EP2384837A2

EP2384837A2 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres und Wärmetauscher

Info

Publication number: EP2384837A2
Application number: EP11163326A
Authority: EP
Inventors: Ingo Toparkus; Rainer Vösgen; Nicole Rotzoll
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: DE102010019241A1; EP2384837B1; EP2384837A3; US20120111548A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres (1), bei welchem ein Rohr mit einem kreisrunden Querschnitt zu einem Rohr mit einem nicht kreisrunden Querschnitt, vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt (6) umgeformt wird und bei welchem das Rohr mit nicht kreisförmigem Querschnitt in seiner Längsrichtung (2) und/oder Querrichtung gewellt wird. Abgasführender Wärmetauscher (11), wobei der Wärmetauscher (11) mehrere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wärmetauscherrohre (1) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einen abgasführenden Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Beim Bau von Wärmeüberträgern oder Wärmetauschern für Kraftfahrzeuge werden zunehmend höhere Anforderungen an die Übertragungsleistung gestellt. Die steigenden Anforderungen basieren auf höheren Anforderungen an die effiziente Ausnutzung des Kraftstoffes durch eine Verbrennungskraftmaschine sowie zunehmend verschärften Abgasemissionsgrenzwerten.
Insbesondere bei der Kühlung von Abgasen bei der Abgasrückführung zu einem Verbrennungsmotor müssen immer höhere Wärmeleistungen abgeführt werden, um einen hohen Beladungsgrad der Zylinderfüllung zu erreichen. Auch bei anderen Wärmetauschern, wie beispielsweise Ölkühler-, Ladeluftkühler- oder aber Kühlkreislaufwärmetauschern, treten zunehmend höhere Anforderungen an die Übertragungsleistung auf.
Neben den höheren Anforderungen an die Wärmeübertragungsleistungen müssen die Wärmetauscher auch mit zunehmend höheren Drücken arbeiten können. Insbesondere bei den Wärmetauschern, die ein zu kühlendes gasförmiges Fluid durchströmt, steigt die Anforderung an den zu übertragenden Druck zunehmend durch immer höhere Motoraufladestufen. Außerdem wird zunehmend ein geringer Druckverlust innerhalb des Wärmetauschers gefordert.
Im Rahmen der Reduzierung von CO₂-Ausstößen von Kraftfahrzeugen werden die Strömungsbeiwerte der Karosserie immer stärker optimiert, was bei durch kleiner werdenden Kühlungsöffnungen nachteilig auf die Kühlleistung des Wärmetauschers auswirkt. Gleichzeitig soll das Gesamtgewicht des Fahrzeuges sinken, damit ein geringer Kraftstoffverbrauch und somit ein geringerer CO₂-Ausstoß realisiert werden kann. Diese gewichtsreduzierenden Anforderungen gelten auch für einzelne Bauteile der Fahrzeuge.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres und einen Wärmetauscher mit den nach dem Verfahren hergestellten Wärmetauscherrohren zur Verfügung zu stellen, der eine hohe Kühlleistung, einen geringen Strömungswiderstand und kompakte Bauraumabmaße aufweist.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch einen abgasführenden Wärmetauscher gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres, wird ein Rohr mit einem kreisrunden Querschnitt zu einem Rohr mit einem nicht kreisrunden Querschnitt, vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt umgeformt und das Rohr mit nicht kreisförmigem Querschnitt wird in seiner Längsrichtung und/oder Querrichtung gewellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres bietet insbesondere den Vorteil, dass ein Wärmetauscherrohr mit kompakten Bauraumabmaßen und hoher Druckdichtigkeit hergestellt werden kann. Aus einem im Wesentlichen kreisrunden Rohr, das beispielsweise durch ein rollgewalztes längsnahtverschweißtes Rohr ausgebildet sein kann, wird durch einen Umformprozess ein Rohr mit nicht kreisrundem Querschnitt erzeugt. Bei einem nicht kreisrunden Querschnitt kann es sich beispielsweise um einen ovalen, einen elliptischen, vorzugsweise um einen rechteckförmigen Querschnitt und/oder um eine Mischform aus den zuvor genannten Querschnittsformen handeln. Das so erzeugte im Wesentlichen nicht kreisrunde Rohrprofil weist eine annähernd gleiche Druckbeständigkeit im Vergleich zu einem runden Rohrprofil auf. Nachfolgend wird das ursprünglich kreisrunde Rohr als Rundrohrprofil bezeichnet,
In einem weiteren Verfahrensschritt, der zeitlich versetzt nach der Verformung des nicht kreisrunde Rohrprofils oder aber auch gleichzeitig ausgeführt werden kann, wird das Wärmetauscherrohr in Längsrichtung und/oder Querrichtung mit einer Wellenform versehen. Die Amplitude der Wellenform kann dabei unter Bezugnahme der Längsrichtung als X-Achse sowohl in Form der Y- als auch der Z-Achse zeigend ausgebildet werden. Ebenfalls ist es vorstellbar, eine Kombination der Ausbildung in Y- und Z-Richtung vorzunehmen. Die Wellenform kann auch in Querrichtung des Wärmetauscherrohrs ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich beispielsweise im Querschnitt eine tendenziell U-förmige oder S-förmige Konfiguration des zuvor zu einem nicht kreisrunden Querschnitt umgeformten Rohres.
Hieraus erzielt sich der Vorteil, dass bei gleichem Abmaß in Längsrichtung eine größere Oberfläche des Wärmetauscherrohres geschaffen wird. Durch die in Längsrichtung ausgestaltete Wellenform, erzeugt der Wärmetauscher eine höhere Leistung als ein Wärmetauscher mit geradlinig ausgeführten Wärmetauscherrohren, bei nahezu gleichbleibendem Druckverlust über die Länge des Wärmetauscherrohres.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wellenform mit einer Amplitude hergestellt, die dem 0,2- bis 1,2-fachen eines Außendurchmessers des Rundrohrprofils entspricht. Besonders bevorzugt wird eine Amplitude hergestellt, die dem 0,5- bis 0,75-fachen des Außendurchmessers des Rundrohrprofils entspricht. Die Amplitude entspricht dabei der Höhe der jeweiligen Auslenkung der Wellenform in Y- oder Z-Achsenrichtung. Hierdurch ergibt sich in besonders vorteiliger Ausgestaltung ein geringer Druckverlust beim Durchströmen eines Fluids durch das Wärmetauscherrohr sowie eine gute Durchmischung des Abgases im Wärmetauscherrohr bei gleichzeitig geringem Strömungswiderstand.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Wärmetauscherrohr mit einer Wellenform hergestellt, die eine Wellenlänge aufweist, die dem 1 bis 7-fachen des Außendurchmessers des Rundrohrprofils entspricht. Besonders bevorzugt entspricht die Wellenlänge dem 3 bis 6-fachen des Außendurchmessers des Rundrohrprofils. Auch hierdurch ergibt sich eine hohe Kühlleistung bei gleichzeitig verbesserter Oberflächennutzung und verbesserter Durchmischung des Abgases im Rohr bei geringem Strömungswiderstand.
Vorzugsweise wird das Wärmetauscherrohr aus einem Edelstahl hergestellt. Unter einem Edelstahl ist im Rahmen der Erfindung maßgeblich ein nicht rostender Stahl zu verstehen. Auch kann ein austenitischer Stahl im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die bei einem Einsatzgebiet in einem Abgasstrang eines Fahrzeuges gestellten hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit des verwendeten Stahlwerkstoffes erreicht werden. Zum einen durchströmen chemisch aggressive Kühlungsmedien, wie beispielsweise Kühlwasser mit Kühlzusatz, den Wärmetauscher, zum anderen sind es korrosive Abgase.
Weiterhin unterliegt der Wärmetauscher starken thermischen Schwankungen. Der Stahl bietet eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit, die durch Konvektion und Wärmeleitung innerhalb des Wärmetauschers von einem Medium auf das Andere übertragen wird und somit für einen hohen Wirkungsgrad des Wärmetauschers sorgt. Durch den Einsatz eines Edelstahls wird hierdurch eine hohe Langlebigkeit des Wärmetauschers realisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird das Wärmetauscherrohr aus einer Edeistahllegierung hergestellt, die die nachfolgenden Legierungsbestandteile ausgedrückt in Gew.-% aufweist:

Kohlenstoff (C):: max. 0,08
Silizium (Si):: max. 1,0
Mangan (Mn):: max. 2,2
Phosphor (P):: max. 0,045
Schwefel (S):: max. 0,03
Chrom (Cr):: 16,5 bis 21,0
Nickel (Ni):: 8,0 bis 26,0
Rest:: Eisen (Fe)

Darüber hinaus besteht die Option, dass die zuvor genannte Legierung zusätzlich mindestens eines der nachfolgend genannten Legierungsbestandteile ausgedrückt in Gew.-% aufweist:

Stickstoff (N):: max. 0,15
Molybdän (Mo):: 2,0 bis 5,0
Titan (Ti):: max. 0,7
Kupfer (Cu):: 1,2 bis 2,0.

Ganz besonders bevorzugt wird eine der nachfolgend genannten Edelstahllegierungen mit den jeweiligen Legierungsbestandteilen ausgedrückt in Gew.-% zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohrs verwendet.

1. Legierung:	Kohlenstoff (C):	max. 0,07
	Silizium (Si):	max. 1,0
	Mangan (Mn):	max. 2,0
	Phosphor (P):	max. 0,045
	Schwefel (S):	max. 0,03
	Stickstoff (N):	max. 0,11
	Chrom (Cr):	17,5 bis 19,5
	Nickel (Ni):	8,0 bis 10,5

2. Legierung:	Kohlenstoff (C):	max. 0,03
	Silizium (Si):	max. 1,0
	Mangan (Mn):	max. 2,0
	Phosphor (P):	max. 0,045
	Schwefel (S):	max. 0,03
	Stickstoff (N):	max. 0,11
	Chrom (Cr):	18,0 bis 20,0
	Nickel (Ni):	10,0 bis 13,0

3. Legierung	Kohlenstoff (C):	max. 0,03
	Silizium (Si):	max. 1,0
	Mangan (Mn):	max. 2,0
	Phosphor (P):	max. 0,045
	Schwefel (S):	max. 0,03
	Stickstoff (N):	max. 0,11
	Chrom (Cr):	17,5 bis 19,5
	Nickel (Ni):	8,0 bis 10,5

4. Legierung:	Kohlenstoff (C):	max. 0,03
	Silizium (Si):	max. 1,0
	Mangan (Mn):	max. 2,0
	Phosphor (P):	max. 0,045
	Schwefel (S):	max. 0,03
	Stickstoff (N):	max. 0,11
	Chrom (Cr):	16,5 bis 18,5
	Molybdän (Mn):	2,0 bis 2,5
	Nickel (Ni):	10,0 bis 14,5

5. Legierung:	Kohlenstoff (C):	max. 0,08
	Silizium (Si):	max. 1,0
	Mangan (Mn):	max. 2,0
	Phosphor(P):	max. 0,045
	Schwefel (S):	max. 0,03
	Chrom (Cr):	16,5 bis 18,5
	Molybdän (Mn):	2,0 bis 2,5
	Nickel (Ni):	10,5 bis 13,5
	Titan (Ti):	max. 0,7

6. Legierung:	Kohlenstoff (C):	max. 0,02
	Silizium (Si):	max. 0,7
	Mangan (Mn):	max. 2,0
	Phosphor(P):	max. 0,03
	Schwefel (S):	max. 0,01
	Chrom (Cr):	19,0 bis 21,0
	Molybdän (Mn):	4,0 bis 5,0
	Nickel (Ni):	24,0 bis 26,0
	Stickstoff (N):	max. 0,15
	Kupfer (Cu):	1,2 bis 2,0

Der gegenständliche Anteil der Erfindung wird mit einem abgasführenden Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher mehrere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wärmetauscherrohre aufweist, gelöst.
Der so hergestellte abgasführende Wärmetauscher kann kostengünstig und produktionssicher eine große Berührfläche zwischen dem wärmeaufnehmenden Fluid und dem wärmeabgebenden Fluid schaffen. Es entsteht eine erhöhte Wärmeleistung, die auf eine Verlängerung des Strömungsweges sowie auf Turbulenzen innerhalb des durchströmenden Fluides bzw. Wirbelbildungen zurückgeführt werden kann. Dies geschieht je nach Anordnung des abgasführenden Wärmetauschers auf beiden Seiten des eingesetzten Fluides, beispielsweise in Gleichstrom-, Gegenstrom- oder Kreuzstromrichtung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der abgasführende Wärmetauscher Wärmetauscherrohre auf, die in Rohrlängsrichtung eine variierende Amplitude oder aber auch Wellenlänge aufweisen, Hierdurch können die durch die Wellenform erzeugten Turbulenzen im Strömungskanal variiert werden, um entstehende Druckverluste oder aber auch Kontaktbereiche in Form von laminarer Strömung optimieren zu können. Hierdurch entsteht auch der Vorteil, dass bei hoher Turbulenz, erzeugt durch starke Strömungskanalwelligkeit, die Leistung des Wärmetauschers auch bei geringen Temperaturunterschieden zwischen beiden den Wärmetauscher durchströmenden Fluiden in einem effizienten Bereich arbeitet.
Im Rahmen der Erfindung können die Wärmetauscherrohre auf die längsrichtungsbezogene Ausdehnung der Wellenform in zwei Dimensionen beispielsweise auch helixförmig ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung ist auch eine doppel-helixförmige Ausbildung der Wärmetauscherrohre vorstellbar.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, bevorzugte Ausführungsformen anhand der schematischen Zeichnungen. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:

Figur 1: eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres;
Figur 2: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres;

Figur 3: eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen abgasführenden Wärmetauschers;
Figur 4: eine Querschnittansicht eines kreisrunden Rohres und
Figur 5: eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres mit Geometriebemaßung.

In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichende Vorteile erreicht werden, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherrohr 1 in einer Seitenansicht. Das Wärmetauscherrohr 1 weist in Längsrichtung 2 eine Wellenform auf. Die Wellenform besitzt, bezogen auf die Zeichenebene, in vertikaler Richtung eine Höhenausstellung in Form einer Amplitude 4 und in horizontaler Richtung eine Wellenlänge 5. Die Wellenlänge 5 ist dabei begrenzt durch den Abstand von Wellental WT zu Wellental WT oder Wellenberg WB zu Wellenberg WB.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wärmetauscherrohres 1. Hierbei ist zu erkennen, dass das Wärmetauscherrohr 1 im Querschnitt im Wesentlichen durch einen rechteckförmigen Querschnitt 6 ausgebildet ist. Der rechteckförmige Querschnitt 6 ist dabei in der hier gezeigten Ausführungsform jeweils bezogen auf die Bildebene an seiner Oberseite 7 und seiner Unterseite 8 flach ausgebildet. In Seitenbereichen 9 weist es eine Krümmung 10 auf.
Je nach Anwendungsform, beispielsweise im Falle eines Kreuzstromwärmeübertragers, kann sich diese Krümmung 10 vorteilig auf die Strömung S und den daraus resultierenden Strömungswiderstand auswirken. In der hier dargestellten Ausführungsvariante verläuft die innere Strömungsrichtung Si, bezogen auf das Koordinatensystem, im Wesentlichen in X-Richtung und die Amplitude 4 ist dazu in Y-Richtung ausgerichtet. Bevorzugt beträgt die Breite b des erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres 0,5 bis 12,0 mm.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 11 in einer Seitenansicht. Der Wärmetauscher 11 besteht aus mehreren zusammengefassten Wärmetauscherrohren 1, die an ihren Enden 12 über Rohrböden 13 miteinander gekoppelt sind. Die Koppelung der Enden 12 der Wärmetauscherrohre 1 mit den Rohrböden 13 kann durch einen Formschluss, Kraftschluss oder aber auch Stoffschluss in einem jeweiligen Endbereich des Wärmetauscherrohres 1 erfolgen. Die Wärmetauscherrohre 1 sind insgesamt so angeordnet, dass die Wellentäler benachbarter Wärmetauscherrohre 1 in einer Ebene liegen. Die Rohre sind also nicht in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnet. Dadurch ergibt sich eine hohe Packungsdichte.
Figur 4 zeigt eine Querschnittansicht eines kreisrunden Rohres 3. Das kreisrunde Rohr 3 hat in seinem Ausgangszustand einen Außendurchmesser D. Es dient als Halbzeug zur Herstellung des Wärmetauscherrohrs 1 und wird entsprechend abgeflacht und gewellt. In Bezug auf den Außendurchmesser D werden die Amplitude 4 und die Wellenlänge 5 der Wellenform festgelegt.
Figur 5 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres 1, wobei hier die Wellenlänge L (in den anderen Figuren als Bezugszeichen 5 dargestellt), die Höhe des Gesamtrohres H. ein Radius eines Wellentales R, ein Strömungsgrundbereich G sowie eine einfache Wellenhöhe A gezeigt sind. Im Rahmen der Erfindung ergibt sich eine Kombination von guter Strömungseigenschaft, guter Wärmetauscherleistung und guter Raumausnutzung, bei der Verwirklichung mindestens einer der in der nachfolgend eingeblendeten Tabelle genannten geometrischen Verhältnisse:

H/L G=H-A G/H R/H

0,1 bis 0,3 -4 bis 2 mm -1 bis 1 1 bis 5

Bezugszeichen:

1 -: Wärmetauscherrohr
2-: Längsrichtung
3-: Rohr
4 -: Amplitude
5-: Wellenlänge
6 -: rechteckförmiger Querschnitt
7 -: Oberseite
8 -: Unterseite
9 -: Seitenbereich
10-: Krümmung
11 -: Wärmetauscher
12-: Enden
13-: Rohrböden
L -: Wellenlänge
A -: Wellenhöhe
b -: Breite
G -: Strömungsgrundbereich
H -: Höhe
R -: Radius
S -: Strömungsrichtung
Si -: innere Strömungsrichtung
WT -: Wellental
WB -: Wellenberg
D -: Außendurchmesser

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres (1), bei welchem ein Rohr mit einem kreisrunden Querschnitt zu einem Rohr mit einem nicht kreisrunden Querschnitt, vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt (6) umgeformt wird und bei welchem das Rohr mit nicht kreisförmigem Querschnitt in seiner Längsrichtung (2) und/oder Querrichtung gewellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr während oder nach der Umformung des Querschnittes gewellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenform des Wärmetauscherrohres (1) mit einer Amplitude (4) hergestellt wird, die dem 0,2 bis 1,2-fachen eines Außendurchmessers (D) des kreisrunden Rohres entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenform mit einer Amplitude (4) hergestellt wird, die dem 0,5 bis 0,75-fachen eines Außendurchmessers (D) des kreisrunden Rohres entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenform mit einer Wellenlänge (5) hergestellt wird, die dem 1 bis 7-fachen des Außendurchmessers (D) des kreisrunden Rohres entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenform mit einer Wellenlänge (5) hergestellt wird, die dem 3 bis 6-fachen des Außendurchmessers des kreisrunden Rohres entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherrohr (1) aus Edelstahl hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Wärmetauscherrohres (1) eine Edelstahllegierung verwendet wird, die die nachfolgenden Legierungselemente ausgedrückt in Gew.-% enthält:
Kohlenstoff (C): max. 0,08

Silizium (Si): max. 1,0

Mangan (Mn): max. 2,2

Phosphor (P): max. 0,045

Schwefel (S): max. 0,03

Chrom (Cr): 16,5 bis 21,0

Nickel (Ni): 8,0 bis 26,0

Rest: Eisen (Fe)
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung optional mindestens eines der folgenden Legierungselemente ausgedrückt in Gew.-% aufweist:
Stickstoff (N): max. 0,15

Molybdän (Mo): 2,0 bis 5,0

Titan (Ti): max. 0,7

Kupfer (Cu): 1,2 bis 2,0
Abgasführender Wärmetauscher (11), wobei der Wärmetauscher (11) mehrere nach einem Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche hergestellte Wärmetauscherrohre (1) aufweist.
Abgasführender Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (1) in Rohrlängsrichtung eine variierende Wellenlänge (5) und/oder Amplitude (4) aufweisen.