycarbonat für die Herstellung der erfindungsgemäßen elementaren
Wärmeaustauscher
der allgemeinste Fall ist. Das gilt auch für Heizungsradiatoren und allgemeiner
die Klimatisierung des Inneren von Kraftfahrzeugen, die einen elementaren
Wärmeaustauscher
und seinen Mantel aufweisen. Bei diesen Radiatoren zirkuliert das
Kühlwasser des
Motors oder das Kühlmittel
in dem aktiven Teil, und im Gegenstrom ganz um diesen Teil zirkuliert
ein forcierter Luftstrom. Ein weiteres Beispiel, das mit dem vorhergehenden
vergleichbar ist, ist das der Kondensationswärmeaustauscher, die in Geschirrspülern und
Wäschetrocknern
verwendet werden. Ein weiteres besonderes Beispiel ist das der Warmwasserzentralheizungsradiatoren,
die im Allgemeinen mehrere elementare bloße (ohne Mantel) Wärmeaustauscher
verwenden, die parallel installiert sind. Das gilt auch für die Wärmeaustauscher
von Wärmepumpen,
die in einem Wasserstrom installiert sind. Die elementaren Wärmeaustauscher
aus Glas erlauben es die Erfordernisse zahlreicher chemischer Labors
zu erfüllen.
Was die aus einem entsprechenden Metall hergestellten betrifft,
erfüllen
sie die Wünsche
bestimmter Hochtechnologieindustrien, die korrosive Fluide mit hoher
Temperatur aufbereiten. Zu bemerken ist, dass Wärmeaustauscher mit verringerten
Maßen
es erlauben, die Hersteller elektronischen Materials zufrieden zu
stellen, die über
effizientere Mittel verfügen
möchten,
um bestimmte Bauteile ihrer Geräte
zu kühlen
und insbesondere die Mikroprozessoren und Leistungstransistoren.
-
Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich genauer aus den
folgenden Beschreibungen von Ausführungsformen, die beispielhaft
und nicht einschränkend
gegeben werden und von den folgenden Zeichnungen veranschaulicht
werden, in welchen
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1 rechts
in A1, einen Längsquerschnitt entlang
der Ebene 17 der 2 und 3 unten (vereinfachter
Querschnitt) eines erfindungsgemäßen elementaren
Wärmeaustauschers
darstellt, in der Mitte einen vereinfachten Längsquerschnitt B1 des Rohlings
dieses Wärmeaustauschers
und links eine reale Vorderansicht C1 dieses Rohlings oder dieses
Wärmeaustauschers
(die vereinfachten Veranschaulichungen A1 und B1 weisen ein Löschen der
Musterungen auf);
-
2 reale
Querschnitte A2, B2 und C2 von zwei erfindungsgemäßen elementaren
Wärmeaustauschern
darstellt, die gemäß der Schnittachse
CC' ausgeführt sind,
die entlang der Mittellinie zwischen einer Vertiefung und einen
Höcker
der Musterung der Wände
des in C1 dargestellten Wärmeaustauschers verläuft,
-
3 versetzte
reale Halbquerschnitte A3, B3 und C3 von zwei erfindungsgemäßen elementaren
Wärmeaustauschern
darstellt, die gemäß den versetzten
Schnittachsen AA' und
BB', die jeweils eine
Vertiefung und einen Höcker
der Musterung der Wände
des in C1 dargestellten Wärmeaustauschers durchqueren,
zeigt,
-
4 eine
vereinfachte perspektivische Ansicht des Blocks darstellt, der die
Herstellungshalbform des Rohlings des aktiven Teils des erfindungsgemäßen elementaren
Wärmeaustauschers
bildet,
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5 in
vereinfachter Perspektive die Hälfte jeder
der zwei Haltschalen des Mantels eines erfindungsgemäßen elementaren
Wärmeaustauschers darstellt,
-
6 die
Vorderansicht der gemusterten Wand einer Hohlplatte eines einstückigen Wärmeaustauschers
oder einer der gemusterten Flanken der betreffenden Form darstellt,
-
7 die
Schnittansicht von zwei benachbarten Hohlplatten mit gemusterten
Wänden
eines solchen Wärmeaustauschers
darstellt.
-
Die 1, 2 und 3 betreffen
zwei Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen elementaren
Wärmeaustauschers.
Für den
einen bilden die mittleren Längsebenen
der länglichen
Hohlplattenpaare dieser Wärmeaustauscher
gemeinsam Dieder zu 150°,
(Schnitt A2 und A3), und für
den anderen sind sie zu ihrer Symmetrieebene senkrecht (Schnitte
B2 und B3). In dem ersten Fall wurde der Wärmeaustauscher durch Komprimieren
und Umkehren der Bälge
und der Endanschlüsse
eines Rohlings in Akkordeonform hergestellt, und im zweiten durch
symmetrisches Komprimieren dieser Bälge und dieser Anschlüsse.
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Die
Ansicht C1 lässt
die Musterung der Endwände
eines elementaren Wärmeaustauschers
oder eines Rohlings dieses Wärmeaustauschers
erkennen. Diese Musterung besteht aus einer abwechselnden Abfolge
von Vertiefungen 120 und Höckern 122 in der Form
vierseitiger Dächer
(die detailliert in 6 beschrieben sind). Drei versetzte
Querschnittebenen sind ausgeführt,
um die geometrischen Folgen dieser Musterung zu beschreiben: die
Halbebenen AA' und
BB' jeweils durch
einen Höcker 122 und eine
Vertiefung 120 der Wand einer Platte und die Ebene CC' entlang der Trennlinie
der Vertiefungen und Höcker
eines Plattenpaars.
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Gemäß 2 lässt der
Querschnitt A2 den geraden Schnitt 10 entlang der Schnittebene
CC' des aktiven
Teils eines Wärmeaustauschers
mit kleinen Maßen
und 11a-b der zwei Halbschalen seines Mantels erkennen.
Der Abschnitt 10 des aktiven Teils hat die Form einer Fischwirbelsäule versehen
mit sieben Paaren Hohlgräten 12a-b,
die schräg
und untereinander parallel sind. Der Innenhohlraum 14 jeder
Gräte 12a-b
ist eng (zum Beispiel 2 mm), und die zwei global symmetrischen Gräten eines
Paars kommunizieren untereinander durch einen gemeinsamen Kanal 16,
der im Wesentlichen die gleiche Breite hat wie die Innenstärke des
Hohlraums 14. Die Wände
dieser Gräten 12a-b
sind aus Polymer hergestellt, das gute mechanische Festigkeit bis
mindestens 100 °C
(zum Beispiel Polypropylen) besitzt, und sie haben 0,5 mm mittlere
Stärke
und eine Breite von 25 mm. Der Abstand 18 zwischen zwei
benachbarten Gräten
ist ungefähr
gleich der Innenstärke
des Hohlraums 14. Die Entfernung zwischen den Außenwänden 13-15 der zwei
Endgräten
des geraden Abschnitts 10 beträgt 35 mm.
-
Der
vereinfachte Längsquerschnitt
A1 (Musterung gelöscht)
eines aktiven Teils 20 entlang der versetzten Schnittebene 17 des
Querschnitts A2 lässt
sieben elementare Leitungen erkennen, die aus sieben insgesamt symmetrischen
länglichen
Hohlgrätenpaaren 22 bestehen,
die wie die 12a-b des Querschnitts A2 angeordnet sind.
Diese länglichen global
symmetrischen Gräten 22 teilen
sich den gemeinsamen zentralen Kanal 16, der die ganze
Symmetrieebene des Wärmeaustauschers
belegt. Die länglichen
Gräten 22 weisen
geradlinige zentrale Teile 23 auf, deren Enden untereinander
durch Halbkegelstümpfe 24 und 26 mit
Hohlwänden verbunden sind.
Die Mitten dieser zwei Reihen Halbkegelstümpfe sind auf zwei Achsen 25 und 27 ausgerichtet, gleichzeitig
zueinander parallel, senkrecht zu den Außenrändern der Hohlplatten 22 und
in ihrer Längssymmetrieebene.
Diese Achsen 25-27 sind die zweier Versorgungssammler
jeder der Elementarleitungen, die aus jedem Hohlplattenpaar 22 bestehen. Diese
Sammler münden
auf den zwei Anschlussrohrstutzen 28-30 des aktiven
Teils 20, die in umgekehrte Richtung angeordnet und mit
Befestigungsansätzen 29-31 (siehe
Querschnitte A1 und C1) versehen dargestellt sind. Der Achsabstand
der Rohrstutzen 28-30 kann groß sein (bis zu 150 cm), in
der Praxis hängt
er aber von den Möglichkeiten
der Maschinen ab, die für
die Herstellung der Rohlinge der aktiven Teile der elementaren Wärmeaustauscher
verfügbar sind.
-
Der
Querschnitt B2 verläuft
entlang der Schnittebene CC' eines
aktiven Teils eines Wärmeaustauschers,
dessen mittlere Längsebenen
der gemusterten Hohlgräten
senkrecht zu ihrer globalen Symmetrieebene liegen. Die gleichen
Bezugszeichen werden für
die Figuren A2 und B2 verwendet. Der einzige Unterschied zwischen
den Hohlgräten 12a-b
der zwei Figuren betrifft die Ausrichtungen ihrer mittleren Ebenen
in Bezug auf ihre globale Symmetrieebene.
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Der
Längsquerschnitt
B1 des vereinfachten Rohlings 32 (Musterungen gelöscht) des
aktiven Teils 20 und seines Querschnitts C2 entlang der Schnittebene
CC' zeigen, dass
der Rohling 32 die Form einer Stapelung global bikonvexer
Bälge 34 hat,
deren Flanken 33a-b und 35a-b mit denen eines Akkordeons
verglichen werden können.
Auf den Querschnitten B1 und C2 sind zur Bequemlichkeit nur vier
Bälge dargestellt.
Gemäß dem Querschnitt C2
sind die entgegen gesetzten Grate 36a und 36b jedes
Balgs sowohl abgeglichen als auch fein (zum Beispiel 0,3 mm) und
breit (zum Beispiel 2 mm), wobei die Entfernung, die diese Grate
trennt, bei dem ausgewählten
Beispiel etwa 50 mm beträgt.
Die Böden 38a-b
dieser Bälge
sind flach und haben die gleiche Breite (2 mm) aber eine deutlich
größere Stärke (zum
Beispiel 1,2 mm). In dem Fall des beispielhaften kleinen Wärmeaustauschers
misst die Basis jedes Balgs 34 etwa 17 mm mit einer Tiefe
von 25 mm. Diese Maße
haben ein gutes Eindringen des betreffenden Vorpresslingteils bis
zum Grund der Rillen der zum Herstellen dieses Rohlings verwendeten
Form erlaubt. Unter diesen Bedingungen beträgt der Winkel am Scheitel,
der von den mittleren Ebenen dieser Flanken 33a-b und 35a-b
gebildet wird, etwa 50°,
das heißt
25° für den Halbwinkel,
der von diesen mittleren Ebenen und ihrer Quersymmetrieebene gebildet
wird und 10° oder
40° für die der
ebenen Facetten der Vertiefungen und Höcker der Musterungen. Diese
letzteren Halbwinkel sind größer als
der Mindestfreistichwinkel für
jeden geformten Teil.
-
Gemäß der realen
Vorderansicht C1 und dem vereinfachtem Längsquerschnitt B1 haben die Enden 40 und 42 jedes
Balgs 34 des Rohlings 32 die Form halbkegelstumpfförmiger Abschnitte.
Die Mitten dieser halbkegelstumpfförmigen Abschnitte sind auf
den Achsen 25-27 der Rohlinge der zukünftigen Versorgungssammler 44-46 ausgerichtet,
die zum Beispiel 16 mm Durchmesser haben, und an den Anschlussrohrstutzen 28 und 30,
die in A1 und C1 dargestellt sind, enden. Das Längsmaß der Bälge 34 ist natürlich das
für die
Gräten 22 des
Querschnitts A1 angegebene. Die konvexen Fugen der Flanken 37a-b
und 39a-b der zwei äußeren Halbbälge des Rohlings 32 weisen
Längshöcker 41-43 auf,
die dazu bestimmt sind, für
die Mitten der konvexen und der konkaven Wand des Mantels des aktiven
Teils 20 als Auflage zu dienen (siehe in A2 gerader Abschnitt 11a-b
dieses Mantels). Die Entfernung zwischen den Auflagehöckern 41-43 beträgt zum Beispiel
130 mm, für
den oben erwähnten
Rohling 32 zu sieben Bälgen 130
mm.
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3 stellt
die Querschnitte A3 und B3 der zwei vorhergehenden elementaren Wärmeaustauscher
dar, die gemäß den versetzten
Halbschnittebenen AA' und
BB' der Vorderansicht
C1 ausgeführt sind,
die jeweils eine Vertiefung und einen Höcker der Musterung der Wände der
Platten dieser Wärmeaustauscher
durchqueren. Ebenso sind die zwei Halbquerschnitte, die in C3 dargestellt
sind, die eines Rohlings mit gemusterten Wänden, hergestellt entlang diesen
gleichen Schnitthalbebenen. Die Bezugszeichen der Schnitte der 2 und 3 sind identisch.
Die Wände
der Platten eines Wärmeaustauschers
und die der Bälge
eines Rohlings, die in den Schnitten A3, B3 und C3 dargestellt sind
(Halbschnittebenen AA' und
BB'), unterscheiden
sich von den in A2, B2 und C2 dargestellten durch die Tatsache,
dass die Wände
der Gräten 12a und
die 33a und 39a der Bälge 34 der Figur,
statt wie Letztere geradlinig zu erscheinen (Schnittebene CC'), eine Hohlfaltung
aufweisen und die Wände
der Gräten 12b und 33b und 39b dieser
Bälge eine
Höckerfaltung.
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4 stellt
eine vereinfachte perspektivische Ansicht (mit gelöschten Musterungen)
einer der Backen 52 in Form eines dicken Parallelepipedblocks 54 der
Form 50 zum Herstellen des Rohlings 32 dar. In
dem Fall eines Polymer- oder Glasrohlings könnte der Block 54 aus
Aluminium bestehen, und in dem Fall, in dem der Rohling aus Metall
sein muss, könnte
der Block aus hochfestem mechanischen Stahl bestehen. Die obere
Seite 56 des Blocks 54, die die Fügeebene
der Form bildet, weist eine relativ große Anzahl aufgeweiteter, länglicher,
benachbarter Rillen 62 auf. Diese Rillen 62 weisen
einen global geradlinigen zentralen Teil 64 auf, der einen
geraden mittleren Querschnitt in Form eines gleichschenkeligen Trapezes
besitzt. Der geradlinige Boden 66 jeder Rille 62 ist
eng und entspricht der kleinen Basis des Trapezes. Die Flanken 68a-b
dieser Rillen 62 sind gleich wie die Flanken 33a-35a des
Rohlings 32. Die geradlinigen Grate 70 der Trennhöcker dieser
Rillen 62 haben identische Breiten wie die der Böden 38a-b der
Bälge 34 der
Figur (Ansicht C2). Was die Böden 66 der
Rillen 62 betrifft, ist ihre Breite die der Innenstärke der
Gräten
plus zweimal die Stärke
ihrer Wände,
das heißt
in dem Fall des präsentierten
Beispiels 3 mm. Symmetrische Kegelstumpfabschnitte 67a-b und 69a-b
(Abschnitte größer als
ein Viertel) bilden Verlängerungen
der schrägen
Flanken 68a-b der aufgeweiteten Rillen 62, die
aufeinander treffen und an der Fugenebene 56 der Form enden.
Die Enden der engen geradlinigen Böden 66 der Rillen 62 verlängern sich
um Viertelzylinder 65a-b, die auf der Ebene der Fuge 56 enden.
Zylindrische Oberflächenabschnitte 72 und 74 mit
zum Beispiel 16 mm Durchmesser, die in die Trennhöcker der
Rillen 62 am Beginn der Kegelstumpfabschnitte 67a-b
und 69a-b geschnitten sind, bilden Formteile, die die Ränder der Rohlinge
der Versorgungssammler 44 und 46, die in Ansicht
B1 der 1 dargestellt sind, erzeugen. Die Mitten dieser
Abschnitte zylindrischer Flächen 72-74 sind
auf den Achsen 25-27 von zwei Halbhohlräumen 76 und 78 ausgerichtet
(mit zum Beispiel 12 mm Durchmesser) die mit Halbansätzen 77-79 versehen sind.
Diese Halbhohlräume 76-78 sind
in die obere Seite des Blocks 54 gehöhlt und erzeugen Anschlussrohrstutzen 28-30 des
Rohlings 32 und ihre Ansätze 29-31.
Diese Achsen 25-27 sind zueinander parallel, zu
den Graten 70 der Trennhöckerrillen 62 senkrecht
und liegen in der Fugenebene 56 der Form. Der Halbhohlraum 76 ist
nach außen
offen.
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5 stellt
perspektivisch in A5 und B5 die vereinfachten Teilansichten (mit
gelöschter
Musterung) von zwei Halbschalen 80 und 82 dar,
die zusammengefügt
und geschweißt
den Mantel 81 des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers bilden. Diese
zwei Halbschalen wurden mittels gewöhnlicher Techniken der Industrie
hergestellt (Wärmeformen
eines Polymerblatts oder Stanzen eines Metallblatts). Jede dieser
Halbschalen 80-82 ist dazu bestimmt, eine Längshälfte des
aktiven Teils 20 des elementaren Wärmeaustauschers zu umgeben
und die Hälften
der zwei Anschlussrohrstutzen 94 und 110 des Mantels 81 zu
bilden.
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Die
Teilansicht A5 der Halbschale 80 lässt eine konvexe Außenwand 84 erscheinen,
die ganz herum einen engen kontinuierlichen Flachteil 85 und in
der Mitte einen Längshöcker mit
gleicher Breite 86 aufweist. Dieser Flachteil und dieser
Höcker
können jeweils
den verringerten Abstand erstellen, der oben (zum Beispiel 1 mm)
in Bezug auf die Baugrenzen des aktiven Teils 10 vorgesehen
wurde, jedoch mit Ausnahme der Auflagehöcker 41-43 dieses
aktiven Teils. An dem Ende der Halbschale 80 erscheint
in Relief die Form 88 des Kegelstumpfabschnitts 40 (siehe
Ansicht C1 der 1), der den Anschluss der zwei
geradlinigen Elemente des Paars äußerer konvexer
Längsgräten 13 sicherstellt
(siehe Ansicht A2 der 2). In der Mitte der Form 88 erscheint
eine kreisförmige Öffnung 90,
deren Umgebung 92 dazu bestimmt ist, an den Ansatz 29 des
Anschlussrohrstutzens 28 des aktiven Teils 20 angelegt
und geschweißt
zu werden. An dem Ende der Halbschale 80 erkennt man den
Endteil eines Anschlusshalbstutzens 94 des Mantels 81 des
aktiven Teils 10. Die Flanken 96a-b der Halbschale 80 sind
umso höher als
die Anzahl der Längsgrätenpaare 22 groß ist. Zwei
Ränder 98a-b
umgeben die Außenränder der Halbschale 80 (Flanken 96a-b
und Halbstutzen 94). Diese Ränder erscheinen auch in A2
in 2.
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Die
Teilansicht B5 der Halbschale 82 lässt eine konkave Außenwand 100 erscheinen,
die ganz herum einen engen kontinuierlichen Flachteil 102 aufweist
und in der Mitte eine Längshohlkehle
mit der gleichen Breite 104. Dieser Flachteil und diese
Hohlkehle sind jeweils dazu angepasst, einen verringerten Abstand ähnlich dem
oben genannten zu erstellen. An dem Ende der Halbschale 82 erscheint
vertieft die Form 106 des Kegelstumpfabschnitts 42,
der den Anschluss der zwei geradlinigen Elemente des äußeren konkaven
länglichen
Grätenpaars 15 (Schnitt
A2) sicherstellt. In der Mitte der Form 106 erscheint eine
Scheibe 108 der Öffnung 90 der
halbschale 80 entgegen gesetzt. An dem Ende der Halbschale 82 ist
der Halbanschlussstutzen 110 des Mantels 81 angeordnet.
Die Flanken 112a-b der Halbschale 82 haben die
gleiche Höhe
wie die 96a-b der Halbschale 80. Zwei Ränder 114a-b
umgeben die Außenränder der
Halbschale 82. Diese Ränder 114a-b
sind dazu bestimmt, an die Ränder 98a-b
der Halbschale 80 geschweißt zu werden.
-
6 stellt
die Vergrößerung zweier
Dinge dar, (1) eine Vorderansicht einer Längshälfte der gemusterten Wand einer
länglichen
Hohlplatte 22 eines realen elementaren Wärmeaustauschers
und (2) eine Vorderansicht ähnlich
der gemusterten Flanke der Rillen 62 einer realen Halbform,
die für
das Herstellen der Rohlinge dieses Wärmeaustauschers verwendet werden
kann. In den zwei Fällen
weisen die gemusterten Wände
des Rohlings oder der Rillen der für seine Herstellung verwendeten
Halbform eine Abfolge von Vertiefungen 120 und Höckern 122 in
Form von vierseitigen Dächern
auf, zwei in Trapezform 124-126 und zwei in Form
gleichschenkeliger Dreiecke 128-130. Die Tiefe
einer Vertiefung 120 und die Höhe eines Höckers 122 betragen
daher zum Beispiel 2,5 mm. Die Indizes b und c, die den Bezugszeichen
dieser vier Seiten zugewiesen sind, identifizieren jeweils die Höcker und
die Vertiefungen, die grau hinterlegt dargestellt sind. Die Schnitthalbebenen
AA' oder BB', die oben erwähnt wurden,
durchqueren in ihrer Mitte die Trapeze in Vertiefung 124c und 126c oder
die Trapeze in Höckern 124b und 126b.
Die Verbindungslinien der Trapeze 124 und 126 tragen
die Bezugszeichen 121 und 123 je nachdem, ob diese Trapeze
zu den Vertiefungen oder Höckern gehören. Zu
bemerken ist, dass jede der zwei gemusterten Flanken 33-35 eines
realen Rohlings oder einer Vertiefung 68a-b einer Rille 62 einer
realen Halbform eine abwechselnde Folge von Vertiefungen und Höckern aufweist,
die einer abwechselnden Abfolge von Höckern und Vertiefungen gegenüber liegt.
Die dargestellten gestrichelten Linien 129 sind symbolisch, um
die zwei koplanaren Seiten 128b und 130c oder 130b und 128c zu
unterscheiden, die jeweils zu einem Höcker oder einer Vertiefung
gehören,
wobei jede gestrichelte Linie die große Diagonale einer Raute ist.
Die Schnittebene CC',
die oben erwähnt wurde,
folgt diesen Linien 129. Die engen Rechtecke 132 und 134,
die an den Enden der Abfolge aus Vertiefungen und Höckern 120-122 erscheinen,
sind ebene Anschlusszonen des zentralen Teils (1) der Hohlplatten 22 und
ihrer Endanschlüsse 24-26 in dem
Fall der Wärmeaustauscher
oder (2) der Rillen 62 der Halbform mit ihren Enden in
Kegelstumpfabschnitten 67a-b und 69a-b. Die Ränder 136 und 138, die
in 6 dargestellt sind, sind die Gratlinien 36 oder
Bodenlinien 38 der Rohlinge 32.
-
7 stellt
die vergrößerte Längsschnittansicht
entlang der mittleren Linien 121-123 der zentralen
Teile zweier benachbarter Hohlplatten 140 und 142 mit
gemusterten Wänden
dar, die von einem Abstand 144 getrennt sind. Gemäß diesem
zentrierten Längsschnitt
ergibt die in 6 beschriebene Musterung nach
dem kontrollierten Zusammendrücken
des Rohlings durch Erzeugen von Hohlplatten 140-142 an den
Wänden 146a-b
und 148a-b, eine Reihe von Höckern, wie zum Beispiel 150a und 152b,
und Vertiefungen, wie zum Beispiel 150a oder 152b,
die von Gefällen
zu etwa 30° verbunden
werden, wie zum Beispiel 154a-b. Der Abstand zwischen zwei
Endlinien 150a und 150b beträgt etwa 5 mm. Die Innenstärke einer
Hohlplatte 140-142 mit gemusterten Wänden ist
im Wesentlichen konstant, zum Beispiel 2 mm. Die Breite des gewellten
Abschnitts 144, die sie trennt, ist ebenfalls im Wesentlichen
konstant und liegt in der gleichen Größenordnung wie die Innenstärke der
Platten.
-
Unter
diesen Bedingungen bewirkt eine solche Musterung, dass dem Trägheitsmoment
der Wand in Bezug auf ihre mittlere Ebene ein Wert verliehen wird,
der mehrere Hundert Mal größer ist
als der des gleichen Trägheitsmoments
einer ebenen Wand mit einer Stärke
von einem halben Millimeter. Die Steifheit des zentralen Teils der
Wand wird in den gleichen Proportionen erhöht, die der Grate und Böden der
Bälge der
Rohlinge bleibt jedoch sehr gering, was es diesen Graten und Böden erlaubt,
die Rolle biegsamer Scharniere zu übernehmen, die im Augenblick
des kontrollierten Zusammendrückens
des Rohlings einen sehr kleinen Krümmungsradius einnehmen, während die
Flanken jedoch insgesamt eben bleiben.
-
Dank
dieser Anordnungen erscheint der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher mit den Vorteilen
aller seiner Herstellungs- und Gebrauchsmerkmale. Was seine Herstellung
betrifft, ist zuerst zu bemerken, dass die betreffenden Formen gewöhnliche Herstellungsverfahren
heranziehen und im Rahmen von in der Industrie üblichen Techniken verwendet werden.
Das gilt auch für
die Ausstattungen mit automatischem Betrieb, wie zum Beispiel Extrusionsmaschinen,
Kompressoren und Bewegungssysteme, die man in allen Herstellungswerkstätten für Behälter aller
Formen aus Polymer oder aus Glas, die dazu bestimmt sind, unterschiedliche
Flüssigkeiten
zu enthalten, findet. Das gilt auch für Ausstattungen, die mit sehr
hohem Wasserdruck funktionieren, die zum Hydroformen von Metallteilen
verwendet werden.
-
Ausgehend
von einem Rohling, der die Form einer Stapelung global bikonvexer
Bälge hat,
die mit denen eines Akkordeons verglichen werden können, die
aus den beschriebenen Formen hervorgehen, zieht das Umformen dieses
Rohlings 32 in einen aktiven Teil 20 des erfindungsgemäßen elementaren Wärmeaustauschers
einen als solchen neuen Vorgang heran, der mittels einer besonderen
Werkzeugmaschine, die dazu angepasst ist, ausgeführt wird. Dieser Vorgang bildet
entweder ein symmetrisches Zusammendrücken der Bälge des Rohlings, oder ein plötzliches
Umkehren der konvexen Halbbälge
dieses Rohlings, die in eine erste Richtung ausgerichtet sind, zu
ihren global symmetrischen Halbbälgen,
die in eine zweite Richtung ausgerichtet sind (sie waren konvex
und werden und bleiben konkav). In den zwei Fällen erfolgt der Vorgang durch
Anlegen einer Kompressionskraft an die Bälge parallel zu ihrer Stapelungsachse.
Diese Kraft wird durch einen gesteuerten Unterdruck erzeugt, der
im Inneren des Rohlings 32 angelegt wird, und/oder durch
einen Kolben mit konvexem Profil, der mit ebenfalls gesteuerter
Geschwindigkeit vorwärts
läuft,
kombiniert mit einer fixen Auflage mit konkavem Profil. Dieser Kolben
und diese Auflage haben das gleiche Längsmaß wie die Gräten des
schließlich
hergestellten aktiven Teils. In dem Fall, in dem die Kompressionskraft
durch einen Unterdruck erzeugt wird, ist zu bemerken, dass die externen
Allrichtungskräfte,
die sich dabei ergeben, in die Richtung der leichtesten Bewegung
wirken, nämlich
in die Achse der Stapelung der Bälge
des Rohlings. Zu bemerken ist, dass die bistabilen Wippen, die diese
Halbbälge
des Rohlings bilden, die in ihrem zweiten beständigen Zustand die Form konkaver
Wände länglicher
schräger
und hohler Gräten
angenommen haben, zur Veranschaulichung ihren ersten Zustand durch
einfachen Anlegen eines ausreichenden Drucks im Inneren des fertigen
aktiven Teils wieder annehmen können,
jedoch unter der Bedingung, dass die Wände dieses eine Mindestgeschmeidigkeit
behalten oder wieder gefunden haben. Das gilt auch für die Halbbälge, die
symmetrisch zerdrückt
wurden.
-
Damit
alle diese Vorgänge
möglich
sind und korrekt ablaufen, ist es hier offensichtlich erforderlich, dass
der Rohling, der in die besondere Maschine, die ein solches Zusammendrücken oder
ein solches Umkehren ausführen
soll, Grate und Böden
aufweist, die ausreichend biegsam und elastisch sind. Das dient dazu,
dass ihre Bruchgrenze relativ hoch ist, und dass das Umkehren oder
das symmetrische Zusammendrücken
der betreffenden Flanken der zentralen Teile der Bälge und
ihrer Endanschlüsse
ohne Gefahr der Rissbildung oder des Berstens erfolgen kann. Sollte
der Übergang
von der Form zu der Kompressionsmaschine des Rohlings eine relativ
lange Totzeit aufweisen, würde
sich dieser Rohling abkühlen,
was insbesondere bei Glas seine Biegsamkeit unter das Mindestlimit,
das für
ein gutes Umkehren und ein gutes Zusammendrücken auferlegt wird, senken
könnte.
In diesem Fall müsste
die Maschine stromaufwärts
Mittel zum Erhitzen des Rohlings aufweisen, um ihm die Geschmeidigkeit
zu verleihen, die er braucht, damit die betreffenden Halbbälge schadlos umgekehrt
werden können.
-
Zu
bemerken ist, dass die Hohlendanschlüsse der zentralen Teile der
global symmetrischen Hohlplatten eines erfindungsgemäßen elementaren Wärmeaustauschers
sowie die bikonvexen Anschlüsse
seines Rohlings, die oben beschrieben wurden, Kegelstumpfabschnitte
sind. Dieser Oberflächentyp
ist natürlich
nicht der einzige, der verwendet werden kann. Jede umkehrbare Fläche (eine
stark aufgeweitete Pyramide mit Quadratbasis und abgeglichenem Gipfel
ist in Bezug auf eine Umkehrebene, die ihre Basis enthält, umkehrbar)
kann verwendet werden, um die bikonvexen Anschlüsse der Enden der zentralen
Teile der Bälge
des erfindungsgemäßen Rohlings
zu bilden.
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Was
die Musterungen der Flanken der Bälge betrifft, ist zu bemerken,
dass vierseitige Dächer
nicht die einzige Ausführungsform
sind, Höcker
und Vertiefungen in Form von Hauben und Schalen mit mehr oder minder
gerundeten Böden
sind ebenfalls möglich.
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Was
die Herstellung und das Anbringen des Mantels des elementaren Wärmeaustauschers
betrifft, ist zu bemerken, dass auch diese Vorgänge herkömmliche Techniken der Industrie
heranziehen. Was das dichte Befestigen der Halbschalen aufeinander
und auf den Anschlussrohrstutzen des aktiven Teils betrifft, kann
man natürlich
Dichtungen und Ränder
vorsehen, die sich ineinander verschachteln und so bleiben können.
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Was
die Ausrichtungen in entgegen gesetzte Richtung der Anschlussrohrstutzen
des aktiven Teils betrifft, ist es klar, dass diese unterschiedlichen
Ausrichtungen eine bessere Zirkulation der Fluide im Inneren der
Innen- und Außenteile
erlauben, sie können
jedoch ohne größeren Schaden
auch identisch sein.
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Wie
oben erwähnt,
weist der erfindungsgemäße elementare
Wärmeaustauscher,
von einem dichten Mantel wie oben beschrieben umgeben oder nicht,
immer die erforderlichen Merkmale für diese Art von Gerät auf und
erfüllt
alle ihn betreffenden besonderen Spezifikationen. Er ist natürlich nicht
auf die beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt.