EP2886989A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers für Hochdruck-Einsatzzwecke und Wärmetauscher - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers für Hochdruck-Einsatzzwecke und Wärmetauscher Download PDF

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EP2886989A1
EP2886989A1 EP14004113.8A EP14004113A EP2886989A1 EP 2886989 A1 EP2886989 A1 EP 2886989A1 EP 14004113 A EP14004113 A EP 14004113A EP 2886989 A1 EP2886989 A1 EP 2886989A1
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EP
European Patent Office
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sheet
metal
plastic
metal tube
heat exchanger
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14004113.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Berthold Féron
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aluminium Feron GmbH and Co KG
Original Assignee
Aluminium Feron GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aluminium Feron GmbH and Co KG filed Critical Aluminium Feron GmbH and Co KG
Publication of EP2886989A1 publication Critical patent/EP2886989A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/14—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending longitudinally
    • F28F1/22—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending longitudinally the means having portions engaging further tubular elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/02—Making other particular articles heat exchangers or parts thereof, e.g. radiators, condensers fins, headers
    • B21D53/08—Making other particular articles heat exchangers or parts thereof, e.g. radiators, condensers fins, headers of both metal tubes and sheet metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/047—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F28D1/0477—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag the conduits being bent in a serpentine or zig-zag
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/02—Details of evaporators
    • F25B2339/023—Evaporators consisting of one or several sheets on one face of which is fixed a refrigerant carrying coil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a heat exchanger.
  • Such a method is known from DE 10 2012 012 711 known.
  • the known method involves the production of a low-pressure thin-wall heat exchanger, in which a thin metal cover layer, a thin layer of a sealable polymer and a second thin cover layer of metal or plastic are joined together by the two cover layers using the layer arranged therebetween the sealable polymer are sealed together to form a cavity suitable for passage of a heat exchange medium.
  • the formed cavity may be formed as a channel system.
  • such a channel system is not suitable for receiving high-pressure fluids.
  • heat exchangers by, for example, a meandering metal tube, in particular stainless steel pipe, with a flat sheet, such as an absorber plate, soldered or welded.
  • a meandering metal tube in particular stainless steel pipe
  • a flat sheet such as an absorber plate
  • Such heat exchangers are suitable for high pressure applications.
  • the manufacturing process for such heat exchangers is expensive, since the planar sheet must be provided, for example, with a Lotplatt ist and a soldering process for attaching the metal tube to the flat sheet is required.
  • the heat exchangers produced in this way also have the disadvantage that when temperature gradients occur between the metal pipe and the planar sheet, both parts expand differently, so that the solder / welded joint between the metal pipe and the planar sheet is subjected to heavy stresses, which eventually lead to cracking can lead the connection.
  • the present invention has for its object to provide a method for producing a heat exchanger with which a for high-pressure purposes suitable heat exchanger can be particularly simple and inexpensive to produce.
  • a direct fixation of the metal tube is avoided on the second planar sheet. Rather, not the metal pipe itself is connected to the second sheet, but the metal tube receiving first sheet, so that although a heat transfer between the metal pipe and the second sheet, preferably via a direct contact, can take place, but the metal tube is mounted flexibly relative to the second sheet becomes.
  • the metal tube can Therefore, expand freely compared to the second sheet, so that temperature or expansion-related tension can be avoided with corresponding stress cracks. Nevertheless, a firm and secure connection of the system is achieved because the metal tube receiving the first sheet is connected via its planar surface areas with the second sheet, so that no adverse effects on the relative position between the metal tube and the second sheet can result.
  • the channel pattern embossed into the first sheet essentially corresponds to the shape of the metal pipe that is inserted into the channel pattern.
  • both the channel pattern and the metal tube are formed meander-shaped, wherein the metal tube is flowed through during operation of the heat exchanger of a suitable fluid, which may be a liquid or gaseous refrigerant or refrigerant.
  • the metal tube preferably made of aluminum, used according to the invention ensures that the heat exchanger described here can be used for high-pressure purposes.
  • the embossed channel pattern preferably has a depth which corresponds to the outer diameter of the inserted metal tube. After insertion into the channel pattern, therefore, the metal tube preferably terminates flush with the flat region of the first sheet, so that the second sheet can be connected thereto, for example by welding, gluing or sealing.
  • the metal tube is therefore embedded in the embossed channel pattern.
  • the channel of the channel pattern is preferably rectangular, so that the preferably round metal tube has a corresponding freedom of movement in the channel.
  • this free space after inserting the metal tube for example, with a suitable paste, in particular a thermal paste, are filled to improve the heat conduction.
  • the channel can be embossed so that it has a matched to the cross section of the metal tube cross section, so that here a substantially positive contact between the channel wall and the metal tube is made.
  • a heat exchanger is produced, in which the provided first sheet provides mechanical protection of the metal pipe receiving the heat transfer fluid.
  • the metal tube is thereby stored safely, but still has sufficient expansion possibilities to avoid corresponding temperature stresses.
  • the compound or the heat exchange is not affected, since the metal tube can not tear off the second fabric, because it is not attached thereto.
  • This second sheet may be a Foil, a plate or act on any flat part of an aggregate, for example, an absorber plate, the back of a solar module, etc.
  • the first planar sheet is a sheet which may be made of a metal, preferably aluminum, a suitable plastic or a metal / plastic composite.
  • a metal / plastic composite film is used, since in this case the plastic layer can be used to produce the desired compound with the second sheet.
  • the second planar sheet further consists of metal, a suitable plastic or a metal / plastic composite.
  • This is usually a plate-shaped structure having a greater thickness than the first sheet.
  • a metal plate preferably aluminum plate, is used here.
  • a metal foil is bonded as a first sheet to a second metallic sheet.
  • the connection is preferably carried out by welding, for example friction welding.
  • a connection by soldering is also possible.
  • the planar regions of the first fabric are welded or soldered to the planar second fabric.
  • a metal / plastic composite film is used as the first sheet, which is connected to a second metal sheet. This can be done for example by gluing or sealing, in particular by heat sealing or ultrasonic sealing.
  • a first sheet of suitable plastic is bonded to a second sheet of metal, for example also by sealing, in particular heat sealing or ultrasonic sealing.
  • the second sheet may be one of a metal / plastic composite or a suitable plastic.
  • the plastic can be made, for example, thermally conductive.
  • the channel pattern is embossed in the plastic side of a metal / plastic composite film and the second sheet is sealed with the plastic side of the metal / plastic composite film.
  • a seal plastic-metal or plastic-plastic can be performed.
  • the metal layer substantially serves to stabilize the heat exchanger unit, while the plastic layer forms the material for receiving the channel pattern and the material for connecting the film to the second fabric.
  • the metal tube inserted in the channel pattern can be fixed in the channel pattern. This is in the
  • the embossed channel pattern can be formed so that it contacts the inserted metal tube over a part of its circumference in a form-fitting manner, at least in sections. In this way, the metal tube is stored safely, while still a possibility of movement or expansion possibility remains, especially in the axial direction of the tube.
  • the channel pattern and / or the metal tube are dimensioned and the metal tube is inserted into the channel pattern, that adheres in sections over its length between the channel wall and tube wall a distance becomes.
  • the channel pattern is preferably meander-shaped and therefore has at least one curvature region.
  • the inserted metal tube is preferably arranged at a distance from the channel wall.
  • the metal tube is preferably provided in the central region of the curved portion, so that a corresponding distance is maintained at both edges.
  • the tube is preferably arranged so that there is only a small distance from the pipe wall.
  • a channel pattern is preferably embossed into the first sheet, the rectilinear channel sections of which are narrower than the channel sections in the respective curved regions.
  • the inserted metal tube therefore has space to expand in the longitudinal or axial direction.
  • the present invention further relates to a heat exchanger made by a method of the type described above.
  • the heat exchanger has a first flat sheet of a film of metal, plastic or a metal / plastic composite, in which a channel pattern is embossed, a metal tube inserted into the channel pattern and a second, connected to the first sheet planar sheet of metal, plastic or a metal / plastic composite, without causing the metal tube is fixed to the second sheet.
  • the channel pattern is impressed in the plastic side of the metal / plastic composite and the second sheet is sealed with the plastic side of the metal / plastic composite film.
  • the metal tube is in particular inserted into the channel pattern such that there remains a gap in sections over its length between the channel wall and the tube wall, so that the metal tube can expand freely.
  • the inventively designed heat exchanger is suitable for pressure or high pressure applications.
  • the heat exchanger can serve for heat removal or for heat recovery, wherein a fluid (gas or liquid) flowing through the metal pipe can give heat to or absorb heat from the second sheet.
  • the heat transfer is preferably carried out via a direct contact of the flat second sheet with the inserted into the channel pattern of the first fabric metal tube.
  • the heat exchanger can preferably be used in a pressure range of 0.5 to 200 bar.
  • the sheet material or band material, preferably aluminum band material, used for the first sheet has a thickness of about 0.05 to 1.5 mm, in particular of 0.07 mm to 0.15 mm.
  • the metal tube used preferably aluminum tube, preferably has an inner diameter of 0.1 to 10 mm and an outer diameter of 3 to 20 mm.
  • a stainless steel pipe can be used when corrosive media to be promoted.
  • a stainless steel pipe preferably also has an inner diameter of 0.1 to 10 mm and an outer diameter of 3 to 20 mm.
  • a metal / plastic composite foil is used as the first sheet, it is preferable to use a metal foil or a metal ribbon which has one Coating of a sealable polymer, which is preferably applied by lamination or extrusion.
  • a sealable polymer for example, PP, PA, PC or combinations of polymers (coextrusion) are preferably used in a thickness of 0.01 and 0.3 mm.
  • such a composite material may also have a sealable finish.
  • the outside and / or inside of the first fabric may be provided with a coating, anodized coating or other protection.
  • the metal tube for the guidance of the heat medium may have different inner and outer diameter depending on the compressive stress.
  • heat media for example, water, oils, carbon dioxide, hydrocarbons, etc. can be used.
  • the second sheet may be a sheet or plate joined to the first sheet.
  • the second sheet may also be part of a finished device having, for example, any heat-absorbing surface to which the first sheet metal-clad fabric is then attached.
  • the in FIG. 1 shown heat exchanger has a first sheet 1, which is a film made of an aluminum-polypropylene composite material. This material is in FIG. 1 with the plastic side facing up.
  • a channel system is impressed, which is a meandering channel 2.
  • the channel 2 has rectilinear sections and curved sections 4.
  • an aluminum tube 3 is inserted, in such a way that it is approximately flush with its upper side with the planar portions of the first sheet 1.
  • the aluminum tube 3 is thus arranged completely in the channel 2.
  • FIG. 2 shows a vertical section through the heat exchanger 1, which is provided with a second sheet 5.
  • This second sheet 5 is a plate of a suitable metal, which may also be aluminum.
  • the first sheet 1 is heat-sealed with its plastic side with the second sheet 5 exclusively over its flat portions. In other words, the aluminum tube 3 inserted into the channel system is not connected to the second sheet 5.
  • FIG. 3 shows an enlarged view of the detail "X" in FIG. 2 , It can be seen formed in the first fabric 1 channel 2, which is adapted in shape to the round shape of the aluminum tube 3.
  • the space 6 between the channel wall and the pipe wall can be filled with a suitable thermal compound.
  • the aluminum tube 3 abuts in the connected state of the two fabrics against the second sheet 5 (aluminum plate), so that heat transfer can take place by contact between the aluminum tube 3 and the aluminum plate.
  • FIG. 4 shows the detail "Y" in FIG. 1 on an enlarged scale.
  • the aluminum tube 3 is freely inserted into the channel 2, so that it can expand and contract with changes in temperature.
  • the aluminum tube 3 is relatively close to the channel wall, while it occupies a greater distance to the channel wall in the curved portion 4 of the channel 2.
  • This space 7 is provided as an expansion surface for the aluminum tube 3.
  • the channel 2 is formed thinner in its rectilinear portions than in its curved portions 4. In the rectilinear regions, therefore, the width of the channel 2 corresponds approximately to the outer diameter of the tube 3, while the width of the channel in the curved portions 4 is larger than the outer diameter of the tube. 3
  • the aluminum tube 3 inserted in the channel system is provided with suitable terminals projecting beyond the first and second sheets. Via these connections, a suitable heat transfer fluid can be introduced into the aluminum tube 3.

Landscapes

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers und ein Wärmetauscher beschrieben. Bei dem Verfahren wird in ein erstes ebenes Flächengebilde ein Kanalmuster eingeprägt, in das ein Metallrohr gelegt wird. Ein zweites ebenes Flächengebilde wird mit den ebenen Bereichen des ersten Flächengebildes verbunden, ohne dass das Metallrohr mit dem zweiten Flächengebilde verbunden wird. Auf diese Weise wird das Metallrohr in wärmetauschender Beziehung zum zweiten Flächengebilde sicher aber flexibel gelagert, so dass temperaturschwankungsbedingte Ausdehnungsmöglichkeiten für das Metallrohr bestehen, ohne dass hierdurch die Verbindung zum zweiten Flächengebilde beeinträchtigt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers.
  • Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 10 2012 012 711 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren geht es um die Herstellung eines Niederdruck-Dünnwandwärmetauschers, bei dem eine dünne Metalldecklage, eine dünne Lage aus einem siegelfähigen Polymer und eine zweite dünne Decklage aus Metall oder Kunststoff miteinander verbunden werden, indem die beiden Decklagen mithilfe der dazwischen angeordneten Lage aus dem siegelfähigen Polymer unter Bildung eines zum Durchsatz eines Wärmeaustauschmediums geeigneten Hohlraumes miteinander versiegelt werden. Der gebildete Hohlraum kann als Kanalsystem ausgebildet sein. Ein derartiges Kanalsystem ist aber nicht zur Aufnahme von unter hohem Druck stehenden Fluiden geeignet.
  • Es ist ferner bekannt, Wärmetauscher herzustellen, indem ein beispielsweise mäanderförmig ausgebildetes Metallrohr, insbesondere Edelstahlrohr, mit einem ebenen Flächengebilde, beispielsweise einer Absorberplatte, verlötet oder verschweißt wird. Derartige Wärmetauscher sind für Hochdruck-Einsatzzwecke geeignet. Das Herstellverfahren für solche Wärmetauscher ist jedoch aufwendig, da das ebene Flächengebilde beispielsweise mit einer Lotplattierung versehen werden muss und ein Lötverfahren zur Anheftung des Metallrohres am ebenen Flächengebilde erforderlich ist. Die auf diese Weise hergestellten Wärmetauscher haben ferner den Nachteil, dass beim Auftreten von Temperaturgradienten zwischen Metallrohr und ebenem Flächengebilde sich beide Teile unterschiedlich ausdehnen, so dass die Löt/Schweißverbindung zwischen dem Metallrohr und dem ebenen Flächengebilde starken Beanspruchungen ausgesetzt wird, die schließlich zu einem Reißen der Verbindung führen können.
  • Es ergibt sich daher das Problem, dass Wärmetauscher, bei denen Fluide durch eingeprägte oder eingeformte Kanalsysteme in Flächengebilden strömen, wie sie beispielsweise in der vorstehend genannten DE 10 2012 012 711 beschrieben sind, in der Regel nicht für Hochdruck-Einsatzzwecke geeignet sind, während andererseits Wärmetauscher, die ein Rohrsystem aus Metall besitzen, das mit einem ebenen Flächengebilde verbunden ist, aufwendig in der Herstellung und anfällig gegenüber temperaturgradientenbedingten Beanspruchungen sind.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers zur Verfügung zu stellen, mit dem sich ein für Hochdruck-Einsatzzwecke geeigneter Wärmetauscher besonders einfach und kostengünstig herstellen lässt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
  • Bereitstellen eines ersten ebenen Flächengebildes aus einer Metallfolie, Kunststofffolie oder einer Metall/Kunststoff-Verbundfolie;
  • Einprägen eines Kanalmusters in das erste Flächengebilde;
  • Einlegen eines Metallrohres in das Kanalmuster;
  • Bereitstellen eines zweiten ebenen Flächengebildes aus Metall, Kunststoff oder einem Metall/Kunststoff-Verbund; und
  • Verbinden des zweiten Flächengebildes mit dem ersten Flächengebilde über deren ebene Flächenbereiche, ohne das Metallrohr am zweiten Flächengebilde zu fixieren.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird eine direkte Fixierung des Metallrohres am zweiten ebenen Flächengebilde vermieden. Vielmehr wird nicht das Metallrohr selbst mit dem zweiten Flächengebilde verbunden, sondern das das Metallrohr aufnehmende erste Flächengebilde, so dass zwar eine Wärmeübertragung zwischen Metallrohr und dem zweiten Flächengebilde, vorzugsweise über einen direkten Kontakt, stattfinden kann, jedoch das Metallrohr relativ zum zweiten Flächengebilde flexibel gelagert wird. Das Metallrohr kann sich daher gegenüber dem zweiten Flächengebilde frei ausdehnen, so dass temperatur- bzw. ausdehnungsbedingte Verspannungen mit entsprechenden Spannungsrissen vermieden werden. Trotzdem wird eine feste und sichere Verbindung des Systems erreicht, da das das Metallrohr aufnehmende erste Flächengebilde über dessen ebene Flächenbereiche mit dem zweiten Flächengebilde verbunden ist, so dass sich keine Beeinträchtigungen der Relativlage zwischen dem Metallrohr und dem zweiten Flächengebilde ergeben können.
  • Das in das erste Flächengebilde eingeprägte Kanalmuster entspricht im Wesentlichen der Form des Metallrohres, das in das Kanalmuster eingelegt wird. Vorzugsweise sind sowohl das Kanalmuster als auch das Metallrohr mäanderförmig ausgebildet, wobei das Metallrohr im Betrieb des Wärmetauschers von einem geeigneten Fluid durchströmt wird, bei dem es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Kühl- bzw. Kältemittel handeln kann.
  • Das erfindungsgemäß verwendete Metallrohr, vorzugsweise aus Aluminium, stellt sicher, dass der hier beschriebene Wärmetauscher für Hochdruck-Einsatzzwecke verwendet werden kann.
  • Das eingeprägte Kanalmuster besitzt vorzugsweise eine Tiefe, die dem Außendurchmesser des eingelegten Metallrohres entspricht. Nach dem Einlegen in das Kanalmuster schließt daher das Metallrohr vorzugsweise bündig mit dem ebenen Bereich des ersten Flächengebildes ab, so dass das zweite Flächengebilde damit verbunden werden kann, beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben oder Versiegeln.
  • Das Metallrohr wird daher in das eingeprägte Kanalmuster eingebettet. Der Kanal des Kanalmusters ist vorzugsweise rechteckförmig ausgebildet, so dass das vorzugsweise runde Metallrohr einen entsprechenden Bewegungsfreiraum im Kanal besitzt. Dabei kann dieser Freiraum nach dem Einlegen des Metallrohres beispielsweise mit einer geeigneten Paste, insbesondere einer Wärmeleitpaste, verfüllt werden, um die Wärmeleitung zu verbessern. Auch kann der Kanal so eingeprägt werden, dass er einen an den Querschnitt des Metallrohres angepassten Querschnitt besitzt, so dass hier ein im Wesentlichen formschlüssiger Kontakt zwischen der Kanalwandung und dem Metallrohr hergestellt wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Wärmetauscher hergestellt, bei dem das vorgesehene erste Flächengebilde für einen mechanischen Schutz des das Wärmeübertragungsfluid aufnehmenden Metallrohres sorgt. Das Metallrohr wird hierdurch sicher gelagert, besitzt aber trotzdem ausreichende Ausdehnungsmöglichkeiten, um entsprechende Temperaturspannungen zu vermeiden. Durch eine unterschiedliche Ausdehnung des Metallrohres und des zweiten Flächengebildes wird die Verbindung bzw. der Wärmeaustausch nicht beeinträchtigt, da das Metallrohr nicht vom zweiten Flächengebilde abreißen kann, weil es hieran nicht befestigt ist.
  • Das von einem Fluid (Gas, Flüssigkeit) durchströmte, in einem Kanalsystem des ersten Flächengebildes untergebrachte Metallrohr wird durch die Verbindung zwischen dem ersten Flächengebilde und dem zweiten Flächengebilde in Wärmeaustausch-Kontakt mit dem ebenen zweiten Flächengebilde gehalten. Bei diesem zweiten Flächengebilde kann es sich um eine Folie, eine Platte oder um irgendein ebenes Teil eines Aggregates handeln, beispielsweise um eine Absorberplatte, die Rückseite eines Solarmoduls etc.
  • Bei dem ersten ebenen Flächengebilde handelt es sich um eine Folie, die aus einem Metall, vorzugsweise Aluminium, einem geeigneten Kunststoff oder einem Metall/KunststoffVerbund bestehen kann. Vorzugsweise kommt eine Metall/ Kunststoff-Verbundfolie zur Anwendung, da hierbei die Kunststoffschicht zur Herstellung der gewünschten Verbindung mit dem zweiten Flächengebilde benutzt werden kann.
  • Das zweite ebene Flächengebilde besteht ferner aus Metall, einem geeigneten Kunststoff oder einem Metall/KunststoffVerbund. Es handelt sich hierbei in der Regel um ein plattenförmiges Gebilde, das eine größere Stärke als das erste Flächengebilde aufweist. Insbesondere kommt hier eine Metallplatte, vorzugsweise Aluminiumplatte, zur Anwendung.
  • Was die Materialien der beiden Flächengebilde anbetrifft, so wird bei einer ersten Ausführungsform eine Metallfolie als erstes Flächengebilde mit einem zweiten metallischen Flächengebilde verbunden. Die Verbindung erfolgt dabei vorzugsweise über Schweißen, beispielsweise Reibschweißen. Eine Verbindung durch Löten ist ebenfalls möglich. Im Unterschied zum Stand der Technik werden hierbei die ebenen Bereiche des ersten Flächengebildes mit dem ebenen zweiten Flächengebilde verschweißt bzw. verlötet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform kommt als erstes Flächengebilde eine Metall/Kunststoff-Verbundfolie zum Einsatz, die mit einem zweiten Flächengebilde aus Metall verbunden wird. Dies kann beispielsweise durch Verkleben oder Versiegeln erfolgen, insbesondere durch Heißsiegeln oder Ultraschallversiegeln.
  • Bei einer dritten Ausführungsform wird ein erstes Flächengebilde aus einem geeigneten Kunststoff mit einem zweiten Flächengebilde aus Metall verbunden, beispielsweise ebenfalls durch Versiegeln, insbesondere Heißsiegeln oder Ultraschallversiegeln.
  • Auch bei dem zweiten Flächengebilde kann es sich um ein solches aus einem Metall/Kunststoff-Verbund oder einem geeigneten Kunststoff handeln. Im letztgenannten Fall kann der Kunststoff beispielsweise wärmeleitend gemacht sein.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kanalmuster in die Kunststoffseite einer Metall/Kunststoff-Verbundfolie eingeprägt und wird das zweite Flächengebilde mit der Kunststoffseite der Metall/ Kunststoff-Verbundfolie versiegelt. Hierbei kann eine Versiegelung Kunststoff-Metall oder Kunststoff-Kunststoff durchgeführt werden. Bei der Verwendung einer derartigen Metall/Kunststoff-Verbundfolie dient die Metallschicht im Wesentlichen zur Stabilisierung der Wärmetauschereinheit, während die Kunststoffschicht das Material für die Aufnahme des Kanalmusters und das Material zum Verbinden der Folie mit dem zweiten Flächengebilde bildet.
  • Falls erforderlich, kann das in das Kanalmuster eingelegte Metallrohr im Kanalmuster fixiert werden. Dies wird in der
  • Regel nicht durchgeführt, da eine weitgehend freie Bewegungsmöglichkeit des Metallrohres im Kanalmuster gewünscht wird. Falls eine derartige Fixierung durchgeführt werden soll, kann dies beispielsweise durch Herstellen einer punktförmigen oder abschnittsweisen Siegelverbindung zwischen Kanalwandung und Metallrohr durchgeführt werden. Auch kann eine Fixierung über das Einfüllen einer geeigneten Paste (wärmeleitenden Paste) erreicht werden.
  • Wie bereits erwähnt, kann das eingeprägte Kanalmuster so ausgebildet werden, dass es zumindest in Abschnitten das eingelegte Metallrohr über einen Teil seines Umfanges formschlüssig kontaktiert. Auf diese Weise wird das Metallrohr sicher gelagert, wobei trotzdem eine Bewegungsmöglichkeit bzw. Ausdehnungsmöglichkeit insbesondere in Axialrichtung des Rohres verbleibt.
  • Um eine Ausdehnungsmöglichkeit des eingelegten Metallrohres in Längs- und/oder Querrichtung des Rohres sicherzustellen, werden das Kanalmuster und/oder das Metallrohr so dimensioniert und wird das Metallrohr so in das Kanalmuster eingelegt, dass in Abschnitten über seine Länge zwischen Kanalwand und Rohrwand ein Abstand eingehalten wird. Wie bereits erwähnt, ist das Kanalmuster vorzugsweise mäanderförmig ausgebildet und weist daher mindestens einen Krümmungsbereich auf. In diesem mindestens einen Krümmungsbereich wird das eingelegte Metallrohr vorzugsweise mit Abstand zur Kanalwandung angeordnet. Hierbei wird das Metallrohr vorzugsweise im mittleren Bereich des Krümmungsabschnittes vorgesehen, so dass zu beiden Rändern ein entsprechender Abstand eingehalten wird. Auf den geraden Abschnitten des Kanalmusters wird das Rohr hierbei vorzugsweise so angeordnet, dass nur ein geringer Abstand zur Rohrwandung besteht.
  • Um dies zu erreichen, wird vorzugsweise ein Kanalmuster in das erste Flächengebilde eingeprägt, dessen geradlinige Kanalabschnitte schmaler ausgebildet sind als die Kanalabschnitte in den jeweiligen Krümmungsbereichen. Das eingelegte Metallrohr hat daher Platz, um sich in Längsrichtung bzw. Axialrichtung auszudehnen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Wärmetauscher, der nach einem Verfahren der vorstehend beschriebenen Art hergestellt ist. Der Wärmetauscher weist ein erstes ebenes Flächengebilde aus einer Folie aus Metall, Kunststoff oder einem Metall/Kunststoff-Verbund, in die ein Kanalmuster eingeprägt ist, ein in das Kanalmuster eingelegtes Metallrohr und ein zweites, mit dem ersten Flächengebilde verbundenes ebenes Flächengebilde aus Metall, Kunststoff oder einem Metall/Kunststoff-Verbund auf, ohne dass dabei das Metallrohr am zweiten Flächengebilde fixiert ist.
  • Vorzugsweise ist das Kanalmuster in die Kunststoffseite des Metall/Kunststoff-Verbundes eingeprägt und ist das zweite Flächengebilde mit der Kunststoffseite der Metall/Kunststoff-Verbundfolie versiegelt.
  • Das Metallrohr ist insbesondere so in das Kanalmuster eingelegt, dass in Abschnitten über seine Länge zwischen Kanalwand und Rohrwand ein Abstand verbleibt, so dass sich das Metallrohr frei ausdehnen kann.
  • Der erfindungsgemäß ausgebildete Wärmetauscher ist für Druck- bzw. Hochdruck-Einsatzbereiche geeignet. Der Wärmetauscher kann zur Wärmeabführung oder zur Wärmegewinnung dienen, wobei ein durch das Metallrohr strömendes Fluid (Gas oder Flüssigkeit) Wärme an das zweite Flächengebilde geben oder von diesem Wärme aufnehmen kann. Die Wärmeübertragung erfolgt hierbei vorzugsweise über einen direkten Kontakt des ebenen zweiten Flächengebildes mit dem in das Kanalmuster des ersten Flächengebildes eingelegten Metallrohr.
  • Der Wärmetauscher ist je nach Rohrquerschnitt vorzugsweise in einem Druckbereich von 0,5 bis 200 bar einsetzbar. Das für das erste Flächengebilde verwendete Folienmaterial bzw. Bandmaterial, vorzugsweise Aluminiumbandmaterial, hat eine Dicke von etwa 0,05 bis 1,5 mm, insbesondere von 0,07 mm bis 0,15 mm.
  • Das verwendete Metallrohr, bevorzugt Aluminiumrohr, hat vorzugsweise einen Innendurchmesser von 0,1 bis 10 mm und einen Außendurchmesser von 3 bis 20 mm.
  • Als Metallrohr kann beispielsweise auch ein Edelstahlrohr eingesetzt werden, wenn korrosive Medien gefördert werden sollen. Ein solches Edelstahlrohr hat vorzugsweise ebenfalls einen Innendurchmesser von 0,1 bis 10 mm und einen Außendurchmesser von 3 bis 20 mm.
  • Wenn eine Metall/Kunststoff-Verbundfolie als erstes Flächengebilde zum Einsatz kommt, findet vorzugsweise eine Metallfolie oder ein Metallband Verwendung, die bzw. das eine Beschichtung aus einem siegelfähigen Polymer aufweist, das vorzugsweise durch Kaschierung oder Extrusion aufgebracht wird. Als Polymer kommen beispielsweise PP, PA, PC oder Kombinationen aus Polymeren (Coextrusion) vorzugsweise in einer Dicke von 0,01 und 0,3 mm zur Anwendung.
  • Anstelle einer Polymerbeschichtung kann ein derartiges Verbundmaterial auch eine siegelfähige Lackierung aufweisen.
  • Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit kann die Außenseite und/oder Innenseite des ersten Flächengebildes mit einer Lackierung, Eloxalschicht oder einem anderen Schutz versehen sein.
  • Das Metallrohr für die Führung des Wärmemediums kann je nach Druckbeanspruchung unterschiedliche Innen- und Außendurchmesser aufweisen. Als Wärmemedien können beispielsweise Wasser, Öle, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe etc. eingesetzt werden.
  • Bei dem zweiten Flächengebilde kann es sich um eine Folie oder Platte handeln, die mit dem ersten Flächengebilde verbunden wird. Das zweite Flächengebilde kann aber auch Teil einer fertigen Einrichtung sein, die beispielsweise irgendeine wärmeabsorbierende Fläche aufweist, an der dann das erste Flächengebilde mit Metallrohr befestigt wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Draufsicht auf einen Wärmetauscher mit offen dargestelltem Kanalsystem mit eingelegtem Metallrohr;
    Figur 2
    einen Vertikalschnitt durch den Wärmetauscher der Figur 1;
    Figur 3
    das Detail "X" von Figur 2 in vergrößertem Maßstab; und
    Figur 4
    das Detail "Y" von Figur 1 in vergrößertem Maßstab.
  • Der in Figur 1 dargestellte Wärmetauscher besitzt ein erstes Flächengebilde 1, bei dem es sich um eine Folie aus einem Aluminium-Polypropylen-Verbundmaterial handelt. Dieses Material ist in Figur 1 mit der Kunststoffseite nach oben dargestellt. In das Flächengebilde 1 ist ein Kanalsystem eingeprägt, bei dem es sich um einen mäanderförmig ausgebildeten Kanal 2 handelt. Der Kanal 2 weist geradlinige Abschnitte und gekrümmte Abschnitte 4 auf.
  • In dieses Kanalsystem ist ein Aluminiumrohr 3 eingelegt, und zwar derart, dass es mit seiner Oberseite mit den ebenen Abschnitten des ersten Flächengebildes 1 etwa bündig abschließt. Das Aluminiumrohr 3 ist somit vollständig im Kanal 2 angeordnet.
  • Figur 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch den Wärmetauscher 1, der mit einem zweiten Flächengebilde 5 versehen ist.
  • Dieses zweite Flächengebilde 5 ist eine Platte aus einem geeigneten Metall, bei dem es sich ebenfalls um Aluminium handeln kann. Das erste Flächengebilde 1 ist mit seiner Kunststoffseite mit dem zweiten Flächengebilde 5 ausschließlich über seine ebenen Abschnitte heißversiegelt. Mit anderen Worten, das in das Kanalsystem eingelegte Aluminiumrohr 3 ist nicht mit dem zweiten Flächengebilde 5 verbunden.
  • Figur 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Details "X" in Figur 2. Man erkennt den im ersten Flächengebilde 1 ausgebildeten Kanal 2, der in seiner Form an die runde Form des Aluminiumrohres 3 angepasst ist. Der Freiraum 6 zwischen Kanalwandung und Rohrwandung kann mit einer geeigneten Wärmeleitpaste ausgefüllt sein. Das Aluminiumrohr 3 stößt im verbundenen Zustand der beiden Flächengebilde gegen das zweite Flächengebilde 5 (Aluminiumplatte), so dass durch Kontakt zwischen dem Aluminiumrohr 3 und der Aluminiumplatte eine Wärmeübertragung stattfinden kann.
  • Figur 4 zeigt das Detail "Y" in Figur 1 in vergrößertem Maßstab. Wie bereits erwähnt, ist das Aluminiumrohr 3 frei in den Kanal 2 eingelegt, so dass es sich bei Temperaturänderungen ausdehnen und zusammenziehen kann. In den geradlinigen Abschnitten des Kanals 2 liegt das Aluminiumrohr 3 relativ dicht an der Kanalwandung an, während es im gekrümmten Bereich 4 des Kanals 2 einen größeren Abstand zur Kanalwandung einnimmt. Dieser Freiraum 7 ist als Ausdehnungsfläche für das Aluminiumrohr 3 vorgesehen.
  • Um diese Ausdehnungsfläche 7 auszubilden, ist der Kanal 2 in seinen geradlinigen Abschnitten dünner ausgebildet als in seinen gekrümmten Bereichen 4. In den geradlinigen Bereichen entspricht daher die Breite des Kanals 2 etwa dem Außendurchmesser des Rohres 3, während die Breite des Kanals in den gekrümmten Bereichen 4 größer ist als der Außendurchmesser des Rohres 3.
  • Das in das Kanalsystem eingelegte Aluminiumrohr 3 ist mit geeigneten Anschlüssen versehen, die über das erste und zweite Flächengebilde hinaus vorstehen. Über diese Anschlüsse kann ein geeignetes Wärmeträgerfluid in das Aluminiumrohr 3 eingeführt werden.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers mit den folgenden Schritten:
    Bereitstellen eines ersten ebenen Flächengebildes aus einer Metallfolie, Kunststofffolie oder einer Metall/Kunststoff-Verbundfolie;
    Einprägen eines Kanalmusters in das erste Flächengebilde;
    Einlegen eines Metallrohres in das Kanalmuster;
    Bereitstellen eines zweiten ebenen Flächengebildes aus Metall, Kunststoff oder einem Metall/Kunststoff-Verbund; und
    Verbinden des zweiten Flächengebildes mit dem ersten Flächengebilde über deren ebene Flächenbereiche, ohne das Metallrohr am zweiten Flächengebilde zu fixieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden durch Heißsiegeln, Ultraschallversiegeln oder Reibschweißen erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalmuster in die Kunststoffseite einer Metall/Kunststoff-Verbundfolie eingeprägt wird und dass das zweite Flächengebilde mit der Kunststoffseite der Metall/Kunststoff-Verbundfolie versiegelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in das Kanalmuster eingelegte Metallrohr im Kanalmuster fixiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eingeprägte Kanalmuster so ausgebildet wird, dass es zumindest in Abschnitten das eingelegte Metallrohr über einen Teil seines Umfanges formschlüssig kontaktiert.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr so eingelegt wird, dass zumindest in Abschnitten über seine Länge zwischen Kanalwand und Rohrwand ein Abstand eingehalten wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalmuster mindestens einen Krümmungsbereich aufweist und dass das eingelegte Metallrohr in diesem Bereich mit Abstand zur Kanalwandung angeordnet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen dem eingelegten Metallrohr und der Kanalwandung mit einer wärmeleitenden Paste verfüllt wird.
  9. Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass er nach einem Verfahren der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.
  10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er ein erstes ebenes Flächengebilde (1) aus einer Folie aus einem Metall, Kunststoff oder einem Metall/Kunststoff-Verbund, in die ein Kanalmuster eingeprägt ist, ein in das Kanalmuster eingelegtes Metallrohr (3) und ein zweites, mit dem ersten Flächengebilde (1) verbundenes ebenes Flächengebilde (5) aus Metall, Kunststoff oder einem Metall/Kunststoff-Verbund aufweist, ohne dass das Metallrohr (3) am zweiten Flächengebilde (5) fixiert ist.
  11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalmuster in die Kunststoffseite der Metall/Kunststoff-Verbundfolie eingeprägt ist und dass das zweite Flächengebilde (5) mit der Kunststoffseite der Metall/Kunststoff-Verbundfolie versiegelt ist.
  12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr (3) so in das Kanalmuster eingelegt ist, dass mindestens in Abschnitten über seine Länge zwischen Kanalwand und Rohrwand ein Abstand verbleibt.
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