EP2049860B1

EP2049860B1 - Wellrippe und wärmetauscher

Info

Publication number: EP2049860B1
Application number: EP07786369A
Authority: EP
Inventors: Roland STRÄHLE; Jens Nies
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2006-07-29
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: WO2008014929A1; EP2049860A1; DE502007005153D1; DE102006035209A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellrippe mit Wellenbergen bzw. Wellentälern und mit sich daran mittels Biegekanten anschließenden senkrechten oder leicht geneigten Wellenflanken, die jeweils zwischen zwei Flachrohren in einem Wärmetauscher angeordnet ist, wobei die Wellenflanken mit aus deren Ebenen herausgestellten Schnitten ausgestattet sind. Ferner wird ein Wärmetauscher beschrieben, der die Wellrippen aufweist.
Eine Wellrippe dieser Art wird in der Patentanmeldung mit der Nr. DE 10-2006 000 634.8 gezeigt und beschrieben. Die beiliegende Fig. 9 zeigt diesen nicht vor - veröffentlichten Stand der Technik.
Solche Wellrippen werden manchmal als "flat top fins" bezeichnet, weil sie - im Gegensatz zu anderen Wellrippen - etwa ebene (flache) Wellenberge bzw. Wellentäler besitzen. Die angesprochenen anderen Wellrippen haben etwa halbrunde Wellenberge und Wellentäler, wobei die Wellenflanken dort gewöhnlich auch eine etwas größere Neigung aufweisen.
Flat top fins werden oft eingesetzt, weil sie bezüglich gut wärmeleitender Lötverbindungen zwischen den Wellenbergen bzw. den Wellentälern und einer angrenzenden Rohrwand als wirksamer angesehen werden als die Wellrippen mit gerundeten Wellenbergen bzw. Wellentälern. Gut wärmeleitende Verbindungen haben selbstverständlich einen bedeutsamen Einfluss auf die Wärmetauscheffizienz zwischen einem in den Rohren strömenden Medium und einem durch die Wellrippen strömenden Medium, welches vorzugsweise Kühlluft ist.
Wie auch in der genannten älteren Anmeldung gezeigt wird, ist es für eine hervorragende Wärmetauscheffizienz des Wärmetauschernetzes von enormer Bedeutung, dass möglichst die gesamte Höhe der Wellenflanken mit aus den Ebenen der Wellenflanken herausgestellten Schnitten ausgebildet ist, die für entsprechend gute Turbulenz beispielsweise in der Kühlluft sorgen.
Wellrippen werden aus dünnen Metallblechen hergestellt, beispielsweise aus Aluminiumblechen. Metallbleche haben bekanntlich die Eigenschaft, dass bei der Ausbildung einer Biegung eine gewisse Rückfederung auftritt, sodass die oben als flat - top - fin bezeichnete Ausbildung nicht wirklich flache Wellenberge und Wellentäler aufweist, sondern immer noch leicht gerundete. Solche leicht gerundeten Wellenberge und Wellentäler bewirken, dass der Abstand von einer Rohrwand bis zum Beginn der Schnitte in den Wellenflanken etwas größer ist als er eigentlich sein sollte. Gleiches gilt natürlich für die Rohrwand des benachbarten Rohres bzw. für deren Abstand zum Beginn der Schnitte, da solche Wellrippen gewöhnlich zwischen zwei flachen Rohren angeordnet sind. Obwohl es hier um Abstände geht, deren Maß deutlich kleiner als 1 mm sein kann, wirkt sich ein größerer Abstand leistungsmindernd aus. Dies wurde jedenfalls durch vergleichende Messungen, die die Anmelderin durchgeführt hat, festgestellt, wobei Messergebnisse zwischen Wellrippen aus dem Stand der Technik und den unten beschriebenen, vorschlagsgemäßen Wellrippen gegenübergestellt wurden.
Man könnte beim Löten des Wärmetauschernetzes versuchen, mit einer gewissen Kraftausübung, die Wellrippen enger mit den Rohren zusammenzudrücken, um die leicht gerundeten Wellenberge/Wellentäler einzuebnen. So etwas ist jedoch spätestens dann nicht mehr günstig, wenn es sich um Rohre und Rippen handelt, die im Dickenbereich von 0,03 mm bis 0,15 mm oder nur wenig darüber oder darunter liegen, weil die erwähnte Kraft die Rohre und/oder die Rippen deformieren könnte. Die JP 03-177793 zeigt und beschreibt eine aus gewellten Drähten oder dergleichen aufgebaute Wärme leitende Rippe (corrugated pin fins) für Wärmetauscher, die zwischen Flachrohren angeordnet ist. Um die Montage der aus einzelnen Drähten bestehenden Rippe zu vereinfachen, wird ein spezielles flächiges Material verwendet, das gemeinsam mit den Drähten gewellt wird, wobei die Drähte auch am Material befestigt werden. Nach der Montage der gewellten Drähte mit den Flachrohren wird das spezielle Material entfernt, beispielsweise abgebrannt oder geschmolzen.
Die JP 09-049694 zeigt ein Herstellungsverfahren für Wellrippen größerer Höhe. Dabei werden die Wellrippen zunächst mit stark geneigten Wellenflanken in Walzen geformt - wie dort in Fig. 1 gezeigt - und anschließend zusammengerafft, bis die Wellenflanken etwa senkrecht stehen und damit die gewünschte größere Höhe erreicht haben - wie dort in Fig. 5 gezeigt. Gemäß den Fig. 6, 7 und 8 können parallel laufende Sicken 35 im Blechband vorgesehen werden, die sich in Längsrichtung des Blechbandes und quer zu den später auszubildenden Biegekanten erstrecken. Um die weitere Ausbildung der Biegekanten beim "Zusammenraffen" zu erleichtern werden die Sicken 35 eingekerbt. (weak point part 37) Diese Wellrippen sind für Wärmetauscher vom Serpentinentyp mit runden Rohren vorgesehen, das heißt, sie sind nicht zwischen zwei Flachrohren angeordnet und sie besitzen auch keine Schnitte in den Wellenflanken.
Die aus den beschriebenen JP - Referenzen bekannten Wellrippen eignen sich nicht zur Anordnung zwischen Flachrohren, da ihre Wellenberge / Wellentäler keine großflächigen Lötverbindung mit den Flachrohren erlauben. Die Wärmeleitung ist deshalb unbefriedigend.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die leistungsmäßig nutzbare Länge der Schnitte in den Wellenflanken weiter zu erhöhen und somit die Wärmetauscheffizienz eines Wärmetauschers weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Es ist vorgesehen, dass die im Oberbegriff des Anspruchs 1 erwähnten Biegekanten derart geschwächt ausgebildet sind, dass die bei der Biegung sich einstellende Rückfederung reduziert ist, oder dass die zwischen zwei Biegekanten liegenden Wellenberge/Wellentäler so weich ausgebildet sind, dass sie beim Zusammensetzen des Wärmetauschernetzes flach sind bzw. werden. Dadurch ergibt sich dann die Lösung der Aufgabenstellung, weil der Beginn der Schnitte noch dichter an die jeweilige Rohrwand zu liegen kommt. Dort kann sich dann auch kaum noch ein schädlicher Bypass einstellen.
Es ist möglich, die Reduzierung der Rückfederung oder die gewünschte Weichheit dadurch zu erreichen, dass die Biegekanten mittels Verdünnungslinien verdünnt ausgebildet sind.
Es kann dabei vorgesehen werden, dass die Verdünnungslinien entweder über die gesamte Biegekante durchgehend oder mit Unterbrechungen dazwischen ausgebildet sind.
Es ist alternativ möglich, dass in den Biegekanten liegende Einschnitte vorgesehen sind, wobei die Einschnitte durch nicht eingeschnittene Verbindungen unterbrochen sind.
Eine andere Weiterbildung sieht zur Unterstützung der Reduzierung der Rückfederung vor, dass die zwischen zwei Biegekanten liegenden Wellenberge und/oder Wellentäler mit weiteren Verdünnungslinien ausgestattet sind.
Die Verdünnungslinien sollen dann vorzugsweise parallel laufen.
Falls mit den vorgeschlagenen Maßnahmen die Rückfederung als solche nicht reduziert wird, so ergibt sich jedenfalls eine solche Weichheit der Wellenberge/Wellentäler, dass beim Zusammensetzen des Wärmetauschernetzes dieselben mittels einer sehr geringen Kraft, die die Rohre und die Rippen nicht deformiert, flach gedrückt werden können.
Es ist für verschiedene Applikationen sinnvoll, die hier vorgeschlagenen Maßnahmen mit dem vorne genannten nicht vor - veröffentlichten Stand der Technik zu kombinieren. Dort wurden senkrecht zu den Biegekanten laufende Einschnitte vorgesehen und die Partie zwischen zwei Einschnitten wurde nach innen eingeknickt, um den Kanal zwischen zwei Wellenflanken zu verengen, und um dadurch ebenfalls den Wärmeaustausch zu verbessern. Man wird beispielsweise bei solchen Ausführungen in den inneren Biegekanten auch die hier vorgeschlagenen Verdünnungslinien vorsehen.
Der Wärmetauscher soll Wellrippen aufweisen, die wenigstens die Merkmale des Anspruchs 1 besitzen. Die Blechdicke der Wellrippen liegt zwischen 0,02 und 0,09 mm. Die Wanddicke der Flachrohre kann zwischen 0,05 und 0,15 mm betragen, auch etwas mehr.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen in mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben. Aus der folgenden Beschreibung können weitere Merkmale und deren Vorteile hervorgehen, die sich in einem späteren Prüfungsstadium als bedeutsam herausstellen können.

Die Fig. 1 zeigt ein Stück einer vorschlagsgemäßen Wellrippe.
Die Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt daraus.
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Verdünnungslinien, die Unterbrechungen aufweisen.
Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Einschnitten in den Biegekanten.
Die Fig. 5 zeigt eine Weiterbildung der Fig. 4.
Die Fig. 6 und 7 zeigen anstelle der Einschnitte eine Verdünnungslinie.
Die Fig. 8 zeigt eine Ausführung aus dem noch internen Stand der Technik.
Die Fig. 9 zeigt einen Teil eines Wärmetauschers.

Jeder Wellenberg 2 und jedes Wellental 3 hat zwei Biegekanten 10, an den Stellen, an denen die Wellenberge 2 bzw. die Wellentäler 3 in die Wellenflanken 1 übergehen. Die Wellenberge 2 und die Wellentäler 3 sind im Wesentlichen flach ausgebildet. Die sich daran anschließenden Wellenflanken 1 sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 1, 2 und 8 leicht geneigt ausgebildet. Sie können allerdings auch etwa senkrecht stehen, wie die Fig. 3 - 7 zeigen. In den Wellrippe nach dem Dokument DE 10 2006 00 634.8 . Diese Wellrippe ist nicht Teil der Erfindung.
Wellenflanken 1 sind aus deren Ebenen herausgestellte Schnitte 5 angeordnet, die so lang wie möglich sind, also sie gehen bis unmittelbar an die Biegekanten 10 heran. Die Biegekanten 10 sind derart geschwächt ausgebildet, dass entweder die bei der Biegung sich einstellende Rückfederung reduziert ist, oder die Wellenberge/Wellentäler 2, 3 sind so weich, dass sie bei der Zusammensetzung des Wärmetauschernetzes nachgeben. Dazu wird insbesondere auf die Fig. 2 aufmerksam gemacht, die eine deutlich vergrößerte Darstellung im Bereich eines Wellenberges 2 oder eines Wellentales 3 zeigt. Die Fig. 1 und 2 gehören zu einem Ausführungsbeispiel, in dem vorgesehen wurde, Verdünnungslinien 15 (Biegekerben) in den beiden Biegekanten 10 und auch im Wellental 2 bzw. Wellenberg 3 zwischen den beiden Biegekanten 10 auszubilden (Entlastungskerben). Dadurch wird die erwähnte Weichheit geschaffen, die in der Fig. 2 mit dH zwischen zwei horizontalen Hilfslinien dargestellt sein soll. Das Bezugszeichen dH zeigt den Bereich an, um den jeder Wellenberg 2 und jedes Wellental 3 beim Zusammensetzen von Flachrohren und Wellrippen sozusagen nachgiebig ist und im Wesentlichen flach ist bzw. wird, am Flachrohr anliegen kann, um dort perfekte, auch großflächigere, Lötverbindungen zwischen Wellrippen und Rohren zu gestatten. Also, mit anderen Worten, im zusammengesetzten Zustand befindet sich der Wellenberg/Wellental 2, 3 gemäß der Fig.2 etwa auf dem Niveau der unteren Hilfslinie. Es ist aus dieser Darstellung auch gut nachvollziehbar, dass dann der Abstand der auf dem Niveau der unteren Hilfslinie liegenden Rohrwand bis zum Beginn der Schnitte 5 dadurch zu verkürzen ist, was sich in einer Verbesserung des Wärmeaustausches niederschlägt. Dadurch wird auch die Höhe H der Wellrippe verkürzt, die in der Fig. 1 eingezeichnet wurde.
Die Verdünnungslinien 15 in den Biegekanten 10 sind als Biegekerben ausgebildet, die sich von den anderen Kerben (Entlastungskerben) unterscheiden können. Die Biegekerben und die Entlastungskerben können also in beispielsweise Tiefe und Form unterschiedlich ausgestaltet sein, um die beschriebenen beabsichtigten Wirkungen noch besser realisieren zu können.
Bei der Herstellung der Wellrippen auf Walzen vom endlosen Blechband werden in Längsrichtung des Blechbandes bekanntlich die Schnitte 5 eingebracht, die danach ausgestellt werden. In Querrichtung des Bandes werden die vorschlagsgemäßen Verdünnungslinien 15 ebenfalls mittels der Walzen ausgebildet. In weiter unten noch kurz beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden anstelle der Verdünnungslinien 15 Einschnitte 20 vorgesehen, die dann ebenfalls in Querrichtung des Blechbandes laufen sollten.
Die Fig. 3 zeigt, im Unterschied zu den Fig. 1 und 2, dass es möglich ist, die Verdünnungslinien 15 zu unterbrechen. Es sind in Abständen angeordnete Unterbrechungen 16 vorhanden. Solche Ausführungen gewährleisten etwas mehr Stabilität.
In der Fig. 4 werden die in den Biegekanten 10 liegenden Verdünnungslinien 15 durch Einschnitte 20 ersetzt. Die Einschnitte 20, die keine Ausschnitte sein müssen sondern lediglich Schlitze, sind wiederum mittels Stege 21 unterbrochen. Die Einschnittlänge und auch die Steglänge kann individuell festgelegt werden, wie ein Vergleich der Fig. 4 mit der Fig. 5 zeigt. Bei der Herstellung der Biegekanten 10 werden dann die Ränder der Einschnitte 20 etwas ausgestellt, wie die Figuren ebenfalls zeigen können.
Ähnliches ist in den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 6 und 7 festzustellen, wo in den Biegekanten 10 eine durchgehende bzw. eine intermittierende Verdünnungslinie 15 (Biegekerbe) vorgesehen wurde. Auf die in den Wellenbergen/Wellentälern 2, 3 laufenden weiteren Verdünnungslinien 15 (Entlastungskerben) wurde hier - im Unterschied zu den Fig. 1 und 2 - verzichtet.
Die Fig. 8 zeigt eine Wellrippe nach dem Dokument DE 10 2006 000 634 . Es ist leicht vorstellbar, dass man auch hier in den Biegekanten 10 beispielsweise eine Verdünnungslinie 15 vorsehen könnte. Ansonsten sind bei dieser Ausführung über die Biegekanten 10 laufende Paare von Einschnitten 30 vorgesehen. Die Partie 40, die jeweils zwischen einem Paar Einschnitte 30 liegt, wurde nach innen hin umgeformt, um den Bypass im Bereich der Wellenberge/Wellentäler 2, 3 zu verringern.
Da durch die vorgeschlagenen Maßnahmen die Stabilität der Wellrippen nachlässt, insbesondere deren Neigung zum Einknicken zunehmen könnte, wird hier außerdem noch vorgeschlagen, die Wellungen der Wellrippe mit einer leichten Neigung bzw. mit Schräglage zur Rohrlängsrichtung auszustatten, was aus der Darstellung gemäß der Fig. 9 hervorgehen soll. Normalerweise laufen die Wellungen senkrecht (ohne Neigung) zur Rohrlängsachse. Die Kraft, die das Einknicken der Wellrippen verursacht, läuft ebenfalls in Rohrlängsrichtung. Zu sehen ist in der Fig. 9 einer der Sammelkästen SK des Wärmetauschers und eine flache Seite des Wärmetauscherrohres, an der sich die vorgeschlagenen Wellrippen befinden. Die Wellrippe ist als Schnitt durch die Flanken 1 dargestellt, in denen sich die herausgestellten Schnitte 5 befinden. Der schräge Verlauf soll die angesprochen Neigung der Wellungen bzw. der Flanken 1 zur Rohrlängsachse verdeutlichen. Darüber hinaus haben "schräge" Wellrippen auch Vorteile bezüglich des Wärmetausches.
Zwischen den Wellrippen und den Rohren ist eine metallische Verbindung, wie z. B. eine Lötverbindung vorhanden. (nicht gezeigt) Durch die Rohre strömt beispielsweise die Kühlflüssigkeit eines Kraftfahrzeugmotors und durch die Wellrippen strömt Kühlluft, was durch den auffälligen Blockpfeil angezeigt wurde.

Claims

Wellrippe mit Wellenbergen (2) und Wellentälern (3) und mit sich daran mittels Biegekanten (10) anschließenden senkrechten oder leicht geneigten Wellenflanken (1), die jeweils zwischen zwei Flachrohren in einem Wärmetauschernetz angeordnet werden kann wobei die Wellenflanken (1) mit aus deren Ebenen herausgestellten Schnitten (5) ausgestattet sind,
wobei die Biegekanten (10) geschwächt ausgebildet sind und/oder die Wellenberge/Wellentäler (2, 3) weich gestaltet sind,
indem die Biegekanten (10) entweder mit Verdünnungslinien (15) ausgebildet sind oder indem in den Biegekanten (10) liegende Einschnitte (20) vorgesehen sind, die durch nicht eingeschnittene Verbindungen (21) unterbrochen sind.
Wellrippe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegekannten mit Verdünnungslinien ausgebildet sind, und dass die Verdünnungslinien (15) entweder über die gesamte Länge der Biegekante (10) durchgehend oder mit Unterbrechungen (16) dazwischen ausgebildet sind.
Wellrippe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegekannten mit Verdünnungslinien ausgebildet sind, und dass die zwischen zwei Biegekanten (10) liegenden Wellenberge und / oder Wellentäler (2, 3) mit weiteren Verdünnungslinien (15) ausgestattet sind.
Wellrippe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdünnungslinien (15) parallel laufen.
Wellrippe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dass senkrecht zu den Biegekanten (10) liegende Paare von Einschnitten (30) vorgesehen werden können wobei die zwischen einem Paar Einschnitte (30) liegende Partie (40) nach innen eingeknickt ist.
Wellrippe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenflanken (1) eine Neigung zu Wellenbergen (2) und Wellentälern (3) aufweisen.
Wärmetauscher, mit einem Wärmetauschernetz aus Flachrohren und Wellrippen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrippen nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrippen eine Blechdicke zwischen 0,02 und 0,09 mm aufweisen und dass die Flachrohre eine Wanddicke von 0,05 - 0, 20 mm besitzen.