DE69211005T2

DE69211005T2 - Wärmetauschglied sowie verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE69211005T2
Application number: DE69211005T
Authority: DE
Inventors: Goeran Olsson
Original assignee: Individual
Current assignee: Batec AS
Priority date: 1991-03-01
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-02-29
Also published as: GR3020833T3; SE468865B; SE9100605D0; EP0597859A1; DE69211005D1; AU1376792A; CA2115754A1; ATE138467T1; WO1993004331A1; SE9100605L; DK0597859T3; EP0597859B1; ES2090614T3

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Warmeaustauschelement mit einer Metallfläche und wenigstens einem Metallrohr, welcher sich zwischen zwei einander entgegengesetzten äußeren Kanten des Elementes erstreckt und an der Metallfläche anliegt und mit dieser verschmolzen ist, so daß die Metallflache an einander gegenüberliegenden Seiten des Rohres wärmeleitende Flansche bildet. Das Wärmeaustauschelement ist insbesondere zur Verwendung als Absorber in Solarenergievorrichtungen bestimmt, kann aber auch für andere Zwecke wie z.B. als Radiatoren in Hauszentralheizungssystemen oder in anderen Luft-wasser-Wärmeaustauschanwendungen, verwendet werden.

Stand der Technik

Ein aus zwei Aluminiumbändern mit einem dazwischen angeordneten und mit diesen kalt verschmolzenen Kupferrohr bestehendes Wärmeaustauschelement ist aus der schwedischen Veröffentlichungsschrift 423 160 und der dänischen Veröffentlichungsschrift 156 298 bekannt. Ein Vorteil eines solchen Wärmeaustauschelementes liegt in der geringen thermischen Masse des Elementes, welches auf der Verwendung von dünnen Aluminiumbändern beruht, und auch in der hohen widerstandsfähigkeit dieser Elemente gegen Korrosion, was seinerseits in der Tatsache beruht, daß das Rohr durch welches das heiße Medium strömt, aus Kupfer hergestellt ist und dem Kupferrohr eine genügende Wandstärke gegeben werden kann, um dem durch das Wärmetransportmedium ausgeübten Druck und Korrosionsanfall zu widerstehen. Obwohl ein Wärmeaustauschelement dieser Art normalerweise befriedigend funktioniert, ist die Tatsache, daß profilierte Walzen verwendet werden müssen, um die Wandstärke des Kupferrohres zu kompensieren, die achsiale Führung der Walzen und auch die Zuführung des abgeflachten Rohres in die Walzenausnehmungen, sehr anspruchsvoll. Wenn während dem Führen der Walzen das abgeflachte Kupferrohr irgendwie mangelhaft ist, hat das Rohr die Tendenz, aus den Nuten auf den flachen oder stoßfreien Teil der Walzen zu wandern, und das Rohr beginnt als Folge übermäßiger Reduktion zu reißen.
Die Herstellung von in Übereinstimmung mit der schwedischen und der dänischen Patentbeschreibung stehenden Wärmeaustauschelementen beinhaltet hohe Investitions kosten bezüglich der Konstruktion des Waizwerkes und resultiert in einer niedrigen Walzengeschwindigkeit während der Produktion, da es erforderlich ist, kontinuierlich die Führung zwischen den Nuten der Walzen und des Kupferrohres durch die Walzennuten hindurch zu überprüfen. Ferner besteht ein Risiko, daß das hergestellte Wärmeaustauschelement eine schlechte Qualität aufweist, was erst offenbart wird, nachdem das Element schlussendlich beim Kunden installiert oder eingesetzt wird.
Wie vorher erwähnt, besteht das Wärmeaustauschelement gemäß der schwedischen Veröffentlichungsschrift 423 150 und der dänischen Veröffentlichungsschrift 155 299 aus zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten des Rohres angeordneten Metallflächen.
Daher müssen zwei Metallbänder während ihrem Durchgang zwischen den Walzen gehandhabt und geführt werden, was ein zeitaufwendiges und relativ kompliziertes Verfahren ist. Ferner ist es erforderlich, beide Metallschichten mechanisch zu bearbeiten, um Sammelleitungen mit den zwischen den Metallschichten umschlossenen Rohren zu verbinden.
JP-A-59-60194 betrifft ein Wärmeaustauschelement, welches dem aus der vorerwähnten schwedischen Veröffentlichungsschrift bekannten Element entspricht, wobei dieses bekannte Element ebenfalls zwischen den Metallflächen nach außen herausragende Rohrenden aufweist.
Aus der US-A 2,828,533 ist zur Herstellung eines Wärmeaustauschelementes ein Verfahren zum verschmelzen von Metallflächen und Metallrohren mit Hilfe von glatten Walzen bekannt. Nach diesem Verschmelzvorgang weist das Element eine gleichmäßige Dicke über seine gesamte Erstreckung auf. Dies wird durch eine größere Verringerung der Schichtdicke im Bereich des Rohres als in den benachbarten Bereichen erreicht. Als Folge dieser größeren Verringerung der Schichtdicke wird die Schicht oder Schichten und das Rohr in der Richtung in welcher sie zwischen den Walzen hindurchgeführt werden in unterschiedlichem Ausmaß gestreckt, was zu Brüchen oder Rissen an der Verbindungsstelle zwischen Schicht und Rohr führt.
Aus der JP-A-58-32535 ist ein Wärmeaustauschelement bekannt, bei welchem eine Metallfläche teilweise um ein Rohr herum geformt und mittels Adhäsion mit diesem verbunden ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die mindestens teilweise Vermeidung der Nachteile der bisher bekannten Wärmeaustauschelemente und auch die Vermeidung der Nachteile der Verfahren zu deren Herstellung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 stellt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelementes dar, und zeigt ebenfalls ein Walzenpaar zwischen welchem das Element hergestellt wird;
Figur 2 stellt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elementes dar, und zeigt ebenfalls ein Walzenpaar zur Herstellung des Elementes;
Figur 3 stellt einen Querschnitt des in Figur 1 oder 2 dargestellten Elementes nach dessen Herstellung und nach dem Aufweiten des Rohres dar; und
Figur 4 zeigt schematisch einen Grundriß des in Figur 3 dargestellten mit einer Sammelleitung verbundenen Elementes.
Die Figuren 1 und 2 zeigen das Walzen von verschiedenen Wärmeaustauschelementen, während die Figur 3 ein komplettes Element zeigt. Die dargestellten Elemente bestehen aus einer Metallfläche wie z.B. einer Aluminiumfläche, und mindestens einem Metallrohr, wie z.B. einem Kupferrohr. Es ist jedoch selbstverständlich, daß auch andere Materialien wie z.B. Kupfer für die Metallfläche und Aluminium für den Rohr verwendet werden können. Das Rohr erstreckt sich zwischen zwei einander entgegengesetzten äußeren Kanten des Elementes, so daß die Metallfläche oder -flächen wärmeleitende Flansche mit einem großen Oberflächenbereich und einer geringen Wandstärke auf den einander gegenüberliegenden Seiten des Rohres aufweist bzw. aufweisen.
Vor dem Walzen wird das Rohr geebnet oder abgeflacht und dann einem rekristallisierenden Glühprozess unterworfen, um das Rohr wieder in den gleichen duktilen Zustand zu bringen wie vor seinem Abflachen.
Vor dem Beginn des Walzens werden diejenigen Oberflächen auf der Metallfläche und dem abgeflachten sowie weichgeglühten Rohr die gegenseitig miteinander verbunden werden, mechanisch gebürstet.
Figur 1 zeigt ein Metallband 11, ein abgeflachtes Rohr 12 und zwei Walzen V11 und V12, von denen die obere Walze V11 eine längs ihrem Umfang verlaufende Nut V11a aufweist. Der Abstand zwischen dem Boden der Nut V11a und der anderen Walze V12 entspricht im wesentlichen der Gesamtdicke des gewalzten Elementes in der unmittelbaren Nachbarschaft des Rohres 12. Die Breite der Nut V11a ist geringfügig größer als die Summe der Breite des Rohres 12 und zweimal der Dicke des Bandes 11.
Das Band 11 und das Rohr 12 werden vor den Walzen V11 und V12 zusammengebracht und dann gewalzt. Infolge der Anwesenheit der Nut V11a ist es notwendig, die Walzen V11 und V12 in ihrer achsialen Richtung zu führen. Nach dem Passieren durch die Walzen wird eine Gesamtre duktion in der Dicke des gewaizten Metallbandes von mindestens 65% erreicht, wodurch eine zufriedenstellende metallurgische Verbindung (Verschmelzung) zwischen dem Band und dem Rohr sichergestellt wird. Das Band 11 erreicht eine Dicke von etwa 0,5mm über seine gesamte Breite und das Rohr 12 erreicht eine Wandstärke von etwa 0,3mm.
Figur 2 zeigt ein Metallband 21, ein abgeflachtes Rohr 22 und zwei Walzen V21 und V22. Beide Walzen V21 und V22 sind mit längs ihrem Umfang verlaufenden Nuten V2la bzw. V22a versehen. Der Abstand zwischen den Böden der Nuten V2la und V22a entspricht weitgehend der Gesamtdicke des gewaizten Elementes in der unmittelbaren Nachbarschaft des Rohres. Die Nuten V2la und V22a weisen gegenseitig die gleiche Breite auf, welche etwas größer ist als die Summe der Breite des Rohres 22 und zweimal der Dicke des Bandes 21. Das Band 21 und das Rohr 22 werden im wesentlichen auf die gleiche Weise gewalzt wie vorangehend anhand der Figur 1 beschrieben.
Figur 3 zeigt ein gewaiztes Wärmeaustauschelement gemäß Figur 1 oder 2 nach dem Aufweiten des Rohres 12,22 auf herkömmliche Weise durch Einführung eines geeigneten, unter Druck stehenden Fluidums in das Rohr. Wie aus Figur 3 ersichtlich, weist das Rohr eine vom Metallband 11,21 abgewandte freie Oberfläche 6 auf. Das Element gemäß dieser Ausführungsform kann z.B. als Absorber in Solarenergievorrichtungen verwendet werden, in welchen mehrere solcher Elemente miteinander und deren Rohr mit einer Sammelleitung, in welcher die Wärmetransportflüssigkeit zirkuliert, verbunden sind. Das Element kann auch zwei oder mehrere gleichzeitig mit einem Metallband verschmolzene parallele Rohre aufweisen.
Figur 4 zeigt einen Grundriß des in Figur 3 dargestellten Elementes. Das Metallband 11 oder 21 weist einen langgestreckten Teil 24 auf, in welchem das Rohr 12 oder 22 befestigt ist. Ein Endteil 25 des Rohres 12 oder 22 erstreckt sich über die linke Kante des Bandes 11 oder 21 hinaus und ist über eine Hartlötung mit einer Sammelleitung 26, welche einen Teil einer Solarenergievorrichtung (nicht dargestellt) bildet, verbunden. Die Sammelleitung 26 ist zur Aufnahme der Rohre von korrespondierenden Elementen welche parallel zum in Figur 4 dargestellten Element verlaufen, mit einer Mehrzahl von Öffnungen 27 versehen. Eine entsprechende Sammelleitung (nicht dargestellt) kann mit dem anderen Ende dieser Elemente verbunden sein.
Der Endteil 25 des Rohres liegt frei vom Metallband 11 oder 21 indem man vor dem Walzen des Elementes ein Trennmittel auf das Metallband oder das Rohr 12 oder 22 in dem Bereich aufträgt, wo das Metallband vom Rohr getrennt werden soll, wodurch verhindert wird, daß das Rohr und das Band in diesem Bereich beim Durchlauf zwischen den Walzen zusammen verschmolzen werden. Beim Schneiden des gewaizten Rohres und Bandes zur Bildung einzelner Elemente wird das Band aber nicht das Rohr ferner auf eine der Länge des Endteiles entsprechende Länge geschnitten. Ein Schneiden des Bandes allein wird vorzugsweise nicht durchgeführt bis das Rohr auf die aus Figur 3 ersichtliche Form aufgeweitet wurde.

Claims

1. Wärmeaustauschelement mit einer Metallfläche (11; 21) und wenigstens einem Metallrohr (12; 22), welches an der Metallfläche anliegt und sich zwischen zwei einander entgegengesetzten äußeren Kanten des Elementes erstreckt, so daß die Metallfläche an beiden Seiten des Rohres wärmeleitende Flansche bildet, wobei das Rohr und die Metallfläche metallurgisch miteinander verbunden sind, um eine Verringerung der Gesamtdicke des Elementes auf solche Weise zu errei chen, daß das Rohr eine freiliegende Oberfläche (6) aufweist, die von der Metallfläche abgewandt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfläche (11; 21) beim Rohr (12; 22) im wesentlichen die gleiche Dicke aufweist wie bei den Flanschen.

2. Wärmeaustauschelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element beim Rohr (12;22) eine Gesamtdicke aufweist, die größer ist als die Dicke der Metallfläche (11; 21).

3. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschelementes mit einer Metallfläche (il;21) und wenigstens einem Metallrohr (12; 22), welches an der Metallfläche anliegt und sich zwischen zwei einander entge gengesetzten äußeren Kanten des Elementes erstreckt, so daß die Metallfläche an entgegengesetzten Seiten des Rohres wärmeleitende Flansche bildet, welches Verfahren die Zuführung der Metallfläche sowie des abgeflachten Rohres zwischen zwei Walzen (V11, V12; V21, V22) umfaßt, wobei ein Teil des Rohres sowie die eine Oberfläche der Metallfläche gegen die eine Walze (V12; V22) anliegen und die andere Oberfläche der Metallfläche gegen die andere Walze (V11; V21) anliegt, und wobei auf die Walzen ein Druck ausgeübt wird, um die Metallfläche mit dem Rohr kalt zu verschmelzen, so daß die Fläche und das Rohr metallurgisch miteinander verbunden werden und eine Verringerung der Gesamtdicke des Elementes erreicht wird, gekennzeichnet durch die Zuführung des Rohres (12; 22) sowie der Metallfläche (11; 21) zwischen die beiden Walzen (V11, V12; V21, V22), von denen wenigstens eine (V11; V21, V22) am Umfang mit einer Rille (V11a; V21a, V22a) versehen ist, welche wenigstens einen Teil des Rohres und/oder einen Teil der Metallfläche aufnimmt.

4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (12; 22) nach dem Flachwalzen vorzugsweise einem rekristallisierenden Glühprozess unterworfen wird, und daß das Rohr sowie die Metallfläche (11; 21) vor dem Walzvorgang mechanisch gebürstet werden.

5. Verfahren nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Rohres (12; 22) sowie der Metallfläche (11; 21) während deren Durchgang zwischen den Walzen (V11,V12; V21, V22) um wenigstens 65% verringert wird.