EP4689527A1 - Bauteil und verfahren zur herstellung eines bauteils zur übertragung von wärme - Google Patents

Bauteil und verfahren zur herstellung eines bauteils zur übertragung von wärme

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Publication number
EP4689527A1
EP4689527A1 EP24715200.2A EP24715200A EP4689527A1 EP 4689527 A1 EP4689527 A1 EP 4689527A1 EP 24715200 A EP24715200 A EP 24715200A EP 4689527 A1 EP4689527 A1 EP 4689527A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plate
component
joined
region
areas
Prior art date
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Pending
Application number
EP24715200.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Werner
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4689527A1 publication Critical patent/EP4689527A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/06—Hollow fins; fins with internal circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/08—Fins with openings, e.g. louvers

Definitions

  • the present invention relates to a component for transferring heat and a method for producing a component for transferring heat.
  • Heat is an important form of energy, whereby different temperature levels and the transition between these levels are used for certain technical processes. Heat exchangers are used in particular for cooling purposes, which allow the heat flow of a liquid through a large
  • flat finned heat exchangers are used, with the fluid flow being harp-shaped. Collecting pipes are arranged on both sides, which in turn are connected by flat channel pipes.
  • a large number of individual parts are required to manufacture the finned heat exchanger.
  • the quality of the joints is also of crucial importance for the efficiency of the heat exchanger. Therefore, here too, the joints are usually carried out manually.
  • EP 3 000 601 A1 discloses a method for producing multilayer three-dimensional components, in which two flat elements are joined locally, the composite is then formed and finally locally deformed.
  • This method is particularly suitable for the production of heat exchangers, with the focus on homogeneous temperature control.
  • the disadvantage of this disclosure is that the cooling capacity of the three-dimensional heat exchanger is restricted by the limited surface area over which heat can be exchanged.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a device for transferring heat and a method for producing this device, whereby an increase in the efficiency of the device and thus an improved cooling performance are to be achieved.
  • a component for transferring heat has a first plate and a second plate, both plates having at least one notch in at least one notch region. At least two partial regions are formed in the notch region in the first plate and the second plate, and the first plate and the second plate are joined via at least one joining region, such that at least one non-joined and non-notch region is formed.
  • the notches overlap mutually and at least one partial region in the first plate and at least one partial region in the second plate are at least partially raised, such that at least two lamellae are formed.
  • the lamella in the first plate is raised in the opposite direction to the lamella in the second plate, and the at least two non-joined and non-notch regions are formed as channels.
  • the term "at least partially erected” means that part of the sub-area has an angle of inclination in a range of -90° to 90° inclusive to a longitudinal axis of the panels, excluding 0°, i.e. the erected part of the sub-area is not aligned parallel to a longitudinal axis of the panels.
  • the erected part of the sub-area is referred to as a lamella.
  • opposite direction means that the angle of inclination of the lamella in the first panel and the angle of inclination in the second panel have different signs.
  • a component for transmission can be designed such that the first plate and/or the second plate are designed as metal sheets.
  • a "sheet” in the sense of the application is a rolled product made of metallic material, the width and length of which are much greater than their thickness.
  • first plate and the second plate can be made of the same material. Because both plates can be made of the same material, differences in the material properties such as thermal conductivity coefficient and heat storage capacity can be avoided from reducing the efficiency of heat transfer. In other design variants, different materials can also be used.
  • the slats can be macroscopically structured, preferably wave-shaped, particularly preferably as expanded metal.
  • This macroscopic structuring is understood as surface modifications, which include, for example, cutting and/or stretching the slats. It can also be provided that the slats have surface modifications that are or will be formed like expanded metal after bending. Macroscopic structuring makes it possible to further increase the surface area of the slats. This automatically increases the area that can be used for heat transfer, which in turn means increased heat transfer.
  • first plate and the second plate can be joined almost congruently.
  • “Almost congruently” means that the first plate protrudes at least 5 mm from the second plate.
  • An almost congruent joint has the advantage that the distances between the slats are reduced. This means that more slats are formed on the same surface, which can again increase the heat transfer.
  • a functional unit for the transfer of heat is such designed so that a large number of components are arranged one above the other for heat transfer.
  • the functional unit ensures that the maximum transferable heat quantity is significantly increased overall through the technical interaction of the components arranged one above the other. This means that the maximum transferable heat quantities of the individual components add up and result in the maximum transferable heat quantity of the functional unit.
  • a method for producing a component for transferring heat has a first plate and a second plate, each with at least one incision, which mutually overlap, wherein the first plate and the second plate are joined in at least one joining region.
  • the partial regions are at least partially erected individually and sequentially, so that at least two lamellae are created, wherein the angle of installation of the individual lamellae changes between positive and negative angles with respect to a longitudinal axis of the plates.
  • the non-incised and non-joined regions are formed after the partial regions have been erected or directly before the partial regions are erected.
  • each lamella does not have to be joined individually, which reduces the number of joints. This also reduces the reduction in efficiency in terms of heat transfer.
  • the sections can be set up individually, so that the components can be flexibly adapted to the respective technical application. This means that the number of lamellas can be varied as required using this process.
  • the installation of the sub-areas can be carried out by forming processes, preferably by bending or shear forming, particularly preferably by free bending, folding, swivel bending or twisting.
  • this method can be easily integrated into existing processes. This means that the method can be used cost-effectively.
  • non-joined and non-cut areas can be formed using internal pressure.
  • internal pressure By forming using internal pressure, it is possible to achieve a uniform formation of the non-joined and non-cut areas, which improves the flow of the medium through the resulting channel.
  • a recess can be created in the first plate, whereby the subsequent setting up of a partial area of the second plate is effected through the recess.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of the component before the installation of the sub-areas and the formation of the channels;
  • Fig. 2 is a view of the component corresponding to Fig. 1 with raised slats and formed channels;
  • Fig. 3 is a schematic side view of three process steps of the process for producing the component
  • Fig. 4 is a schematic perspective view of the component with a raised slat
  • Fig. 5 is a schematic perspective view of the component with two slats positioned
  • Fig. 6 is a schematic perspective view of the component with a formed channel
  • Fig. 7 is a schematic perspective view of components arranged one above the other.
  • Fig. 8 is a schematic side view of two design variants of channels.
  • Fig. 1 shows a schematic perspective view of a section of a component for heat transfer, which is preferably designed as a heat exchanger, with partial areas 7 being shown that have not yet been set up.
  • the partial areas 7 are always located in an incision area 5 between two joining areas 6.
  • Non-incised and non-joined areas 4 are also shown, whereby these are always delimited by two joining areas 6, i.e. the joining areas 6 form the edge of the non-incised and non-joined areas 4.
  • both plates are already joined via the joining areas 6.
  • the joining of a first plate 1 and a second plate 2 takes place exclusively in the joining areas 6.
  • the two plates are joined in a planar state, i.e. the local joining is carried out before the partial areas 7 are set up.
  • Fig. 2 shows a section of a heat exchanger in a view corresponding to Fig. 1, in which the parts of the partial areas 7, which are marked as fins 8, are set up.
  • the fins 8 are set up alternately, with the setting angle of the various fins 8 always changing between a negative angle and a positive angle with respect to a longitudinal axis 10 of the plates.
  • the longitudinal axis 10 runs parallel to the longitudinal direction of the shaped partial areas 4, which are on both sides open channels, ie the longitudinal axis 10 runs perpendicular to the cross-sectional area of the openings of the channels.
  • the longitudinal axis 10 may also not run perpendicular to the cross-sectional area of the opening of the channels.
  • the longitudinal axis 10 may also run parallel or obliquely to the cross-sectional area of the opening of the channels. "Oblique” in this case means that the longitudinal axis 10 can have an angle of 0° to 180° relative to the cross-sectional area of the opening of the channels. In this way, an arrow-shaped arrangement can be realized in plan view (with the channel as a mirror plane)
  • FIG. 3 three consecutive process steps of the method for producing a heat exchanger are shown in a side view.
  • a first process step A shows the first plate 1 and the second plate 2, which are joined in a planar state.
  • both the first plate 1 and the second plate 2 have a large number of partial areas 7, which are partially separated by incisions 3.
  • the first plate 1 and the second plate 2 are joined in such a way that the incisions 3 overlap each other, so that the first plate 1 has a projection relative to the plate 2, i.e. the two plates are joined almost congruently.
  • This overhang between the first plate 1 and the second plate 2 is important because in the subsequent process step B a first forming operation is carried out on this protruding partial area 7.
  • a form of bending namely folding, is used to raise parts of the partial areas 7 in order to obtain slats 8.
  • other forming processes particularly from the field of bending and shear forming, can also be considered.
  • the partial areas 7 are formed in such a way that some of the partial areas are first fixed between a first clamping block 11 and a second clamping block 12.
  • fixed means that the clamped part of the partial areas 7 is not formed and this part is in a planar state even after the bending.
  • the non-clamped part of the partial areas 7 is then formed by a forming unit 13.
  • the forming unit 13 presses in a force direction 14 shown from the side, or from below or above, i.e. orthogonal to the longitudinal axis 10, against the partial area 7 of the first plate 1, which to the second plate 2.
  • the bending operation creates an angle between lamella 8 and the longitudinal axis 10 of the plates, which is in an angle range of -90° to 90°.
  • the angle between lamella 8 and the longitudinal axis 10 can be easily adjusted for each lamella 8 individually by adjusting the bending forming operation.
  • the forming of a partial area 7 of the second plate 2 is carried out in the subsequent process step C.
  • the recess created by the first forming operation is used to carry out the forming analogously to the first forming, only in the opposite direction.
  • the resulting recess makes it possible to clamp a part of the partial area 7 of the second plate 2 using the two clamping blocks 11, 12 and then to form the non-clamped part of the partial area 7 of the second plate 2 from the opposite side using the forming unit 14.
  • This process sequence makes it possible to produce lamellas 8 in the first plate 1 and the second plate 2 that are set up in opposite directions.
  • Fig. 4 shows a schematic perspective view of a section of the component with one slat 8 raised, this view corresponding to process step A shown in Fig. 3.
  • Fig. 5 shows a schematic perspective view of a section of the component with two slats 8 raised, this view corresponding to process step B shown in Fig. 3.
  • a section of a heat exchanger is shown, which has raised fins 8 and a non-cut and non-jointed area 4, which is formed as a channel open on both sides.
  • the sides of the channel that are not bordered by a joining area 6 are always open.
  • the sides of the channel that are bordered by a joining area 6 are media-tight, ie completely impermeable to any type of fluid.
  • the plates are made of metal sheets. formed, which allows a simple deformation, ie a deformation without excessive force, to be carried out.
  • the component for heat transfer is initially designed as a finned heat exchanger made up of two individual sheets. These are prepared accordingly depending on the application, i.e. they have incisions 3, whereby partial areas 7, which form the fins 8 in the erected state, are created in a defined incision area 5.
  • the two sheets are partially joined in the flat, planar state, whereby a one-piece composite is obtained.
  • the partial joining can be carried out by roll bonding (roll cladding), but also by soldering, in particular roll seam soldering of solder-plated circuit boards.
  • the non-incised and non-joined areas 4 are formed as fluid-carrying channels by the application of internal pressure.
  • the shaping of the non-cut and non-jointed areas 4 can be carried out both on one side, i.e. either the non-cut and non-jointed areas 4 of the first plate 1 or the corresponding non-cut and non-jointed areas 4 of the second plate 2 are shaped, or on two sides, i.e. the non-cut and non-jointed areas 4 of the first plate 1 and the non-cut and non-jointed areas 4 of the second plate 2 are shaped.
  • the non-cut and non-jointed areas 4 formed by internal pressure were left out during the previous joining, i.e. in the non-cut and non-jointed areas 4, the plate 1 and the plate 2 have no material connection.
  • the previously cut sections are then set up by bending (edging) and thus represent the lamellae 8.
  • the bending takes place sequentially, one after the other, with the setting direction changing between upwards and downwards, ie the setting angle with respect to the longitudinal axis 10 changing between a negative and a positive sign.
  • Each preceding forming operation creates the necessary access for the subsequent forming operation.
  • a surface modification (not shown), ie macroscopic structuring of the lamellae 8, can be carried out either before or after the edging.
  • the heat exchanger consists of one piece, i.e. it is integrally or one-piece, which is particularly advantageous for heat transport within the sheet metal structure.
  • the efficiency of the finned heat exchanger is increased.
  • Local joining of the sheets in a flat state has the advantage that it can be carried out more easily and cost-effectively than would be possible with 3D-formed components.
  • the planar joining via the joining areas 6 also ensures that the joint is media-tight, i.e. no medium or fluid can escape from the channel on the sides of the channels that are delimited by a joining area 6, so that fluid can be guided in the channels with almost no loss of mass of the guided medium.
  • the finned heat exchangers can be individually adapted to the requirements in terms of the required number of fins 8, whereby the clamping blocks 11, 12 and the forming unit 13 do not have to be replaced.
  • the flexible adaptation of the finned heat exchangers thus does not require any complex adaptation of the forming tool. This further increases the cost-effectiveness of this manufacturing process.
  • Fig. 7 also shows a section of a functional unit 9, which is formed from two plate heat exchangers arranged one above the other. This arrangement can increase the maximum heat transfer performance.
  • Fig. 8 shows a side view of a channel in the form of a channel 15 formed on one side and a channel 16 formed on two sides.
  • the channels are always delimited by two joining areas 6.
  • the flow behavior of the fluid guided in the channel can be influenced. For example, the flow speed across the cross section of the channel can be changed.
  • a channel 15 formed on only one side can also be advantageous if the heat exchanger is to be designed as flat as possible.
  • the maximum flow rate of the fluid guided in the channel can be increased by a channel 16 formed on both sides.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Übertragung von Wärme und das Bauteil selbst beschrieben, welches eine erste Platte (1) und eine zweite Platte (2) aufweist, wobei beide Platten mindestens einen Einschnitt (3) in mindesten einem Einschnittbereich (5) aufweisen. Zudem sind in dem Einschnittbereich (5) in der ersten Platte (1) und der zweiten Platte (2) mindestens zwei Teilbereiche (7) ausgebildet und die erste Platte (1) und die zweite Platte (2) über mindestens einen Fügebereich (6) gefügt sind, sodass mindestens ein nicht-gefügter und nicht-eingeschnittener Bereich (4) ausgebildet ist. Hierbei überlappen sich die Einschnitte (3) sich wechselseitig und mindestens ein Teilbereich (7) in der ersten Platte (1) und mindestens ein Teilbereich (7) in der zweiten Platte (2) sind wenigstens teilweise aufgestellt, sodass mindestens zwei Lamellen (8) ausgebildet sind. Die Lamelle (8) in der ersten Platte (1) sind dabei in entgegengesetzte Richtung zu der Lamelle (8) in der zweiten Platte (2) aufgestellt und die mindestens zwei nicht-gefügten und nicht-eingeschnittenen Bereiche (4) sind als Kanäle ausgebildet.

Description

Bauteil und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Übertragung von Wärme
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil zur Übertragung von Wärme und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Übertragung von Wärme.
Wärme ist eine bedeutende Energieform, wobei verschiedene Temperaturniveaus sowie der Übergang zwischen diesen Niveaus für bestimmte technische Prozesse genutzt werden. Insbesondere für Kühlzwecke werden Wärmetau- scher eingesetzt, die den Wärmestrom einer Flüssigkeit durch eine große
Oberfläche an die Umgebung abgegeben. Mit zunehmender Erderwärmung wächst der Bedarf an Kühlleistung und entsprechenden Anlagentechnik, wobei eine Erhöhung des Wirkungsgrades stets im Mittelpunkt steht. Im Stand der Technik werden zur Lösung des technischen Problems u.a. stationäre Lamellenwärmetauscher mit Blechlamellen und Kupferrohren, welche eine mäanderförmige Fluidführung realisieren, eingesetzt. Bei dieser Ausführung besteht der Wärmetauscher aus einer Vielzahl von dünnen Blechlamellen, wodurch eine Vielzahl von Fügestellen entsteht. Da die Qualität der Fügestellen in direktem Bezug zu der Performance des Wärmetauschers stehen, wird das Fügen in der Regel manuell mit großem zeitlich Aufwand durchgeführt.
Alternativ werden auch flächige Lamellenwärmetauscher eingesetzt, wobei die Fluidführung harfenförmig ist. An beiden Seiten sind Sammelrohre angeordnet, welche wiederum durch flache Kanalrohre verbunden sind. Auch hier wird eine Vielzahl von Einzelteilen benötigt, um den Lamellenwärmetausche zu fertigen. Dabei sind neben den hohen Anforderungen an die Dichtheit des Kanalsystems auch die Qualität der Fügestellen von entscheidender Bedeutung für den Wirkungsgrad des Wärmetauschers. Daher werden auch hier die Fügeverbindungen zumeist manuell durchgeführt.
In EP 3 000 601 Al wird beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger dreidimensionaler Bauteile offenbart, wobei zwei flächige Elemente lokal gefügt, der Verbund anschließend umgeformt und abschließend lokal verformt wird. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Wärmetauschern, wobei die homogene Temperierung im Vordergrund steht. Nachteilig an dieser Offenbarung ist, dass die Kühlleistung des dreidimensionalen Wärmetauschers durch die limitierte Oberfläche über die Wärme getauscht werden kann, beschränkt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung bereitzustellen, wobei eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Vorrichtung und damit verbunden eine verbesserte Kühlleistung erreicht werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach dem Hauptanspruch und durch ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein Bauteil zur Übertragung von Wärme weist eine erste Platte und eine zweite Platte auf, wobei beide Platten mindestens einen Einschnitt in mindesten einem Einschnittbereich aufweisen. Im Einschnittbereich in der ersten Platte und der zweiten Platte sind mindestens zwei Teilbereiche ausgebildet und die erste Platte und die zweite Platte sind über mindestens einen Fügebereich gefügt, sodass mindestens ein nicht-gefügter und nicht-eingeschnittener Bereich ausgebildet sind. Die Einschnitte überlappen sich wechselseitig und mindestens ein Teilbereich in der ersten Platte und mindestens ein Teilbereich in der zweiten Platte sind wenigstens teilweise aufgestellt, sodass mindestens zwei Lamellen ausgebildet sind. Die Lamelle in der ersten Platte ist in entgegengesetzte Richtung zu der Lamelle in der zweiten Platte aufgestellt und die mindestens zwei nicht-gefügten und nicht-eingeschnittenen Bereiche sind als Kanäle ausgebildet.
Unter „wenigstens teilweise aufgestellt" wird verstanden, dass ein Teil des Teilbereichs einen Aufstellwinkel in einem Bereich von -90° bis einschließlich 90° zu einer Längsachse der Platten aufweist, wobei 0° ausgeschlossen sind, d.h. der aufgestellte Teil des Teilbereichs ist nicht parallel zu einer Längsachse der Platten ausgerichtet. Hierbei wird der aufgestellte Teil des Teilbereichs als Lamelle bezeichnet. Zudem wird unter „entgegengesetzte Richtung" verstanden, dass der Aufstellwinkel der Lamelle in der ersten Platte und der Aufstellwinkel in der zweiten Platte unterschiedliche Vorzeichen haben.
Durch die Tatsache, dass das Bauteil zur Übertragung von Wärme aus einem Stück besteht, erfolgt der Wärmetransport über die Platten ohne größere Wärmeverluste durch eine Vielzahl von Fügestellen. Somit besteht der Vorteil darin, den Wärmetransport zwischen einem Medium, welches durch die ausgebildeten Kanäle fließt, und dem Bauteil zur Übertragung von Wärme effektiv, d.h. mit einem hohen Wirkungsgrad, zu gestalten.
Weiterhin kann ein Bauteil zur Übertragung derart ausgebildet sein, dass die erste Platte und bzw. oder die zweite Platte als Bleche ausgestaltet sind. Ein „Blech" im Sinne der Anmeldung ist ein Walzwerkserzeugnis aus metallischem Werkstoff, wobei dessen Breite und Länge sehr viel größer als seine Dicke sind. Durch die Ausbildung der Platten als Blech kann das Bauteil sehr kompakt, d.h. leicht und mit geringer räumlicher Ausdehnung gefertigt werden. Auch wird durch die Dicke, die sehr viel kleiner als dessen Breite und Länge ist, der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung abermals erhöht.
Zudem können die erste Platte und die zweite Platte aus dem gleichen Werkstoff ausgebildet sein. Dadurch, dass beide Platten aus dem gleichen Werkstoff gefertigt werden können, wird vermieden, dass Unterschiede in den Werkstoffeigenschaften wie z.B. Wärmeleitungskoeffizient, Wärmespeicherkapazität den Wirkungsgrad bezüglich der Wärmeübertragung reduzieren. In weiteren Ausführungsvarianten können auch unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden.
Außerdem können die Lamellen makroskopisch strukturiert, vorzugsweise wellenförmig, besonders bevorzugt als Streckmetall, ausgebildet sein. Diese makroskopische Strukturierung wird als Oberflächenmodifikationen verstanden, welche z.B. das Einschneiden und bzw. oder Strecken von den Lamellen beinhalten. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Lamellen Oberflächenmodifikationen aufweisen, die nach dem Abkanten wie Streckmetall ausgebildet sind bzw. werden. Durch eine makroskopische Strukturierung ist es möglich, die Oberfläche der Lamellen weiter zu vergrößern. Damit erhöht sich automatisch auch die zur Wärmeübertragung nutzbare Fläche, was wiederum eine gesteigerte Wärmeübertragung bedeutet.
Zudem können die erste Platte und die zweite Platte nahezu deckungsgleich gefügt sein. Unter „nahezu deckungsgleich" wird verstanden, dass wenigstens ein Überstand der ersten Platte gegenüber der zweiten Platte von 5 mm ausgebildet ist. Eine nahezu deckungsgleiche Fügung hat den Vorteil, dass die Abstände zwischen den Lamellen verkleinert sind. Das bedeutet, es sind mehr Lamellen auf gleichbleibender Fläche ausgebildet, wodurch abermals die Wärmeübertragung gesteigert werden kann.
Weiterhin ist eine funktionelle Einheit zur Übertragung von Wärme derart ausgestaltet, dass eine Vielzahl von Bauteilen zur Wärmeübertragung übereinander ausgebildet sind. Die funktionelle Einheit bewirkt, dass die maximale übertragbare Wärmemenge insgesamt durch ein technisches Zusammenwirken der übereinander angeordneten Bauteile signifikant erhöht wird. Das bedeutet, die maximal übertragbaren Wärmemengen der einzelnen Bauteile summieren sich auf und ergeben die maximale übertragbare Wärmemenge der funktionellen Einheit.
Außerdem weist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Übertragung von Wärme eine erste Platte und eine zweite Platte mit jeweils mindestens einem Einschnitt auf, die sich wechselseitig überlappen, wobei die erste Platte und die zweite Platte in mindestens einem Fügebereich gefügt werden. Zudem werden die Teilbereiche einzeln und sequenziell wenigstens teilweise aufgestellt, sodass mindestens zwei Lamellen entstehen, wobei die Aufstellwinkel der einzelnen Lamellen bezüglich einer Längsachse der Platten zwischen positiven und negativen Winkeln wechseln. Außerdem werden die nicht-eingeschnittenen und nicht-gefügten Bereiche nach dem Aufstellen der Teilbereiche oder direkt vor dem Aufstellen der Teilbereiche ausgeformt. In weiteren Ausführungsformen ist es auch möglich, dass die erste und zweite Platte bereits die Kanäle aufweisen, bevor die Lamellen aufgestellt bzw. abgekantet werden oder nach dem Fügen die Kanäle ausgeformt werden vor dem Abkanten der Lamellen.
Durch das Fügen der Platten im planaren Zustand, d.h. vor der Aufstellung der Teilbereiche, wird sichergestellt, dass eine mediendichte Fügung auf einfache und kostengünstige Art und Weise hergestellt werden kann. Weiterhin hat dieses Verfahren den Vorteil, dass nicht jede Lamelle einzeln gefügt werden muss, wodurch die Anzahl von Fügestellen reduziert wird. Somit wird auch die Reduzierung des Wirkungsgrads bezüglich der Wärmeübertragung reduziert. Zudem können die Teilbereiche einzeln aufgestellt werden, sodass die Bauteile flexibel an die jeweilige technische Anwendung angepasst werden können. Das bedeutet, die Anzahl der Lamellen kann durch dieses Verfahren je nach Bedarf variiert werden.
Zudem kann das Aufstellen der Teilbereiche durch Umformverfahren, vor- zugsweisen durch Biegeumformen oder Schubumformen, besonders bevorzugt durch freies Biegen, Abkanten, Schwenkbiegen oder Verdrehen erfolgen.
Durch den Einsatz etablierter Umformverfahren kann dieses Verfahren einfach in bestehende Prozesse integriert werden. Somit kann das Verfahren kostengünstig eingesetzt werden.
Außerdem könne die nicht-gefügten und nicht-eingeschnittenen Bereiche durch einen Innendruck ausgeformt werden. Durch die Ausformung mithilfe eines Innendrucks ist möglich eine gleichmäßige Ausformung der nicht-gefügten und nicht-eingeschnittenen Bereiche zu erreichen, wodurch die Strömung des Mediums durch den entstandenen Kanal verbessert wird.
Weiterhin kann durch das Aufstellen eines Teilbereichs der ersten Platte eine Aussparung in der ersten Platte entsteht, wobei die nachfolgende Aufstellung eines Teilbereichs der zweiten Platte durch die Aussparung hindurch bewirkt wird.
Das beschriebene Verfahren ist typischerweise dazu ausgebildet, das beschriebene Bauteil zu fertigen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1- 8 beschrieben. Wiederkehrendende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht des Bauteils vor der Aufstellung der Teilbereiche und dem Ausformen der Kanäle;
Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht des Bauteils mit aufgestellten Lamellen und ausgeformten Kanälen;
Fig. 3 eine schematische seitliche Ansicht von drei Verfahrensschritten des Verfahrens zur Herstellung des Bauteils; Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht des Bauteils mit einer aufgestellten Lamelle;
Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht des Bauteils mit zwei aufgestellten Lamellen;
Fig. 6 eine schematische perspektivische Ansicht des Bauteils mit einem ausgeformten Kanal;
Fig. 7 eine schematische perspektivische Ansicht von übereinander angeordneten Bauteilen; und
Fig. 8 eine schematische seitliche Darstellung zweier Ausführungsvarianten von Kanälen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Ausschnitt eines Bauteils zur Wärmeübertragung in perspektivischer Ansicht gezeigt, welches vorzugsweise als ein Wärmetauscher ausgebildet ist, wobei Teilbereiche 7 dargestellt sind, die noch nicht aufgestellt sind. Die Teilbereiche 7 befinden sich stets in einem Einschnittbereich 5 zwischen zwei Fügebereichen 6. Weiterhin sind nicht-eingeschnittene und nicht-gefügte Bereiche 4 dargestellt, wobei diese stets von zwei Fügebereichen 6 begrenzt werden, d.h. die Fügebereiche 6 bilden den Rand von den nicht-eingeschnittenen und nicht-gefügten Bereichen 4. In dieser Darstellung sind beide Platten bereits über die Fügebereiche 6 gefügt. Die Fügung einer ersten Platte 1 und einer zweiten Platte 2 erfolgt ausschließlich in den Fügebereichen 6. Zudem werden die beiden Platten in einem planaren Zustand gefügt, d.h. die lokale Fügung wird durchgeführt, bevor die Teilbereiche 7 aufgestellt werden.
Fig. 2 hingegen stellt in einer Fig. 1 entsprechenden Ansicht einen Ausschnitt eines Wärmetauschers da, bei dem die Teile der Teilbereiche 7, welche als Lamellen 8 gekennzeichnet sind, aufgestellt sind. Hierbei sind die Lamellen 8 wechselseitig aufgestellt, wobei der Aufstellwinkel der verschiedenen Lamellen 8 stets zwischen einem negativen Winkel und einem positiven Winkel bezüglich einer Längsachse 10 der Platten wechselt. Die Längsachse 10 verläuft parallel zur Längsrichtung der ausgeformten Teilbereiche 4, welche beidseitig geöffnete Kanäle ausbilden, d.h. die Längsachse 10 verläuft senkrecht zur Querschnittsfläche der Öffnungen der Kanäle. In einer anderen Ausführungsform kann die Längsachse 10 auch nicht senkrecht zur Querschnittsfläche der Öffnung der Kanäle verlaufen. Hierbei kann die Längsachse 10 auch parallel cider schräg zur Querschnittsfläche der Öffnung der Kanäle verlaufen. „Schräg" bedeutet in diesem Fall, dass die Längsachse 10 relativ zur Querschnittsfläche der Öffnung der Kanäle einen Winkel von 0° bis zu 180° aufweisen kann. Somit kann eine in Draufsicht pfeilförmige Anordnung realisiert werden (mit dem Kanal als Spiegelebene)
In Fig. 3 sind drei aufeinanderfolgende Prozessschritte des Verfahrens zur Herstellung eines Wärmetauschers in einer seitlichen Ansicht dargestellt. Hierbei zeigt ein erster Prozessschritt A die erste Platte 1 und die zweite Platte 2, die im planaren Zustand gefügt sind. Zudem weist sowohl die erste Platte 1 als auch die zweite Platte 2 eine Vielzahl an Teilbereichen 7, die durch Einschnitte 3 teilweise getrennt sind, auf. Weiterhin ist die erste Platte 1 und die zweite Platte 2 derart gefügt, dass sich die Einschnitte 3 wechselseitig überlappen, sodass die erste Platte 1 einen Überstand gegenüber der Platte 2 aufweist, d.h. die beiden Platten sind nahezu deckungsgleich gefügt.
Dieser Überstand zwischen der ersten Platte 1 und der zweiten Platte 2 ist von Bedeutung, da in dem nachfolgenden Prozessschritt B eine erste Umformoperation an diesem überstehenden Teilbereich 7 durchgeführt wird. Hierbei wird eine Form der Biegeumformung, nämlich das Abkanten genutzt, um Teile der Teilbereiche 7 aufzustellen, um so Lamellen 8 zu erhalten. Es können allerdings auch andere Umformverfahren besonders aus dem Bereich der Biegeumformung und der Schubumformung in Betracht kommen. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Umformung der Teilbereiche 7 derart, dass ein Teil der Teilbereiche zunächst zwischen einem ersten Klemmblock 11 und einem zweiten Klemmblock 12 fixiert wird. Hierbei bedeutet fixiert, dass der eingeklemmte Teil der Teilbereiche 7 nicht umgeformt wird und dieser Teil sich auch nach der Biegeumformung in einem planaren Zustand befindet. Der nicht-eingeklemmte Teil der Teilbereiche 7 wird anschließend durch einen Umformeinheit 13 umgeformt. Hierbei drückt die Umformeinheit 13 in eine eingezeichnete Kraftrichtung 14 von der Seite, bzw. von unten oder oben, also orthogonal zur Längsachse 10, gegen den Teilbereich 7 der ersten Platte 1, der zur zweiten Platte 2 ausgerichtet ist. Durch die Biegeoperation entsteht ein Winkel zwischen Lamelle 8 und der Längsachse 10 der Platten, der sich in einem Winkelbereich von -90° bis 90° befindet. Der Winkel zwischen Lamelle 8 und der Längsachse 10 kann auf einfache Art und Weise für jede Lamelle 8 einzeln und individuell, durch eine Anpassung der Biegeumformoperation, eingestellt werden.
Nach erfolgter erster Aufstellung und der damit entstandenen Lamelle 8 in der ersten Plättle 1 wird in dem darauffolgenden Prozessschritt C die Umformung eines Teilbereichs 7 der zweiten Platte 2 durchgeführt. Hierbei wird die Aussparung, die durch die erste Umformoperation entstanden ist, genutzt, um die Umformung analog zur ersten Umformung lediglich in entgegengesetzte Richtung durchzuführen. Durch die entstandenen Aussparung ist es möglich, einen Teil des Teilbereichs 7 der zweiten Platte 2 durch die beiden Klemmblöcke 11, 12 einzuspannen und anschließend den nicht-eingeklemmten Teil des Teilbereichs 7 der zweiten Platte 2 von der gegenüberliegenden Seite durch die Umformeinheit 14 umzuformen. Durch diese Prozessreihenfolgen ist es möglich, Lamellen 8 in der ersten Platte 1 und der zweiten Platte 2 herzustellen, die in entgegensetzte Richtung aufgestellt sind.
Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Bauteils mit einer aufgestellten Lamelle 8, wobei diese Ansicht dem in Fig. 3 dargestellten Verfahrensschritt A entspricht. Analog ist in Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Bauteils mit zwei aufgestellten Lamellen 8 dargestellt, wobei diese Ansicht dem in Fig. 3 dargestellten Verfahrensschritt B entspricht.
In Fig. 6 ist, ebenfalls in perspektivischer Ansicht, ein Ausschnitt eines Wärmetauschers dargestellt, wobei dieser aufgestellte Lamellen 8 sowie einen nichteingeschnittenen und nicht-gefügten Bereich 4, welcher als ein beidseitig geöffneter Kanal zweiseitig ausgeformt ist, aufweist. Hierbei sind stets die Seiten des Kanals geöffnet, die nicht von einem Fügebereich 6 begrenz werden. Die Seiten des Kanals, die von einem Fügebereich 6 begrenzt werden, sind mediendicht, d.h. vollständig undurchlässig für jede Art von Fluiden, ausgebildet. In dieser Ausführungsvariante sind die Platten als metallische Bleche aus- gebildet, womit eine einfache Umformung, d.h. eine Umformung ohne übermäßige Krafteinwirkung, durchgeführt werden kann.
Somit ist das Bauteil zur Wärmeübertragung in diesem Ausführungsbeispiel als Lamellenwärmetauscher aus zunächst zwei Einzelblechen ausgebildet. Diese sind je nach Anwendung entsprechend präpariert, d.h. weisen Einschnitte 3 auf, wodurch Teilbereiche 7, die im aufgestellten Zustand die Lamellen 8 ausbilden in einem definierten Einschnittbereich 5 entstehen. Zudem sind die zwei Bleche im ebenen, planaren Zustand partiell gefügt, wodurch ein einstückiger Verbund gewonnen wird. Das partielle Fügen kann durch Rollbonding (Walzplattieren) erfolgen, aber auch durch Löten, insbesondere Rollnahtlöten von lotplattierten Platinen. In einem Ausführungsbeispiel sind die nicht eingeschnittenen und nicht-gefügten Bereiche 4 durch die Applikation von Innendruck als fluidführende Kanäle ausgeformt. Die Ausformung der nicht-eingeschnittenen und nicht-gefügten Bereiche 4 kann sowohl einseitig, d.h. entweder der nicht-eingeschnittenen und nicht-gefügten Bereiche 4 der erste Platte 1 oder der korrespondierende nicht-eingeschnittenen und nichtgefügten Bereiche 4 der zweite Platte 2 wird ausgeformt, als auch zweiseitig, d.h. der nicht-eingeschnittenen und nicht-gefügten Bereiche 4 der erste Platte 1 und der nicht-eingeschnittenen und nicht-gefügten Bereiche 4 der zweiten Platte 2 werden ausgeformt, durchgeführt werden. Die durch Innendruck ausgeformten nicht-eingeschnittenen und nicht gefügte- Bereiche 4 wurden bei dem vorangegangen Fügen ausgespart, d.h. in den nicht-eingeschnittenen und nicht-gefügten Bereichen 4 weisen die Platte 1 und die Platte 2 keine stoffschlüssige Verbindung auf.
Die zuvor eingeschnittenen Teilbereiche werden dann durch Biegen (Abkanten) aufgestellt und stellen somit die Lamellen 8 dar. Hierbei erfolgt das Biegen sequenziell einzeln der Reihe nach, wobei die Aufstellrichtung zwischen nach oben und nach unten wechselt, d.h. der Aufstellwinkel bezüglich der Längsachse 10 zwischen einem negativen und einem positiven Vorzeichen wechselt. Jede vorangegangene Umformoperation schafft den erforderlichen Zugang für die darauf folgende Umformoperation. Eine nicht dargestellte Oberflächenmodifikation, d.h. makroskopische Strukturierung der Lamellen 8 kann entweder vor dem Abkanten oder nach dem Abkanten durchgeführt werden. Der wichtigste Vorteil liegt darin, dass anstatt einer Vielzahl von Einzelteilen der Wärmetauscher aus einem Stück, d.h. integral bzw. einteilig ausgebildet ist, besteht, was insbesondere vorteilhaft für den Wärmetransport innerhalb der Blechstruktur ist. Durch die Verringerung der Anzahl der Fügestellen wird der Wirkungsgrad des Lamellenwärmetauschers erhöht. Das lokale Fügen der Bleche im ebenen Zustand hat den Vorteil, dass es einfacher und kostengünstiger durchgeführt werden kann, als dies bei 3D-geformten Bauteilen möglich wäre. Auch wird durch das planare Fügen über die Fügebereiche 6 sichergestellt, dass die Fügung mediendicht, d.h. an den Seiten der Kanäle, die durch einen Fügebereich 6 begrenzt sind, kann kein Medium bzw. Fluid aus dem Kanal austreten, sodass eine Fluidführung in den Kanälen nahezu ohne Masseverlust des geführten Mediums möglich ist.
Weiterhin wird in diesem Ausführungsbeispiel lediglich ein Werkstoff verwendet, sodass kein Aufwand für eine sortenreine Trennung entsteht. Durch das einzelne und sequenzielle Aufstellen einzelner Lamellen 8 an sich lassen sich die Lamellenwärmetauscher hinsichtlich der benötigten Anzahl an Lamellen 8 individuelle an die gestellten Anforderungen anpassen, wobei kein Tausch der Klemmblöcke 11, 12 und der Umformeinheit 13 erfolgen muss. Die flexible Anpassung der Lamellenwärmetauscher kommt somit ohne aufwendige Anpassung des Umformwerkzeugs aus. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit dieses Fertigungsverfahrens abermals erhöht.
Fig. 7 zeigt zudem einen Ausschnitt einer funktionellen Einheit 9, wobei diese aus zwei übereinander angeordneten Lamellenwärmetauschern ausgebildet ist. Durch diese Anordnung kann die maximale Wärmeübertragungsleistung erhöht werden.
Fig. 8 stellt in einer seitlichen Ansicht schematisch die Ausführung eines Kanals als einseitig ausgeformten Kanal 15 und als zweiseitig ausgeformten Kanal 16 dar. Hierbei sind die Kanäle in beiden Ausführungsvarianten stets von zwei Fügebereichen 6 begrenzt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel des einseitig ausgeformten Kanals 15 ist lediglich die erste Platte 1 ausgeformt, wohingegen bei dem zweiseitig ausgeformten Kanal 16 sowohl die erste Platte 1 als auch die zweite Platte 2 ausgeformt sind. Durch die Möglichkeit, die Kanäle in unterschiedlichen Weisen auszugestalten, kann das Strömungsverhalten des in dem Kanal geführten Fluids beeinflusst werden. Es kann z.B. die Strömungsgeschwindigkeit über den Querschnitt des Kanals verändert werden. Auch kann ein lediglich einseitig ausgeformter Kanal 15 vorteilhaft sein, wenn der Wärmetauscher möglichst flach ausgestaltet werde soll. Hingegen kann durch einen zweiseitig ausgeformten Kanal 16 die maximale Durchflussmenge des in dem Kanal geführten Fluids erhöht werden.
Mögliche technische Einsatzgebiete sind z.B. Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher für Lüftungs- und Klimatechnik, Kältetechnik und chemische Reaktoren.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil zur Übertragung von Wärme aufweisend: eine erste Platte (1) und eine zweite Platte (2), wobei beide Platten mindestens einen Einschnitt (3) in mindestens einem Einschnittbereich (5) aufweisen, wobei in dem Einschnittbereich (5) in der ersten Platte (1) und der zweiten Platte (2) mindestens zwei Teilbereiche (7) ausgebildet sind und die erste Platte (1) und die zweite Platte (2) über mindestens einen Fügebereich (6) gefügt sind, sodass mindestens ein nicht-gefügter und nicht-eingeschnittener Bereich (4) ausgebildet ist, wobei die Einschnitte (3) sich wechselseitig überlappen und mindestens ein Teilbereich (7) in der ersten Platte (1) und mindestens ein Teilbereich (7) in der zweiten Platte (2) wenigstens teilweise aufgestellt sind, sodass mindestens zwei Lamellen (8) ausgebildet sind, wobei die Lamelle (8) in der ersten Platte (1) in entgegengesetzte Richtung zu der Lamelle (8) in der zweiten Platte (2) aufgestellt ist und die mindestens zwei nicht-gefügten und nicht-eingeschnittenen Bereiche (4) als Kanäle ausgebildet sind.
2. Bauteil zur Übertragung von Wärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (1) und/oder die zweite Platte (2) als Bleche ausgebildet sind.
3. Bauteil zur Übertragung von Wärme nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (1) und die zweite Platte (2) aus dem gleichen Werkstoff ausgebildet sind.
4. Bauteil zur Übertragung von Wärme nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (8) makroskopisch strukturiert, vorzugsweise wellenförmig, besonders bevorzugt als Streckmetall, ausgebildet sind.
5. Bauteil zur Übertragung von Wärme nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (1) und die zweite Platte (2) nahezu deckungsgleich gefügt sind.
6. Funktionelle Einheit (9) zur Übertragung von Wärme die aus übereinander angeordneten Bauteilen zur Übertragung von Wärme nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Übertragung von Wärme, wobei eine erste Platte (1) und eine zweite Platte (2) jeweils mindestens einen Einschnitt (3) aufweisen, welche sich wechselseitig überlappen, wobei die erste Platte (1) und die zweite Platte (2) in mindestens einem Fügebereich (6) gefügt werden und die Teilbereiche (7) einzeln und sequenziell wenigstens teilweise aufgestellt werden, sodass mindestens zwei Lamellen (8) entstehen, wobei die Aufstellwinkel der einzelnen Lamellen (8) bezüglich einer Längsachse (10) der Platten zwischen positiven und negativen Winkeln wechseln und die nicht-eingeschnittenen und nicht-gefügten Bereiche (4) nach dem Aufstellen der Teilbereiche (7) oder direkt vor dem Aufstellen der Teilbereiche (7) ausgeformt werden.
8. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Wärmeübertragung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufstellen der Teilbereiche (7) durch Umformverfahren, vorzugsweisen durch Biegeumformen oder Schubumformen, besonders bevorzugt durch freies Biegen, Abkanten, Schwenkbiegen oder Verdrehen erfolgt.
9. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Wärmeübertragung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-gefügten und nicht-eingeschnittenen Bereiche (4) durch einen Innendruck ausgeformt werden.
10. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Wärmeübertragung nach einem der Ansprüche 7 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Aufstellen eines Teilbereichs (7) der ersten Platte (1) eine Aussparung in der ersten Platte (1) entsteht, wobei die nachfolgende Aufstellung eines Teilbereichs (7) der zweite Platte (2) durch die Aussparung hindurch bewirkt wird.
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