EP3190372A1 - Flachrohr für einen wärmeübertrager - Google Patents

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EP3190372A1
EP3190372A1 EP16204399.6A EP16204399A EP3190372A1 EP 3190372 A1 EP3190372 A1 EP 3190372A1 EP 16204399 A EP16204399 A EP 16204399A EP 3190372 A1 EP3190372 A1 EP 3190372A1
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EP
European Patent Office
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flat tube
bending region
radius
heat exchanger
end portions
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Withdrawn
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EP16204399.6A
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English (en)
French (fr)
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Jürgen Hägele
Daniel Knapp
Wolfgang KNÖDLER
Volker Kurz
Oliver Siewers
Achim Utz
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/022—Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B21C37/15—Making tubes of special shape; Making tube fittings
    • B21C37/151—Making tubes with multiple passages
    • 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
    • F28D1/03—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 plate-like or laminated conduits
    • F28D1/0391—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 plate-like or laminated conduits a single plate being bent to form one or more conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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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
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/12—Fastening; Joining by methods involving deformation of the elements

Definitions

  • the present invention relates to a flat tube for a heat exchanger with a back and two bent legs according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a heat exchanger with at least one such flat tube.
  • the invention further relates to a method for producing such a flat tube.
  • FR 2 757 258 A1 From the FR 2 757 258 A1 is a generic flat tube for a heat exchanger with a back and two bent legs known, each having a bent portion in a bending area. The two end portions are connected at their respective free ends to the back, whereby at least two parallel flow channels are formed.
  • An inner surface of a wall of the flat tube has an inner radius in the respective bending region, while an outer surface has an outer radius.
  • the present invention therefore deals with the problem of providing for a flat tube of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which is characterized in particular by an increased thermal cycling.
  • the flat tube according to the invention which is suitable for use in a heat exchanger, such as a coolant radiator, has a back and two bent legs, each having an end portion bent in a bending area. The two end portions are connected at their free ends to the back, so that such a folded flat tube has at least two parallel flow channels.
  • An inner surface of a wall of the flat tube has an inner radius in the respective bending region, while an outer surface has an outer radius.
  • the increased wall thickness of the wall of the flat tube in the bending area is now achieved in that the inner radius R I is greater than or equal to the outer radius R A , that is, R I ⁇ R A.
  • a wall thickness d of the wall in the bending region is less than 16 mm.
  • the present invention is further based on the general idea to equip a heat exchanger with at least one such flat tube and thus to create a heat exchanger, which has a significantly increased thermal shock resistance compared to previously known from the prior art heat exchangers.
  • the bending area is reshaped by massive forming in such a way that R I ⁇ R A. This can be achieved, for example, by pressing material from an outer edge into the outer radius area by means of massive forming.
  • a flat tube 1 according to the invention for a heat exchanger 2 has bent end portion 6.
  • the two end portions 6 are connected at their free ends 7 with the back 3, so that at least two parallel flow channels 8 are formed.
  • An inner surface 9 of a wall 10 of the flat tube 1 in this case has an inner radius R I in the respective bending region 5, while an outer surface 11 has an outer radius R A (compare in particular also FIGS FIGS. 2 and 3 ).
  • the inner radius R I is greater than or equal to the outer radius R A , that is, R I ⁇ R A. In this way it can be achieved that a wall thickness w of the wall 10 in the bending region 5 increases to a wall thickness W 1 , in particular as a function of a ratio between R A and R I.
  • the flat tube 1 according to the invention is used, for example, in brazed heat exchangers 2 (cf. 4 and 5 ), in which the flat tubes 1 in the associated passages 12 of the tube sheets 13 must be soldered tight.
  • the most critical point is the soldering at the point where the two end portions 6 abut (s. Fig. 7 ).
  • the size of the gap formed at this joint is expressed by an inner circle, the so-called delta diameter D. If this delta diameter D is greater than 0.16 mm, the solder can not be held securely there, ie at this point creates a hole and thus the radiator is leaking.
  • R A 2D.
  • R I R A + W.
  • the bending region 5 is deformed, the two legs 4 are bent with the respective end portions 6 arranged thereon in such a way that they lie parallel to the back 3 of the flat tube 1 and the two end portions 6 touch the back 3 at their free ends 7. Finally, the two end portions 6 are now tightly connected to the back 3, for example, soldered.
  • the wall thickness W 1 is greater than the wall thickness w in the region of the legs 4 or the end sections 6.
  • the thermal shock resistance of the heat exchanger 2 equipped therewith can be significantly increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flachrohr (1) für einen Wärmeübertrager (2), - mit einem Rücken (3) und zwei umgebogenen Schenkeln (4), die jeweils einen um einen Biegebereich (5) umgebogenen Endabschnitt (6) aufweisen, wobei die beiden Endabschnitte (6) an ihren freien Enden (7) mit dem Rücken (3) verbunden sind, so dass zumindest zwei parallele Strömungskanäle (8) gebildet sind, - wobei eine Innenoberfläche (9) einer Wand (10) des Flachrohres (1) im jeweiligen Biegebereich (5) einen Innenradius und eine Außenoberfläche (11) einen Außenradius aufweist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass an zumindest einem Biegebereich (5) der Innenradius R I größer oder gleich groß wie der Außenradius R A ist, das heißt R I ‰¥ R A .

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flachrohr für einen Wärmeübertrager mit einem Rücken und zwei umgebogenen Schenkeln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Wärmeübertrager mit zumindest einem solchen Flachrohr. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Flachrohrs.
  • Aus der FR 2 757 258 A1 ist ein gattungsgemäßes Flachrohr für einen Wärmeübertrager mit einem Rücken und zwei umgebogenen Schenkeln bekannt, die jeweils einen in einem Biegebereich umgebogenen Endabschnitt aufweisen. Die beiden Endabschnitte sind dabei an ihren jeweils freien Enden mit dem Rücken verbunden, wodurch zumindest zwei parallele Strömungskanäle gebildet werden. Eine Innenoberfläche einer Wand des Flachrohrs weist dabei im jeweiligen Biegebereich einen Innenradius auf, während eine Außenoberfläche einen Außenradius besitzt.
  • Aus der WO 2012/063443 A1 ist ein weiteres gebogenes Flachrohr für einen Wärmeübertrager bekannt, ebenso wie aus der US 6,230,533 B1 .
  • Durch die Reduzierung der Rohrwandstärken auch bei Lkw-Kühlmittelkühlern erhält die Temperaturwechselbelastung einen immer größeren Stellenwert. Bislang fielen Wärmeübertrager/Kühler üblicherweise bei hoher Temperaturwechselbelastung an Eckrohren im Rohrradienbereich aus. Durch das Einführen von spannungsreduzierenden Maßnahmen im Radienbereich der Bodendurchzüge, konnten die Spannungen im Radiusbereich der Rohre so weit reduziert werden, dass die Wärmeübertrager nun auch in den durch Rohr-Undercuts geschwächten Rohrfalzbereichen ausfallen.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Flachrohr der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative-Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch eine erhöhte Temperaturwechselbelastung auszeichnet.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • In der vorliegenden Erfindung wird die Erkenntnis genutzt, dass durch eine vergrößerte Wandstärke die Festigkeit erhöht und durch einen vergrößerten Innenradius die Spannungen reduziert werden können. Das erfindungsgemäße Flachrohr, welches für den Einsatz in einem Wärmeübertrager, beispielsweise einem Kühlmittelkühler, geeignet ist, weist einen Rücken sowie zwei umgebogene Schenkel auf, die jeweils einen in einem Biegebereich umgebogenen Endabschnitt besitzen. Die beiden Endabschnitte sind dabei an ihren freien Enden mit dem Rücken verbunden, so dass ein derartig gefalztes Flachrohr zumindest zwei parallele Strömungskanäle aufweist. Eine Innenoberfläche einer Wand des Flachrohrs weist dabei im jeweiligen Biegebereich einen Innenradius auf, während eine Außenoberfläche einen Außenradius besitzt. Erfindungsgemäß wird nun die im Biegebereich erhöhte Wandstärke der Wand des Flachrohrs dadurch erreicht, dass der Innenradius RI größer oder gleich groß wie der Außenradius RA ist, das heißt es gilt RI ≥ RA. Mittels der hierdurch erreichten Steigerung der Wandstärke und der Vergrößerung des Radius kann dieser besonders unter der Temperaturwechselbelastung leidende Bereich verstärkt und damit die Temperaturwechselfestigkeit erhöht werden.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung beträgt eine Wandstärke d der Wand im Biegebereich weniger als 16 mm. Durch die geringe Wandstärke kann auch in diesem Bereich noch ein optimaler Wärmeübertrag bzw. Wärmetausch erreicht werden.
  • Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Wärmeübertrager mit zumindest einem solchen Flachrohr auszustatten und damit einen Wärmeübertrager schaffen zu können, der eine im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern deutlich erhöhte Temperaturwechselfestigkeit aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Flachrohres anzugeben, bei welchem zunächst ein metallisches Bandmaterial bereitgestellt wird. Von diesem metallischen Bandmaterial werden nun zwei Endabschnitte im jeweiligen Biegebereich um ca. 90° umgebogen, wobei eine Innenoberfläche einen Innenradius RI und eine Außenoberfläche einen Außenradius RA aufweist und wobei gelten kann, dass RA = RI + w ist, mit w = Wandstärke des Flachrohrs. In einem sich daran anschließenden Arbeitsschritt wird durch ein Massivumformen der Biegebereich derart umgeformt, dass dort gilt: RI ≥ RA. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass durch eine Massivumformung Material von einer Außenkante in den äußeren Radienbereich gedrückt wird. Dadurch kann RA vor der Massivumformung deutlich größer als 0,32mm sein (z.B. RA1 = 0,58mm; w = 0,26mm; mit RI = RA1 - w = 0,58mm - 0,26mm = 0,32mm). RI verändert sich während der Massivumformung nicht, nur RA wird kleiner (z.B. RA2 = 0,20mm). Durch den großen Biegeradius ist kein Undercut notwendig und es entstehen auf der Innenseite keine Auffaltungen und Risse. Anschließend werden die beiden Schenkel mit den jeweils daran angeordneten Endabschnitten derart umgebogen, dass sie parallel zu einem Rücken des Flachrohres liegen und die beiden Endabschnitte an ihren freien Enden den Rücken berühren. Abschließend werden nun diese beiden Endabschnitte noch dicht mit dem Rücken verbunden, beispielsweise verlötet und dadurch das Flachrohr fertiggestellt. Dies kann alles automatisiert erfolgen, wodurch eine nicht nur kostengünstige, sondern qualitativ auch hochwertige Fertigung des Flachrohrs möglich ist.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch,
    • Fig. 1
    eine Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Flachrohr für einen Wärmeübertrager,
    Fig. 2
    eine Detaildarstellung eines erfindungsgemäßen Biegebereiches des Flachrohres bei einer ersten Ausführungsform,
    Fig. 3
    eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch bei einer zweiten Ausführungsform.
    Fig. 4
    eine Ansicht eines Kühlmittelkühlers,
    Fig. 5
    eine Ansicht eines Boden-Rohr-Segmentes,
    Fig. 6
    eine Draufsicht auf eine Rohr-Boden-Verbindung,
    Fig. 7
    eine Detaildarstellung aus Fig. 6 im Bereich eines Deltadurchmessers.
  • Entsprechend der Fig. 1, weist ein erfindungsgemäßes Flachrohr 1 für einen Wärmeübertrager 2 einen Rücken 3 sowie zwei damit verbundene und umgebogene Schenkel 4 auf, die jeweils einen in einem Biegebereich 5 (vergleiche auch die Figuren 2, 3 und 6 und 7) umgebogenen Endabschnitt 6 besitzen. Die beiden Endabschnitte 6 sind dabei an ihren freien Enden 7 mit dem Rücken 3 verbunden, so dass zumindest zwei parallele Strömungskanäle 8 gebildet werden. Eine Innenoberfläche 9 einer Wand 10 des Flachrohres 1 weist dabei im jeweiligen Biegebereich 5 einen Innenradius RI auf, während eine Außenoberfläche 11 einen Außenradius RA besitzt (vergleiche insbesondere auch die Figuren 2 und 3). Erfindungsgemäß ist nun an zumindest einem Biegebereich 5 der Innenradius RI größer oder gleich groß wie der Außenradius RA, das heißt RI ≥ RA. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Wandstärke w der Wand 10 im Biegebereich 5 auf eine Wandstärke W1 zunimmt, und zwar insbesondere in Abhängigkeit eines Verhältnisses zwischen RA und RI.
  • Eingesetzt wird das erfindungsgemäße Flachrohr 1 beispielsweise in gelöteten Wärmeübertragern 2 (vgl. auch Fig. 4 und 5), bei denen die Flachrohre 1 in den zugehörigen Durchzügen 12 der Rohrböden 13 dicht verlötet werden müssen. In dieser Lötverbindung ist der kritischste Punkt die Verlötung an der Stelle, an der die beiden Endabschnitte 6 aneinanderstoßen (s. Fig. 7). Die Größe des an dieser Stoßstelle entstehenden Spaltes wird durch einen Innenkreis, den sogenannten Deltadurchmesser D ausgedrückt. Wird dieser Deltadurchmesser D größer als 0,16 mm, kann das Lot dort nicht mehr sicher gehalten werden, d.h. an dieser Stelle entsteht ein Loch und damit wird der Kühler undicht.
  • Zwischen D und RA besteht folgender geometrischer Zusammenhang: RA= 2D. Damit ist der Biegeradius RA an der Außenseite festgelegt, denn um Undichtheiten zu vermeiden muss gelten: RA < 0,32 mm. Bei freiem Biegen gilt für den Innenradius: RI = RA+ W.
  • In Figur 2 ist dabei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flachrohres 1 in einem Detailausschnitt im Biegebereich 5 gezeigt, bei welchem gilt: RI = 1,5 RA. Demgegenüber ist in der Figur 3 eine Ausführungsform des Biegebereiches 5 gezeigt, bei welchem gilt: RI = 2,0 RA.
  • Erfindungsgemäß wird nun das Flachrohr 1 wie folgt hergestellt: Zunächst wird ein metallisches Bandmaterial bereitgestellt, wobei anschließend zwei Endabschnitte 6 im jeweiligen Biegebereich 5 um ca. 90° umgebogen werden und wobei eine Innenoberfläche 9 einen Innenradius RI und eine Außenoberfläche 11 einen Außenradius RA aufweist und wobei vorzugsweise gilt RA = RI + w. Anschließend wird der Biegebereich 5 derart umgeformt, bis gilt: RI ≥ RA. Dies kann beispielsweise durch eine Massivumformung erreicht werden, bei welcher Material von der Außenkante in den äußeren Radienbereich gedrückt und dadurch der Außenradius RA reduziert wird, so dass dieser kleiner als 0,32 mm wird. Dies sorgt zum einen dafür, dass an der Falzbereichsinnenkante kein Undercut benötigt wird und zum anderen dafür, dass dort keine Auffaltungen und Risse entstehen. Ist der Biegebereich 5 umgeformt, werden die beiden Schenkel 4 mit den jeweils daran angeordneten Endabschnitten 6 derart umgebogen, dass sie parallel zum Rücken 3 des Flachrohrs 1 liegen und die beiden Endabschnitte 6 an ihren freien Enden 7 den Rücken 3 berühren. Abschließend werden nun die beiden Endabschnitte 6 dicht mit dem Rücken 3 verbunden, beispielsweise verlötet. Im Biegebereich 5 ist die Wandstärke W1 größer als die Wandstärke w im Bereich der Schenkel 4 oder der Endabschnitte 6.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Flachrohr 1 kann insbesondere die Temperaturwechselfestigkeit des damit ausgestatteten Wärmeübertragers 2 deutlich gesteigert werden.

Claims (7)

  1. Flachrohr (1) für einen Wärmeübertrager (2),
    - mit einem Rücken (3) und zwei umgebogenen Schenkeln (4), die jeweils einen um einen Biegebereich (5) umgebogenen Endabschnitt (6) aufweisen, wobei die beiden Endabschnitte (6) an ihren freien Enden (7) mit dem Rücken (3) verbunden sind, so dass zumindest zwei parallele Strömungskanäle (8) gebildet sind,
    - wobei eine Innenoberfläche (9) einer Wand (10) des Flachrohres (1) im jeweiligen Biegebereich (5) einen Innenradius RI und eine Außenoberfläche (11) einen Außenradius RA aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an zumindest einem Biegebereich (5) der Innenradius RI größer oder gleich groß wie der Außenradius RA ist, das heißt RI ≥ RA.
  2. Flachrohr nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an zumindest einem Biegebereich (5) gilt RI = 1,5 RA.
  3. Flachrohr nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an zumindest einem Biegebereich (5) gilt RI = 2,0 RA.
  4. Flachrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an zumindest einem Biegebereich (5) gilt RI < 0,32 mm.
  5. Flachrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Wandstärke W1 der Wand (10) im Biegebereich (5) w1 < 16mm ist.
  6. Wärmeübertrager (2) mit zumindest einem Flachrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Flachrohres (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
    - ein metallisches Bandmaterial bereitgestellt wird,
    - zwei Endabschnitte (6) im jeweiligen Biegebereich (5) um ca. 90° umgebogen werden, wobei eine Innenoberfläche (9) einen Innenradius RI und eine Außenoberfläche (11) einen Außenradius RA aufweist und wobei der Biegebereich (5) derart umgeformt wird, dass gilt: RI ≥ RA,
    - zwei Schenkel (4) mit den jeweils daran angeordneten Endabschnitten (6) derart umgebogen werden, dass sie parallel zu einem Rücken (3) des Flachrohres (1) liegen und die beiden Endabschnitte (6) an ihren freien Enden (7) den Rücken (3) berühren,
    - die beiden Endabschnitte (6) dicht mit dem Rücken (3) verbunden, insbesondere verlötet, werden.
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