DE69200319T2

DE69200319T2 - Zylindrischer Mantel mit grossem Durchmesser zur Kühlung von Teilen.

Info

Publication number: DE69200319T2
Application number: DE69200319T
Authority: DE
Inventors: Christian Carlier; Pierre Desert
Original assignee: Hamon Spiro Gills SA
Current assignee: Hamon Spiro Gills SA
Priority date: 1991-12-09
Filing date: 1992-06-18
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2012-06-19
Also published as: DE69200319D1; EP0546969A1; FR2684750A1; BE1004684A6; EP0546969B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zylindrischen Mantel großen Durchmessers zur Aufnahme von Organen zur Kühlung durch ein externes Fluid, wie insbesondere Geräte der Leistungselektronik eines Hochgeschwindigkeitszuges.
Die Erfindung findet ihre Anwendung auf allen Gebieten, auf denen man eine Ummantelung für darin enthaltene Geräte, ggf. Präzisionsgeräte, die durch ein externes Kühlfluid gekühlt werden müssen, gebrauchen muß.
In zahlreichen Industriebereichen, wie der chemischen Industrie oder petro-chemischen Industrie, der Industrie der Abfallbehandlung, der Nuklearindustrie oder derjenigen der klassischen Energien ebenso wie der Industrie der Luftreinhaltung oder des Eisenbahntransportes, benötigt man derartige Umhüllungen, die von einem externen Fluid gekühlt werden müssen. Diese Umhüllungen sind insbesondere dazu bestimmt, unterschiedliche Sorten von Einrichtungen oder notwendige Kontrollgeräte oder industrieelle Steuereinrichtungen ebenso wie solche zum Antrieb aufzunehmen.
Um einen solchen thermischen Austausch zu ermöglichen, benötigt man z.B. gemäß einer variablen Teilung und Verteilung als Funktion der Benutzungsart regelmäßig auf der Peripherie der Außenfläche von Rohren verteilte Kühlrippen.
Außerdem müssen die Rippen eine möglichst große Oberfläche zum thermischen Austausch aufweisen, um eine zufriedenstellende Ausbeute an thermischem Austausch zu ermöglichen.
Aus diesem Grunde kennt man derzeit unterschiedliche Rippenarten, deren Form, Art und Weise und Konstruktion u.a. von ihrem Gebrauch und dem gewünschten Ergebnis abhängt.
Diese Rippen sind auf Rohren mit geringen Durchmessern angeordnet, was ihre Benutzungsmöglichkeit beträchtlich einschränkt.
Dies bedeutet, daß solche Rohre nur zur Aufnahme von Geräten kleinerer Abmessungen oder zur Sicherstellung einer Fluidzirkulation herangezogen werden können.
Ein erster Typ von benutzten Rippen besteht aus geraden Rippen.
Diese Rippen werden realisiert durch ein metallisches Band, welches vorher auf einer geeigneten Maschine aufgewickelt wurde; ein Band, das man auf den Körper eines Rohres geringen Durchmessers aufrollt unter Ausübung eines erheblichen Druckes zur Sicherstellung des Haltens unter Bildung einer Basis zur Koordierung der Rippe auf jeder ihrer Seiten. Derartige Prozesse sind beschränkt auf Rohre sehr geringen Durchmessers, deren Durchmesser einheitlich nur bis zu einigen Zentimetern gehen kann.
Man kann in gleicher Weise zur Verwirklichung derartiger Rippen eine Einrichtung benutzen, die zwei nicht unterbrochene Scheiben aufweist, die senkrecht zum Körper des zu überziehenden Rohres angeordnet sind. Die erste Scheibe bringt auf der glatten Oberfläche des Rohres eine Nut an, wogegen die zweite Scheibe das metallische Band unter Ausübung eines ausreichenden Druckes auf nur einer Seite der Rippe, um ihr Halten sicherzustellen, in das Innere dieser Nut führt.
Bei einer Verwirklichungsvariante kann man in gleicher Weise eine Nut auf der Außenfläche der Umhüllung auskehlen, nicht gerade sondern schraubenförmig, und man kann beiderseits das Metall in Richtung auf das Innere der Nut zurücktreiben. Um dies auszuführen, führt man in die Nut ein vorgewickeltes metallisches Band ein, indem man es sehr stark anzieht. Die beiderseits gebildeten Grate werden flach gedrückt und auf jeder Seite der Rippe gestaucht.
Wie auch immer die Verwirklichung sein mag, derartige Rippen können nur auf Rohre mit vergleichsweise geringem Durchmesser aufgebracht werden. Darüber hinaus weisen sie den Nachteil auf, daß sie bei bestimmten Benutzungsarten nicht genügend fest in den Nuten gehalten sind, dies verkleinert beträchtlich die Wirksamkeit des thermischen Austausches und daher die wärmemäßige Ausbeute der Einrichtung.
Diese schlechte mechanische Haltbarkeit der Verbindung kann in gleicher Weise als Konsequenz die Freisetzung der glatten Oberfläche des Rohres zur Folge haben, derart, daß diese glatte Oberfläche der Korrosion ausgesetzt ist.
Diese Korrosion kann um so stärker sein, wenn derartige Rohre in einer feuchten Atmosphäre eingesetzt werden oder wenn das Kühlfluid selbst korrosiv ist.
Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man daran gedacht, derartige Rippen in einer solchen Weise auszubilden, daß sie querschnittlich L-förmige oder Doppel-L-förmige Körper aufweisen.
Durch die US-A-3 388 449 (bzw. FR-A-2 060 217) kennt man schon einen zylindrischen Mantel zur Kühlung durch ein externes Wärmeträgerfluid, der eine glatte Außenoberfläche aufweist, die wenigstens teilweise von regelmäßig auf der genannten glatten Fläche verteilten Rippen in einer spiralförmigen Anordnung mit einer vorbestimmten Teilung bedeckt ist, wobei jede Rippe einen querschnittlich im wesentlichen L-förmigen Körper aufweist mit einem Schenkel und einer Basis, die gegen die glatte Außenoberfläche angedrückt ist, wobei die Rippen unter Spannung auf die glatte Außenoberfläche in sich bereichsweiser Überdeckung aufgerollt sind, derart, daß ihre Basis von einem Fuß und/oder einer Basis der entsprechenden benachbarten Rippe partiell überdeckt wird.
Andererseits kennt man durch die US-A-4 514 900 schraubenförmige Rippen, querschnittlich L-förmig, deren gesamte externe Oberfläche der Basis jeder Rippe gegengerändelt ist, um diese Basis mit einer stetigen Rändelung auf der externen Oberfläche des Rohres zu befestigen.
Um dies zu machen, bringt man zunächst eine Rändelung auf der Außenfläche des Rohres mit geringem Durchmesser an, dann rollt man ein metallisches Band, das man zu einem L geformt hat und das man durch Ausübung eines Druckes auf den Fuß des L gerändelt hat, in einer solchen Weise auf, daß dachziegelartig jeder Fuß des L der eine unter dem anderen liegt.
Dank dieser Gegenrändelung der Rippen in L oder Doppel-L- Form in bezug auf die Außenfläche des Rohres erzeugt man Rohre mit geringem Durchmesser, deren Rippen perfekt auf deren Oberfläche gehalten sind.
Dies erlaubt, einen guten Wärmetransport mit einem Minimum an Belastungsverlust sicherzustellen. Darüber hinaus erreicht man mit einem solchen Typ von Rippen einen besseren Schutz der Außenoberflächen der Rohre gegen Korrosion ebenso wie die Möglichkeit der Benutzung bei erheblich erhöhten Temperaturen.
Indes müssen derartige Rohre notwendigerweise eine Außenoberfläche haben, die man rändeln kann. Nun ist es aber in zahlreichen Anwendungsfällen unmöglich, die Rohraußenfläche zu rändeln, da sie genau gesehen sehr zerbrechliche Einrichtungen oder Organe enthält, die in einer vorbestimmten Weise dort angeordnet sind und keine Rändelung an der Außenfläche des Rohres erlauben.
Dies ist insbesondere der Fall bei Ummantelungen, die Vorrichtungen der Leistungselektroniken für Hochgeschwindigkeitszüge enthalten.
Mit derartigen Ummantelungen ist man daher einem Problem ausgesetzt, das darin besteht, daß man Rippen anbringen muß, die eine perfekte mechanische Verbindung aufweisen müssen trotz einer glatten Oberfläche der Ummantelung.
Andererseits müssen derartige Hüllen in gleicher Weise hervorragende Resultate des thermischen Austausches ermöglichen, wie auch immer die Gebrauchsbedingungen sein mögen.
Dieses Problem wird noch verstärkt, da alle diese Umhüllungen im allgemeinen große Durchmesser aufweisen. Sie müssen darüber hinaus zwingend gegen jede Art chemischer oder mechanischer Beanspruchung geschützt sein.
In diesem Falle ist die Lösung, gerade Rippen mittels Schweißen anzubringen, nicht befriedigend.
Wenn man diese Rippen benutzt, um Umhüllungen großen Durchmessers zu verwirklichen, ist es andererseits notwendig, Zugriff auf Verfahren zu haben, die eine wesentliche Verringerung von Material bewirken, was deren Kosten beträchtlich steigert.
Es ist auch zu beachten, daß eine absolute Dichtigkeit dieser Umhüllungen gegenüber dem inneren Fluid ebenso wie gegenüber der äußeren Atmosphäre bestehen muß.
Schließlich werden diese Umhüllungen mechanischen Zwängen unterworfen, die ganz erheblich sein können und insbesondere auch Vibrationen, die ein Sich-Los-Lösen dieser Rippen in bezug auf das Rohr hervorbringen können.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf, den Nachteilen der aktuell bekannten Einrichtungen abzuhelfen durch die Bereitstellung einer Umhüllung mit großem Durchmesser, deren äußere Oberfläche geglättet ist, die einen ausgezeichneten thermischen Wirkungsgrad und ein gutes Verhalten gegen Korrosion aufweist ebenso wie einen guten mechanischen Halt der Rippen untereinander
Andererseits besteht ein besonderer Vorteil solcher Umhüllungen darin, daß die Rippen eine radial angeordnete Wellenteilung aufweisen, die die Strömung des Fluids, insbesondere durch das Phänomen der Turbulenz begünstigen; diese Fluidströmung bedingt eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist gemäß der Erfindung die zylindrische Umhüllung zur Kühlung durch ein externes Wärmeträgerfluid, die, wie aus der US-A-3 388 449 bekannt, eine glatte Außenoberfläche aufweist, die wenigstens teilweise von regelmäßig auf der genannten glatten Fläche verteilten Rippen in einer spiralförmigen Anordnung mit einer vorbestimmten Teilung bedeckt ist, wobei jede Rippe einen querschnittlich im wesentlichen L-förmigen Körper aufweist mit einem Schenkel und einer Basis, die gegen die glatte Außenoberfläche angedrückt ist, wobei die Rippen unter Spannung auf die glatte Außenoberfläche in sich bereichsweiser Überdeckung aufgerollt sind, derart, daß ihre Basis vom Schenkel der entsprechenden benachbarten Rippe partiell überdeckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine axiale Erstreckung oder Höhe und einen Durchmesser derart aufweist, daß das Verhältnis H/D von ungefähr 1,14 bis ungefähr 5,33 beträgt und dadurch, daß jede Rippe eine Rändelung aufweist, die sich unter die Oberfläche des Bereiches der Basis erstreckt, die vom Schenkel der benachbarten Rippe überdeckt wird.
In Ausgestaltung, wenn jede Rippe einen querschnittlich im wesentlichen doppel-L-förmigen Körper mit einem ersten Schenkel und einer ersten Basis aufweist, die gegen die glatte Außenoberfläche angedrückt ist, wobei die Rippen unter Spannung auf die glatte Außenoberfläche in sich bereichsweiser Überdeckung aufgerollt sind, derart, daß ihre erste Basis von einem zweiten Schenkel und einer zweiten Basis der entsprechenden benachbarten Rippe wenigstens partiell überdeckt ist, ist der Mantel gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie eine axiale Erstreckung oder Höhe und einen Durchmesser derart aufweist, daß das Verhältnis H/D von ungefähr 1,14 bis ungefähr 5,33 beträgt und dadurch, daß jede Rippe auf einen Teil ihrer ersten Basis eine erste Rändelung aufweist, die durch die zweite Basis der entsprechenden benachbarten Rippe überdeckt ist und dadurch, daß diese zweite Basis eine zweite Rändelung auf der Fläche ihres Bereiches aufweist, der die Rändelung überdeckt, die durch die überdeckte erste Basis der auf der anderen Seite benachbarten Rippe bereitgestellt wird.
Die Erfindung betrifft in gleicher Weise ein Verfahren zur Erzeugung einer Umhüllung, wie unten angegeben, gemäß dem man
- einen zylindrischen Mantel, vom dem wenigstens ein Teil der äußeren Oberfläche glatt ist, herstellt,
- kontinuierlich ein metallisches Band in einer vorbestimmten Geschwindigkeit darauf aufrollt; anschließend
- das Band einer Zugkraft zur Erzeugung eines Körpers einer Rippe mit einer im wesentlichen L- oder doppel-L-förmigen Querschnittsform unterwirft, das Ganze bei der Ausübung einer Verzögerung bzw. Zurückhaltung des Abrollens des genannten Bandes,
- die unter Spannung stehenden Rippen in einer spiralförmigen Verteilung mit einer vorbestimmten Teilung auf wenigstens einen Teil der glatten Außenoberfläche des zylindrischen Mantels verteilt, unter Synchronisierung der Positioniergeschwindigkeiten der Rippen mit der Abrollgeschwindigkeit des Bandes, wobei ein solcher Prozeß dadurch gekennzeichnet ist, daß
man die Herstellung des zylindrischen Mantels in einer axialen Abmessung oder Höhe und einem Durchmesser vornimmt, derart, daß das Verhältnis H/D ungefähr 1,14 bis ungefähr 5,33 beträgt und
daß man eine Rändelung auf denjenigen Teil des Bandes vornimmt, der dazu bestimmt ist, den Bereich der Rippe zu bilden, der von der in der Folge gebildeten Rippe auf den Mantel überdeckt wird.
Die Erfindung betrifft auch in gleicher Weise eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei eine solche Vorrichtung, die
- Mittel zur Herstellung eines zylindrischen Mantels mit wenigstens einem äußeren glatten Oberflächenbereich,
- Mittel zur Lagerung einer Rolle eines metallischen Bandes,
- Mittel zur Ausübung einer Traktion gemäß einer vorbestimmten Geschwindigkeit auf das Band,
- Mittel, um das Band zurückzuhalten, gekoppelt mit den Mitteln zur Ausübung einer Traktion auf das Band,
- Mittel, um dem zylindrischen Mantel eine Rotationsbewegung zu verleihen und
- Mittel um das Band in die Form der Rippen zu bringen, querschnittlich in Form eines L oder Doppel-L, spiralförmig aufgewickelt um den genannten zylindrischen Mantel aufweist, wobei eine solche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Mittel zur Bildung des Mantels es ermöglichen, diesen Mantel in einer axialen Abmessung oder Höhe und einen Durchmesser zu formen, derart, daß das Verhältnis H/D ungefähr 1,14 bis ungefähr 5,33 beträgt, und dadurch
daß die Vorrichtung in gleicher Weise Mittel aufweist, um das Band auf wenigstens einem Bereich zu riffeln, der einen Teil der Rippe bilden soll, die von der in der Folge gebildeten Rippe auf den Mantel überdeckt wird.
Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die einige Beispiele betrifft und nicht der Einschränkung der Erfindung dient.
Außerdem besteht ein Ziel des Verfahrens darin, die Positionierung der Rippen mit einem höheren Takt kontinuierlich zu ermöglichen, und zwar auf zylindrische Umhüllungen größeren Durchmessers, deren äußere Oberfläche geglättet ist ohne Verbindung des Bandes und daher ohne die Folge eines Materialschadens, was beträchtlich die Kosten reduziert.
Ein anderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß es insbesondere gut an Umhüllungen angepaßt ist, die einen großen Durchmesser aufweisen und deren Oberfläche glatt ist.
Ein anderer Vorteil besteht darin, eine angepaßte Positionierung der Rippen zu erlauben, die deren Halten unter gegenseitiger Spannung sicherstellt.
Ein weiteres Ziel dieses Verfahrens besteht darin, eine wirksame Bedeckung der Oberfläche zum Wärmetausch zu erreichen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Umhüllung nach der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Umhüllung nach der Erfindung teilweise geschnitten in Vorderansicht,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Rippe in Form eines einfachen L,
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer Rippe in Form eines Doppel-L,
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer einzelnen Rippe sowie in
Fig. 6 eine Schemazeichnung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine zylindrische Hülle bzw. Mantel großen Durchmessers zur Aufnahme von Organen oder Einrichtungen zur Kühlung durch ein externes Fluid ebenso wie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Umhüllung und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.
Die Erfindung findet ihre Anwendung auf allen Gebieten, auf denen es notwendig ist, einen Apparat oder eine Vorrichtung ggf. komplex, zerbrechlich oder von Präzision unterzubringen, die von einem externen Kühlfluid gekühlt werden muß.
Die Umhüllung bzw. der Mantel 1 nach der Erfindung ist insbesondere an die Aufnahme von Elementen der Leistungselektronik eines Hochgeschwindigkeitszuges, wie sich aus den nachfolgenden Beschreibungen ergibt, abgepaßt. Allerdings ist diese Anwendung nicht in irgendeiner Weise limitiert ebenso wie die Abmessungen und die Form der Umhüllung bzw. des Mantels varieren können, um an die Art der aufzunehmenden Einrichtungen anpaßbar zu sein.
Ebenso kann diese Umhüllung in Verbindung mit anderen Einrichtungen des Wärmetransportes oder anderer Kühlsysteme zum Einsatz kommen bzw. angewandt werden.
Bezug nehmend auf Fig. 1 sieht man einen zylindrischen Mantel 1 großen Durchmessers und einer vorbestimmten Höhe. Beispielsweise weist ein Mantel zur Aufnahme einer Leistungselektronik eines TGV einen Durchmesser D im Bereich von 150 bis 350 mm auf ebenso wie eine Höhe H zwischen 400 und 500 mm.
In bezug auf Fig. 2 weist der Mantel 1 eine vollständig glatte Außenoberfläche 2 auf und eine Innenfläche 3, die in gleicher Weise glatt ausgebildet sein kann. Sie ist aus jeder Art Material realisierbar. Bei einer bevorzugten Ausführung besteht sie aus Aluminium aber sie kann in gleicher Weise entsprechend der benötigten Funktionsweise aus jedem anderen Material oder jeder Materialverbindung sein, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl, aus Kupfer, aus einer Kupfer-Nickel-Verbindung, aus verzinktem Kupfer od. dgl.
An jeder seiner Außenenden 3 (4a) und 4 weist der Mantel 1 eine Ringnut 5 zur Aufnahme einer Dichtung 6, die sich dort im bereits montierten Zustand befindet, auf.
Natürlich ist es bei der Benutzung eines solchen Mantels 1 zwingend notwendig, daß das Kühlfluid an der Außenoberfläche des Mantels 1 zirkuliert, ohne in dessen Inneres eindringen zu können, um elektrisch Armaturen für einen Hochgeschwindigkeitszug zu verwirklichen.
Darüber hinaus muß je nach Benutzungsbedingungen verbunden mit den Temperaturschwankungen oder den mechanischen Belastungen, wie beispielsweise Vibrationen, der Mantel 1 immer absolut dicht sein. Jedes Eindringen selbst einer geringen Menge eines nicht gewünschten externen Stoffes kann die Zerstörung der Leistungselektronik mit sich ziehen und damit die Immobilität des Zuges.
Auf die glatte Außenoberfläche 2 des Mantels 1 sind regelmäßig auf Abstand nach einer Teilung in einer Überdeckung Rippen 7 nach der Erfindung angeordnet.
Diese Rippenverteilung 7 überdeckt vollständig die Oberfläche zum thermischen Austausch, die demjenigen Oberflächenbereich des Mantels entspricht, der sich zwischen den beiden Enden 3 (4a) und 4 befindet.
Natürlich kann diese Oberfläche zum thermischen Austausch je nach Art der Benutzung variieren.
Diese Rippen 7 bestehen aus einem gleichen Material wie das der Umhüllung 1, d.h. aus Aluminium. Natürlich können je nach Art der Funktion diese Rippen aus einer ganz anderen Art von Material oder einer Materiallegierung gebildet sein, wie insbesondere aus Kupfer, aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, aus Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl od. dgl.
Diese Rippen 7 sind schraubenförmig mit einer vorbestimmten Steigerung bzw. Ganghöhe A angeordnet. Die Ganghöhe A entspricht dem Einzelabstand zwischen zwei benachbarten Rippen 7, wie dies insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Ganghöhe A, die eine Funktion unterschiedlicher Parameter, insbesondere der gewünschten thermischen Leistung ebenso wie der Art der Gestaltung der Rippen 7 ist, ist an die Benutzungsart angepaßt.
Darüber hinaus sei angemerkt, daß im Rahmen der beschriebenen Anwendung die Ganghöhe A und die Anzahl der Rippen, die sich auf dem Mantel 1 befinden, sehr präzise bestimmt werden müssen. Beispielsweise muß der Mantel 1 dreihundertsiebenundfünfzig (357) Rippen pro Meter aufweisen mit einer Toleranz von plus/minus drei Rippen, d.h. daß dieser Mantel 1 zwischen dreihundertvierundfünfzig (354) und dreihundertsechzig (360) Rippen pro Meter tragen muß.
In der Tat ist es bei dieser Art der Anwendung wünschenswert, eine präzise Anzahl von auf der glatten Außenoberfläche des Mantels 1 verteilten Rippen 7 zu haben, da es unmöglich ist, Übergänge bzw. Anschlüsse zu verwirklichen.
Jede erhebliche Verminderung der Ganghöhe A zieht als Konsequenz in gleicher Weise einen Verlust an Leistungen nach sich und daher eine Verminderung des Wärmetransportes.
Andererseits ist der Abstand zwischen jeder Rippe wesentlich und kann als Konsequenz nach sich ziehen, daß man das Halten der Rippen 7 untereinander verringert, wie unten beschrieben, oder daß man den Schutz der geglätteten Außenoberfläche 2 des Mantels 1 gegen Korrosion vermindert.
Jede Rippe 7, wie insbesondere speziell in Fig. 3 dargestellt, weist einen Körper 10 auf, der querschnittlich die Form eines L aufweist. Dieser Körper 10 weist einen Fuß 11 und eine Basis 12 auf, deren Abmessungen entsprechend der Funktion der geeigneten Größe der Rippen und der gewünschten Benutzungsart variabel sind.
Die Basis 12 weist wenigstens auf einem Teil ihrer Oberfläche eine Rändelung 13 auf, um eine Spannungsbeaufschlagung und eine wirksame Überlappung jeder Rippe 7 durch die Überlappung dieser Rändelung 13 durch einen unteren Teil des Fußes 11 der benachbarten Rippe 7 zu erlauben.
Bei einer Ausführung ist diese Rändelung 13 auf einem Teil der Oberfläche der Basis 12 angeordnet, die ausreichend ist, um eine wirksame Überlappung durch den Fuß 12 der benachbarten Rippe auf einer Überlappungsfläche, die genau der gerändelten Oberfläche entspricht, sicherzustellen.
Die Überlappung erlaubt, einen Zusammenhalt der Rippen untereinander auf der geglätteten Außenoberfläche 2 des Mantels 1, die der Wärmeaustauscherfläche insgesamt entspricht, sicherzustellen. Diese Überlappung stellt in gleicher Weise einen perfekten mechanischen Halt sicher, der einen Gebrauch des Mantels bzw. der Umhüllung bei allen Bedingungen erlaubt.
Bei einer Verwirklichungsvariante weisen die Rippen 7 zur Vergrößerung des mechanischen Zusammenhaltes der Rippen 7 untereinander auf der Austauscherfläche 2 der Umhüllung einen Querschnitt in Form eines Doppel-L auf, wie dies insbesondere in Fig. 4 dargestellt ist.
In diesem Fall weist jede Rippe 7 einen Körper 14 auf, der einerseits einen Fuß 15 und eine Basis 16 aufweist, überdeckt von einer Basis 17 und einem Fuß 18 einer benachbarten Rippe 7 und andererseits einen Fuß 19 und eine Basis 20, die in gleicher Weise geeignet sind, eine Basis und einen Fuß einer anderen Rippe 7 zu überbedecken.
Die Basis 16 und die Basis 20 weisen gleichfalls eine Rändelung 22 auf, die auf einem Teil der Oberfläche, um die Unter-Spannung-Haltung der Rippen untereinander zu vergrößern, vorgesehen ist.
Gleichgültig welche Ausführungsform die Rippen 7 auch haben, sie sind geeignet, eine größere Wärmeaustauscherfläche darzustellen als diese früher aufwiesen ebenso wie eine perfekte mechanische Verbindung der Rippen untereinander auf der Außenoberfläche 2 des Mantels 1.
Ein erstaunlicher, unerwarteter Aspekt der Erfindung ergibt sich aus der speziellen Gestaltung der Rippen, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist.
Bezug nehmend auf Fig. 5 sieht man, daß die Basis 24 auf ihrer gesamten Peripherie, insbesondere in der Nähe des Fußes 25, eine Rändelung mit regelmäßigen radialen Wellen 26 aufweist. Diese Rändelung mit regelmäßiger radialer Wellung ergibt sich, wie weiter unten beschrieben werden wird, aus dem Herstellungsverfahren.
Diese Wellung 26 bietet einen wesentlichen Vorteil dadurch, daß sie eine verbesserte Zirkulation des Wärmeträgerfluids erlaubt, insbesondere durch die Turbulenz- und Wirbeleffekte, was die Erhöhung des Wirkungsgrades des thermischen Austausches erlaubt.
Die Erfindung hat in gleicher Weise ein Verfahren zur Herstellung eines Mantels 1 zum Gegenstand.
Ein wesentlicher Faktor, der bei der Realisation derartiger Mantelumhüllungen 1 eine Rolle spielt, besteht in der Schwierigkeit der Positionierung unter Spannung der Rippen 7 auf einem glatten Mantel großen Durchmessers, so lange bis sie sich gegenseitig mechanisch je eine an der anderen hält.
Andererseits ist es wünschenswert, daß die ausgeübte Spannung bei der Positionierung der Rippen 7 groß genug ist, um diese untereinander in einer Art Kohärenz zu halten, und daß sie sich nicht, die eine in bezug auf die anderen, verschieben können, wie auch immer die Gebrauchsbedingungen sind.
Man stellt (zunächst) einen Mantel 1 mit einem großen Durchmesser, dessen Außenoberfläche 2 glatt ist auf wenigstens einem Teil seiner gesamten äußeren Fläche entsprechend der thermischen Austauschoberfläche her.
Dann rollt man kontinuierlich ein metallisches Band 30 in einer vorbestimmten Geschwindigkeit auf.
Um die Positionierung der Rippen 7 unter Spannung auf der glatten Außenoberfläche 2 des Mantels 1 sicherzustellen, reguliert man den Druck bzw. die Spannung, die im Zuge der Positionierung der Rippen 7 ausgeübt wird, indem man eine ausreichende Traktionskraft auf das metallische Band 30 im Zuge der Bildung des Körpers 10 der Rippen 7 und im Zuge seiner Rändelung ausübt, indem man in gleicher Weise eine Rückhaltung, synchronisiert oder nicht, auf die Abwicklung des Bandes 30 ausübt. Diese beiden kombinierten Aktionen mit einer Kraft, deren Stärke kontrollierbar ist, erlauben es, die Spannungsaufbringung der Rippen 7 auf die Außenoberfläche 2 des Mantels 1 sicherzustellen.
Die kritische Spannung muß in diesem Falle, so lange ein wirksamer und homogener Zusammenhalt der Rippen 7 ebenso sichergestellt ist wie eine genaue Justierung ihrer Position auf der glatten Außenoberfläche 2 des Mantels 1 erreicht sein.
Wenn nämlich eine nicht ausreichende Spannung ausgeübt wird, werden die Rippen 7 nicht ausreichend genug untereinander auf der Außenoberfläche 2 des Mantels 1 gehalten, so daß sie sich während der Benutzung lösen können. Dieses Lösen tritt insbesondere dann häufig auf, wenn diese Umhüllungen gegensätzlichen mechanischen oder wesentlichen thermischen Belastungen unterworfen werden. Dieses Lösen hat eine Freilegung eines Bereiches der Oberfläche 2 der Umhüllung 1 derart zur Folge, daß diese der Korrosion unterworfen ist. Daraus folgt, daß diese Korrosion die Bildung von Mikro-Rissen vorantreiben kann und damit die Dichtigkeit der Umhüllung 1 aufhebt, was zum Abbruch der Funktionsfähigkeit des Hochgeschwindigkeitszuges führen kann.
In gleicher Weise kann das Lösen der Rippen 7 die Verbindung der Effektivität der thermischen Leistung der Umhüllung als Folge haben.
Wenn man darüber hinaus eine zu große Spannung auf das metallische Band 30 ausübt, kann es sich als Folge seiner geringen Dicke verformen, so daß man daher nicht mehr die Rippen 7 bilden kann.
Man ordnet dann die Rippen 7 durch Aufrollen unter Druck auf die glatte Außenoberfläche 2 des Mantels 1, angetrieben durch eine Rotationsbewegung gemäß einer hier spiralförmigen Verteilung an. Die Geschwindigkeit der Rotation des Mantels 1 ist vorbestimmt, um eine gewünschte Verteilung gemäß einer vorbestimmten Ganghöhe der Rippen 7 sicherzustellen.
Um die notwendige Verformung des Metalles zu erleichtern, erhitzt man es auf eine Temperatur, die geeignet ist, auf das metallische Band eine ausreichende Wärmeenergie während des Bildungsvorganges des Körpers der Rippe 7 und der Rändelung der Rippen 7 zu übertragen. Beispielsweise bei Aluminium erhitzt man das metallische Band auf eine Temperatur im Bereich zwischen 20 und 50ºC.
Es sei in gleicher Weise darauf hingewiesen, daß die Geschwindigkeit der Rotation des zylindrischen Mantels 1 mit derjenigen des Abrollens des Metallbandes 30 verknüpft ist. Dies ist insbesondere abhängig von dieser Rotationsgeschwindigkeit des Mantels 1, von der vorbestimmten Ganghöhe A der Rippen 7 und der korrekten Positionierung der Rippen 7, d.h. die Überlappung und die partielle Überdeckung jedes Fußes und der Basis wird, um das Unterdruckhalten der genannten Rippen 7 sicherzustellen, sicher erreicht.
Andererseits besteht ein vollständig unerwarteter Aspekt dieses Verfahrens in der Form der Rippen. Aufgrund der ausgeübten Spannung auf das metallische Band 30, während man unter Spannung die Rippen 7 auf die glatte Außenoberfläche 2 des Mantels 1 auflegt, erscheint in der Tat auf den Rippen 7 eine Verteilung von radialen Wellen 26. Diese Verteilung radialer Wellen 26 begünstigt die Ausbildung von Turbulenzen der Fluide und vergrößert daher die Wärmeaustauschfähigkeit des Mantels 1.
Die Erfindung hat in gleicher Weise eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Gegenstand.
Diese Vorrichtung umfaßt Mittel 40 zur Herstellung eines Mantels 1 großen Durchmessers mit einer glatten Außenoberfläche 2.
Die Vorrichtung umfaßt in gleicher Weise Mittel 41 zur Lagerung eines Metallbandes 30 in Form einer Spule. Diese Mittel 41 werden von einem horizontalen Magazin 42 gebildet, dessen Abmessungen ggf. in Abhängigkeit von denen der Spule des Metallbandes einstellbar sind. Natürlich können mehrere Magazine unterschiedlicher Abmessungen ggf. übereinander angeordnet oder nebeneinander vorgesehen sein. Es sind Mittel 43 vorgesehen, um eine Traktion auf das metallische Band auszuüben, welches kontinuierlich durchläuft. Diese Mittel 43 werden von einer Walze 45 gebildet durch Motoren klassischer Art in eine Rotation um eine Antriebswelle versetzt.
Die Rotationsgeschwindigkeit der Walze 45 sowie die Größe sind durch übliche Mittel, wie sie dem Fachmann geläufig sind, einstellbar. Es sind Mittel 46 zur Ausübung einer Zurückhaltung des kontinuierlichen Vorbeilaufens des metallischen Bandes 30 vorgesehen. Diese Mittel 46 werden von zwei Druckwalzen 47 gebildet, zwischen denen das metallische Band 30 durchläuft.
Der Antrieb der Rollen 47 ist unabhängig von derjenigen der Walze 45, aber die kombinierte Wirkung dieser Rollen 47 mit der Walze 45 hat zur Folge, daß die durch die Walze 45 ausgeübte Traktion in Verbindung mit der Rückhaltung des metallischen Bandes 30 durch die Druckrollen 47 es ermöglicht, die Rippe 7 auf dem Mantel mit einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Spannung zu plazieren.
Die Vorrichtung weist auch Mittel 48 zur Formung des Körpers 10 der Rippe und zur Rändelung dieses Körpers 10 auf. Hier werden die Mittel 48 von den Rollen 47, die eine Rändelung auf allen Teilen ihrer Oberfläche in der Nähe der Peripherie aufweisen, und von einem horizontalen Supporttisch gebildet. Der Passage des Metallbandes 30 über diesen Horizontaltisch 49 und die kombinierte Aktion der Rollen 47 stellen die gleichzeitige Bildung des Körpers 10 der Rippen in L- oder Doppel-L-Form ebenso sicher wie die Rändelung auf einem Teil ihrer Oberfläche.
Die Verteilung und die Dimension der Rändelung auf einem Teil der Oberfläche des Körpers 10 der Rippen 7 ist selbstverständlich einstellbar, um eine Positionierung und eine Abdeckung von Rippen 7 unter Sicherstellung einer ausreichenden mechanischen Spannung zwischen unterschiedlichen Rippen untereinander zu ermöglichen, bis sie unter Spannung auf die Außenoberfläche 2 des Mantels 1 aufgebracht sind.
Darüber hinaus weist die Vorrichtung Mittel 50 zur Halterung des zylindrischen Mantels 1 auf. Diese Mittel 50 werden gebildet von einem Dorn 51, dessen Durchmesser demjenigen des Mantels 1 entspricht. Dieser Dorn 51 ist einer Rotationsbewegung unterworfen synchronisiert oder nicht mit derjenigen der Rändelungswalze 50, um eine regelmäßige Positionierung der Rippen 7 auf der glatten Außenoberfläche 2 des Mantels 1 zu ermöglichen.
Der Dorn 51 wird darüber hinaus von einer regelmäßigen Rotationsbewegung angetrieben synchronisiert oder nicht mit derjenigen der Rändelungswalze 45, um die Positionierung der Rippen 7 in einer vorbestimmten Ganghöhe zu ermöglichen. Diese erzeugt beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit des Dornes 51 um die 7 bis 8 Umdrehungen pro Minute. Wohl verstanden ist dies der gewünschten Ganghöhe A entsprechend einstellbar.
Um eine Wärmeübertragung zu gewährleisten, trägt die Rändelungswalze 45 Mittel, wie z.B. elektrische Leiter, die den Durchgang von Strom erlauben, einen elektrischen Widerstand 52 oder andere äquivalente Einrichtungen.
Auf diese Art und Weise empfängt das metallische Band 30, das in Kontakt die Rändelungswalze 45 durchläuft, eine gewisse Menge an Wärme. Es wird daher geschmeidiger und kann leichter in die Form eines L oder eines Doppel-L geformt werden.
In gleicher Weise sind Mittel 53 zur Steuerung, Regulierung und Synchronisierung der Funktion der Vorrichtung vorgesehen, um ein Funktionieren der Vorrichtung bei den gewünschten Benutzungsbedingungen sicherzustellen.

Claims

1. Zylindrischer Mantel (1) zur Kühlung durch ein externes Wärmeträgerfluid, der eine glatte Außenoberfläche (2) aufweist, die wenigstens teilweise von regelmäßig auf der genannten glatten Fläche (2) verteilten Rippen (7) in einer spiralförmigen Anordnung mit einer vorbestimmten Teilung (A) bedeckt ist, wobei jede Rippe (7) einen querschnittlich im wesentlichen L-förmigen Körper (10) aufweist mit einem Schenkel (11) und einer Basis (12), die gegen die glatte Außenoberfläche (2) angedrückt ist, wobei die Rippen (7) unter Spannung auf die glatte Außenoberfläche (2) in sich bereichsweiser Überdeckung aufgerollt sind, derart, daß ihre Basis (12) vom Schenkel (11) der entsprechenden benachbarten Rippe (7) partiell überdeckt wird dadurch gekennzeichnet, daß sie eine axiale Erstreckung oder Höhe (H) und einen Durchmesser (D) derart aufweist, daß das Verhältnis H/D von ungefähr 1,14 bis ungefähr 5,33 beträgt und dadurch, daß jede Rippe (7) eine Rändelung (13) aufweist, die sich unter die Oberfläche des Bereiches der Basis (12) erstreckt, die vom Schenkel (11) der benachbarten Rippe (7) überdeckt wird.

2. Zylindrischer Mantel (1) zur Kühlung durch ein externes Wärmeträgerfluid, der eine glatte Außenoberfläche (2) aufweist, die wenigstens teilweise von regelmäßig auf der genannten glatten Fläche (2) verteilten Rippen (7) in einer spiralförmigen Anordnung mit einer vorbestimmten Teilung (A) bedeckt ist, wobei jede Rippe (7) einen querschnittlich im wesentlichen doppel-L-förmigen Körper (14) mit einem ersten Schenkel (15) und einer ersten Basis (16), die gegen die glatte Außenoberfläche (2) angedrückt ist, wobei die Rippen (7) unter Spannung auf die glatte Außenoberfläche (2) in sich bereichsweiser Überdeckung aufgerollt sind, derart, daß ihre erste Basis (16) von einem zweiten Schenkel (18) und einer zweiten Basis (17) der entsprechenden benachbarten Rippe (7) wenigstens partiell überdeckt ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie eine axiale Erstreckung oder Höhe (H) und einen Durchmesser (D) derart aufweist, daß das Verhältnis H/D von ungefähr 1,14 bis ungefähr 5,33 beträgt und dadurch,

daß jede Rippe (7) auf einen Teil ihrer ersten Basis (16) eine erste Rändelung (22) aufweist, die durch die zweite Basis (17) der entsprechenden benachbarten Rippe (7) überdeckt ist, und dadurch,

daß diese zweite Basis (17) eine zweite Rändelung (22) auf der Fläche ihres Bereiches aufweist, der die Rändelung (22) überdeckt, die durch die überdeckte erste Basis (16) der auf der anderen Seite benachbarten Rippe (7) bereitgestellt wird.

3. Kühlmantel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (7) eine regelmäßige Verteilung von radialen Wellen (26) auf ihren Körpern (10,14) aufweisen.

4. Kühlmantel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) zwischen etwa 400 und 800 mm beträgt und ihr Durchmesser (D) zwischen etwa 150 und 350 mm.

5. Kühlmantel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere glatte Oberfläche (2) eine thermische Austauschzone aufweist, bedeckt von Rippen (7) und begrenzt von zwei Außenzonen (3,4), die jeweils eine Ringnut (5) mit einer Dichtung (6) aufweisen.

6. Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Mantels (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, gemäß dem man

- einen zylindrischen Mantel (1), von dem wenigstens ein Teil der äußeren Oberfläche (2) glatt ist, herstellt,

- kontinuierlich ein metallisches Band (30) in einer vorbestimmten Geschwindigkeit darauf aufrollt; anschließend

- das Band einer Zugkraft zur Erzeugung eines Körpers (10, 14) einer Rippe (7) mit einer im wesentlichen L- oder doppel-L-förmigen Querschnittsform unterwirft, das Ganze bei der Ausübung einer Verzögerung bzw. Zurückhaltung des Abrollens des genannten Bandes (30),

- die unter Spannung stehenden Rippen (7) in einer spiralförmigen Verteilung mit einer vorbestimmten Teilung (A) auf wenigstens einen Teil der glatten Außenoberfläche (2) des zylindrischen Mantels verteilt, unter Synchronisierung der Positioniergeschwindigkeiten der Rippen mit der Abrollgeschwindigkeit des Bandes (30),

dadurch gekennzeichnet,

daß man die Herstellung des zylindrischen Mantels (1) in einer axialen Abmessung oder Höhe (H) und einem Durchmesser (D) vornimmt, derart, daß das Verhältnis H/D ungefähr 1,14 bis ungefähr 5,33 beträgt, und

daß man eine Rändelung (13,22) auf denjenigen Teil des Bandes (30) vornimmt, der dazu bestimmt ist, den Bereich der Rippe (7) zu bilden, der von der in der Folge gebildeten Rippe auf den Mantel (1) überdeckt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man dem metallischen Band (30) Wärmeenergie zuführt, um die Bildung des Körpers (10,14) der Rippe (7) zu erleichtern.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Rändelung (13,22) zur gleichen Zeit bildet, bei der man die Zurückhaltung der Aufwicklung des Bandes (30) ausübt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 8, die

- Mittel (40) zur Herstellung eines zylindrischen Mantels (1) mit wenigstens einem äußeren glatten Oberflächenbereich (2),

- Mittel (41) zur Lagerung einer Rolle eines metallischen Bandes (30),

- Mittel (43) zur Ausübung einer Traktion gemäß einer vorbestimmten Geschwindigkeit auf das Band (30),

- Mittel (46), um das Band (30) zurückzuhalten, gekoppelt mit den Mitteln (43) zur Ausübung einer Traktion auf das Band,

- Mittel (50), um dem zylindrischen Mantel eine Rotationsbewegung zu verleihen und

- Mittel (48) um das Band (30) in die Form der Rippen (7) zu bringen, querschnittlich in Form eines L oder Doppel-L, spiralförmig aufgewickelt um den genannten zylindrischen Mantel (1) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Mittel (40) zur Bildung des Mantels (1) es ermöglichen, diesen Mantel in einer axialen Abmessung oder Höhe (H) und einen Durchmesser (D) zu formen, derart, daß das Verhältnis H/D ungefähr 1,14 bis ungefähr 5,33 beträgt, und dadurch

daß die Vorrichtung in gleicher Weise Mittel (45,47) aufweist, um das Band (30) auf wenigstens einem Bereich zu riffeln, der einen Teil der Rippe (7) bilden soll, die von der in der Folge gebildeten Rippe (7) auf den Mantel (1) überdeckt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (45,47) zur Riffelung des Bandes (30) einerseits mit den Mitteln (43) zur Ausübung einer Traktion auf das Band (30) und andererseits mit den Mitteln (48) zur Verformung des Bandes (30) gemeinsame Mittel haben, die einerseits eine Rändelungswalze (45) zur Ausübung des Zuges auf das Band und andererseits zwei Rändelungsrollen (47) zur Zurückhaltung des Bandes aufweisen, die mit einem Horizontaltisch (49) zur Bildung des Körpers (10) der Rippe (7) zusammenwirken.