Wärmeübertrager aus Flachrohren und Wellrippen

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager aus Flachrohren (1) und Wellrippen (2), mit Wellenbergen, Wellentälern und diese verbindenden Wellenflanken, wobei die Flachrohre (1) an ihren Breitseiten (3) eine Vertiefung (4) aufweisen, in die ein Teil der Wellrippe (2) eingreift. Ohne die Wellrippen zwangsläufig verändern zu müssen, wird ein Wärmeübertrager mit höheren Leistungskennwerten dadurch zur Verfügung gestellt, dass erfindungsgemäß die Vertiefung (4) als eine Vielzahl von Vertiefungen (44) in den Breitseiten (3) der Flachrohre (1) ausgebildet ist, und dass die Wellrippen (2) mit ihren Wellenbergen (20) in den Vertiefungen (44) der Breitseite (3) des einen Flachrohres (1) und mit ihren Wellentälern (21) in den Vertiefungen (44) der Breitseite (3) des benachbarten Flachrohres (1) zu liegen kommen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager aus Flachrohren und Wellrippen, mit Wellentälern, Wellenbergen und diese verbindenden Wellenflanken, wobei die Flachrohre an ihren Breitseiten eine Vertiefung aufweisen, in die ein Teil der Wellrippe eingreift.

[0002] Der aus der DE 40 26 988 A1 bekannte Wärmeübertrager aus Flachrohren und Wellrippen weist an beiden Breitseiten der Flachrohre eine einzige Vertiefung auf, die eine Sicke darstellt, welche in Längsrichtung der Flachrohre verläuft. Die Sicken in beiden Breitseiten berühren sich auf der Mittellängslinie und sind dort miteinander verbunden. Die zwischen den Flachrohren angeordneten Wellrippen haben eine zentrische Reihe von Vorsprüngen, die dann im zusammengefügten Wärmeübertrager in der erwähnten Sicke der Flachrohre zu liegen kommt. Diese Ausführung kann den Zusammenhalt des Wärmeübertragers im vor dem Löten liegenden Fertigungsprozess verbessern und somit Vorteile mit sich bringen. Nachteilig ist jedoch die Notwendigkeit, die Wellrippen in der beschriebenen Art mit Vorsprüngen ausbilden zu müssen.
Nach anderen Lösungen aus dem Stand der Technik werden die Wellrippen in ihren Wellenbergen und Wellentälern mit einer Einbuchtung ausgebildet, in der jeweils eine Breitseite des Flachrohres zu liegen kommt. Man spricht hier manchmal von der "Einbettung" der Flachrohre. Auch diese Lösungen weisen den vorstehend erwähnten Nachteil auf, denn die Wellrippen müssen mit der entsprechenden Form für die Einbettung ausgebildet werden. Genannt seien als Vertreter dieses Typs die US 3 298 432 oder das deutsche Gebrauchsmuster Nr. 14 13 978.
Im Zuge der leistungsmäßigen Optimierung ist man mehr und mehr dazu übergegangen, die gesamte Wellenflankenlänge der Wellrippen heranzuziehen und mit turbulenzerzeugenden Ausbildungen, beispielsweise mit Schnitten, auszustatten. Solche Lösungen erfordern selbstverständlich Investitionen in Anlagen und Einrichtungen, um diese Wellrippen rationell und in großer Zahl herstellen zu können. Als Beispiel sei hier lediglich auf das EP 826 942 B1 verwiesen.

[0003] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ohne aufwendige Veränderung der Gestalt der Wellrippen, einen Wärmeübertrager mit höheren Leistungskennwerten zur Verfügung zu stellen.

[0004] Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt bei einem Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff, durch den Einsatz der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

[0005] Es ist vorgesehen, dass die Vertiefung als eine Vielzahl von Vertiefungen in den Breitseiten der Flachrohre ausgebildet ist, und dass die Wellrippen mit ihren Rippenbergen in den Vertiefungen der Breitseite des einen Flachrohres und mit ihren Rippentälern in den Vertiefungen der Breitseite des benachbarten Flachrohres zu liegen kommen.
Unter dem Begriff ,,Wellrippen" sind im Sinne der vorliegenden Erfindung alle Wärmeübertragerkörper zu verstehen, die aus dünnem Blech mittels Rollen oder mittels Stanzen herstellbar sind, und die eine - wie auch immer - gewellte Struktur besitzen.
Die Begriffe ,,Berge und Täler'' sind nicht nur im Sinne von ,,oben und unten" zu verstehen, sondern dienen allgemein der Unterscheidung der Wendepunkte des Bandverlaufes, aus dem die Wellrippen gewöhnlich hergestellt sind. Bei einem Wärmetauscher mit oben und unten liegenden Sammelkästen befinden sich die Täler beispielsweise links und die Berge rechts, oder umgekehrt.
Der Begriff ,,Flachrohr" meint vorzugsweise Rohre mit parallelen Breitseiten und gegenüberliegenden Schmalseiten, die die Breitseiten verbinden. Ovalrohre sind jedoch nicht ausgeschlossen. Die Flachrohre werden vorzugsweise durch Umformung von Aluminiumbandmaterial der Dicke von etwa 0,1 - 0,5 mm mittels Löten oder Schweißen hergestellt. Beispielsweise durch Extrusion oder Ziehverfahren hergestellte Flachrohre sind ebenfalls nicht ausgeschlossen.
Da die Wellenberge und die Wellentäler erfindungsgemäß in den Vertiefungen der Breitseiten der Flachrohre untergebracht sind, müssen keine Wellrippen verwendet werden, deren gesamte Flankenlänge mit turbulenzerzeugenden Ausbildungen versehen sind. Es können oft die zur Verfügung stehenden Wellrippen verwendet werden. Dadurch, dass die nicht mit den turbulenzerzeugenden Ausbildungen versehenen Partien der Wellrippe im Bereich der Berge und Täler in den Vertiefungen ,,verschwinden", erstrecken sich in dem Abstand zwischen zwei Flachrohren im wesentlichen nur die mit den turbulenzerzeugenden Ausbildungen versehenen Partien der Flanken der Wellrippen, was sowohl eine leistungsmäßige Verbesserung als auch eine kompaktere Gestaltung des Wärmeübertragers verspricht. Ferner ist eine Verbesserung der Leistung dadurch zu erwarten, dass der Kontakt zwischen den Wellrippen und den Flachrohren erfindungsgemäß intensiviert wurde. Darüber hinaus verspricht man sich eine leistungsmäßige Verbesserung, insbesondere bei Radiatoren, die keine Inneneinsätze in den Flachrohren besitzen, dadurch, dass die Vertiefungen in den Flachrohren zu stärkeren Verwirbelungen der in den Flachrohren strömenden Kühlflüssigkeit führen. Ähnliche positive Wirkungen stellen sich jedoch auch dann eine, wenn der Wärmeübertrager als Gaskühler, Kondensator oder Verdampfer eingesetzt wird, wobei dann selbstverständlich ein Kältemittel durch die Flachrohre strömt.

[0006] Nach einem vorteilhaften Gedanken besitzen die Wellrippen turbulenzerzeugende Ausbildungen, beispielsweise Schnitte, die in den die Berge und Täler verbindenden Wellenflanken angeordnet sind. Turbulenzerzeugende Ausbildungen können beispielsweise auch Wellungen der Flanken oder andere Ausbildungen sein, die zu vergleichbaren Wirkungen führen.

[0007] Ein anderer weiterbildender Gedanke sieht vor, dass die Vertiefungen im Allgemeinen vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung der Flachrohre angeordnet sind. Eine zur Längsrichtung geneigte Anordnung der Vertiefungen stellt jedoch ein mögliches Ausführungsbeispiel dar.

[0008] Ferner ist vorgesehen, dass die Vertiefungen im Allgemeinen parallel zueinander angeordnet sind. Die Vertiefungen verlaufen bevorzugt gerade, aber auch andere Verläufe sind nicht ausgeschlossen, z. B. für gewellte oder versetzt geschnittene Wellrippen.

[0009] Es ist vorteilhaft, wenn die Vertiefungen in der einen Breitseite des einen Flachrohres versetzt zu den Vertiefungen in der anderen Breitseite des einen Flachrohres angeordnet sind.

[0010] Außerdem ist vorgesehen, dass die Vertiefungen in der einen Breitseite des einen Flachrohres versetzt zu den Vertiefungen in der benachbarten Breitseite des nächsten Flachrohres angeordnet sind. Die Größe des Versatzes entspricht der halben Wellenlänge, bzw. der sogenannten Wellrippenteilung.

[0011] Vorzugsweise wurde daran gedacht, dass sich die Vertiefungen in Querrichtung etwa über die gesamte Breitseite des Flachrohres erstrecken. Dadurch können unveränderte Wellrippen verwendet werden. In Querrichtung unterbrochene Vertiefungen, die eine entsprechende Anpassung der Wellrippenform in den Bergen und Tälern zur Folge haben könnten, sind ein mögliches aber nicht bevorzugtes Ausführungsbeispiel.

[0012] Die Vertiefungen sind so dimensioniert, dass sie jeweils einen Wellenberg bzw. ein Wellental der Wellrippe soweit in sich aufnehmen können, dass die sich zwischen zwei Breitseiten zweier Flachrohre erstreckenden Wellenflanken möglichst vollständig mit beispielsweise Schnitten ausgebildet sind.

[0013] Ein leistungsmäßig besonders bevorzugter Wärmeübertrager besitzt eine Höhe der Wellrippen zwischen 5 und 10 mm.

[0014] Die lichte Weite der Flachrohre liegt zwischen 1,0 und 1,8 mm. Die Tiefe der Vertiefungen beträgt etwa 0,4 - 0,7 mm.

[0015] Die Dicke des Aluminiumbandes aus dem die Wellrippen gefertigt sind beträgt etwa 0,04 - 0,07 mm.
Die Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Aus der Beschreibung können sich Merkmale
und Wirkungen ergeben, die weder in den Ansprüchen noch im vorstehend beschriebenen Wesen der Erfindung vorhanden sind, die sich jedoch später als besonders wesentlich herausstellen könnten.
Die Figur 1 zeigt einen Teil des Wärmeübertragers, bestehend aus lediglich einer Wellrippe und zwei Flachrohren.
Die Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Fig. 1.
Die Figur 3 zeigt eine andere Ansicht des Teiles gemäß Fig. 1 mit einer Flachrohrreihe
Die Fig. 4 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung jedoch mit einer modifizierten Wellrippe.
Die Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus der Fig. 4.
Die Fig. 6 zeigt einen schematischen Ablauf der Rohrherstellung.
Die Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Flachrohrreihen.
Die Fig. 8 zeigt die Frontansicht des Wärmeübertragers.
Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf zusammengefügte und anschließend mittels Löten hergestellte Flachrohr 1 - Wellrippen 2 - Verbindungen des Wärmeübetragers. Durch diesen Hinweis soll darauf aufmerksam gemacht werden, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager durchaus auch ein gefügter, also nicht metallisch verbundener, Wärmeübertrager sein könnte.
Die Flachrohre 1 des Ausführungsbeispiels werden aus endlosem Aluminiumbandmaterial 33 der Dicke 0,25 mm hergestellt. Die Fig. 6 zeigt eine ganz schematische Darstellung des Herstellungsablaufes anhand einer Ansicht auf einen kurzen Abschnitt des Aluminiumbandes 33. Dabei werden zunächst die Vertiefungen 44 in beiden Breitseiten 3 des späteren Flachrohres 1 durch Umformung hergestellt und anschließend werden nach und nach beide Breitseiten 3 aufgerichtet und unter Bildung der Schmalseiten 30 wird das Flachrohr 1 ausgeformt. Der Pfeil neben der Fig. 6 zeigt die Laufrichtung des Bandes 33, die identisch mit der Längsrichtung LR des aus dem Herstellungsablauf resultierenden Flachrohres 1 ist. Die beiden gestrichelten Pfeile sollen das Aufrichten bzw. Umlegen der beiden Breitseiten 3 andeuten. Bei geschweißten Flachrohren 1 kann sich die Schweißnaht in einer der Schmalseiten 30 befinden, wie es auch in der Fig. 3 durch das Bezugszeichen 31 angedeutet ist. Das von einer entsprechenden nicht gezeigten Vorrichtung ablaufende ,,endlose" Flachrohr 1 wird dann auf die benötigte Länge zugeschnitten.
Die Wellrippen 2 werden ebenfalls aus endlosem Aluminiumbandmaterial hergestellt, das jedoch dünner ist. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Wellrippen 2 0,07 mm. Die Herstellung der Wellrippen 2 gehört im übrigen zum Stand der Technik und ist nicht weiter in den Figuren gezeigt.
Das Aluminiumband für die Flachrohre 1 ist auf der Außenseite mit einer Lotschicht versehen, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Alternativ könnte das Aluminiumband für die Wellrippe 2 oder das Aluminiumband sowohl für die Wellrippe 2 als auch für das Flachrohr 1 eine Lotbeschichtung aufweisen.
Die Flachrohre 1 und die Wellrippen 2 werden im Wechsel derart zusammengefügt, dass in jeder Vertiefung 44 der Breitseite 3 des einen Flachrohres 1 ein Wellenberg 20 der Wellrippe 2 zu liegen kommt und in jede Vertiefung 44 in der gegenüberliegenden Breitseite 3 des benachbarten Flachrohres 1 ein Wellental 21 in die dortigen Vertiefungen 44 einrastet. Der Stapel aus Flachrohren 1 und Wellrippen 2 wird gemeinhin als Netz des Wärmeübertragers bezeichnet. Im Anschluss an diese Vormontage werden Rohrböden 50 an den gegenüberliegenden Enden der Flachrohre 1 angebracht. Als Rohrböden 50 werden auch beispielsweise geschlitzte Rohre angesehen, die gleichzeitig die Sammelkästen des Wärmeübertragers bilden.
Das fertiggestellte Netz des Wärmeübertragers wird nun in einem Lötofen nach entsprechender Vorbereitung verbunden.
Aus der Fig. 1 ist zu erkennen, dass die Vertiefungen 44 senkrecht zur Längsrichtung LR der Flachrohre 2 und parallel zueinander angebracht sind. Ferner ist zu sehen, dass die Vertiefungen 44 in der einen Breitseite 3 des einen Flachrohres 1 versetzt zu den Vertiefungen 44 in der anderen Breitseite 3 des einen Flachrohres 1 angeordnet sind. Darüber hinaus sind die Vertiefungen 44 in der einen Breitseite 3 des einen Flachrohres 1 versetzt zu den Vertiefungen 44 in der benachbarten Breitseite 3 des nächsten Flachrohres 1 angeordnet. Der Versatz entspricht der Wellrippenteilung T.
Der Wärmeübertrager der Ausführungsbeispiele ist ein Radiator. Senkrecht zur Darstellungsebene in Fig. 1 strömt Kühlluft durch die Wellrippen 2. Durch die Flachrohre 1 strömt Kühlflüssigkeit, beispielsweise diejenige eines Kraftfahrzeugmotors. Der Vergleich der Fig. 1 und 4 lässt erkennen, dass die Länge der Schnitte 22 in den Wellenflanken 25 der Wellrippen 2 in der Fig. 4 - relativ gesehen - größer ist als in der Fig. 1. In der Fig. 1 ist somit ein durch die Vertiefungen 44 zwar verringerter aber immer noch vorhandener Bypass 40 zu erkennen, durch den Kühlluft strömen kann, ohne von den Schnitten 22 verwirbelt zu werden. Dieser Bypass 40 ist in den Fig. 4 und 5 nahezu nicht mehr erkennbar, auf jeden Fall aber wesentlich kleiner. Ein entsprechender Einfluss auf die weitere Reduzierung des Bypasses 40 kann durch die Tiefe der Vertiefungen 44 ausgeübt werden. Bei Radiatoren, die eine lichte Weite (Maß zwischen den Breitseiten 3) der Flachrohre 1 von 0,7 -1,8 mm aufweisen, muss sich die Tiefe der Vertiefungen 44 in einem vorgegebenen Bereich bewegen, denn sie beeinflusst auch die Strömung der Kühlflüssigkeit in den Flachrohren 1.
Die Schnitte 22 der Wellrippen 2 bestehen aus bekannten, beidseitig aus der Ebene der Wellenflanken 25 herausgestellten bzw. herausgedrehten, schmalen Streifen des Bandmaterials, wie es etwa aus den Fig. 2 bzw. 4 erkennbar ist. Die Schnitte 22 sind dicht an dicht angeordnet, wie die Fig. 3 deutlich macht. Es sollte erwähnt werden, dass die Fig. 1 - 7 vergrößert wurden, um die wichtigen Details erkennbar zu machen. Die Bezugszeichen in den Fig. 4 und 5 wurden - bis auf den Bypass 40 - weggelassen, da sie denjenigen in den Fig. 1 - 3 entsprechen.
Die Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Wärmeübertrager, der Flachrohre 1 aufweist, die in zwei Reihen 1.1 und 1.2 angeordnet sind. Es wurden lediglich zwei Flachrohre 1 je Reihe gezeichnet. Die Wellrippen 2 überbrücken den Abstand zwischen den beiden Reihen 1.1 und 1.2, der in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen wurde.

[0016] Die Fig. 8 zeigt schließlich den aus Rohrböden 50, Sammelkästen 60 mit geeigneten Ein - und Auslässen 70 für die durch die Flachrohre 1 strömende Kühlflüssigkeit bestehenden Wärmeübertrager, der mit dem beschriebenen Kühlnetz ausgerüstet ist. Das Kühlnetz wurde mit zwei gegenüberliegenden Seitenteilen 80 verstärkt.

Ansprüche

1. Wärmeübertrager aus Flachrohren (1) und Wellrippen (2), mit Wellenbergen (20), Wellentälern (21) und diese verbindenden Wellenflanken, wobei die Flachrohre (1) an ihren Breitseiten (3) eine Vertiefung (4) aufweisen, in die ein Teil der Wellrippe (2) eingreift,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vertiefung (4) als eine Vielzahl von Vertiefungen (44) in den Breitseiten (3) der Flachrohre (1) ausgebildet ist, und dass die Wellrippen (2) mit ihren Wellenbergen (20) in den Vertiefungen (44) der Breitseite (3) des einen Flachrohres (1) und mit ihren Wellentälern (21) in den Vertiefungen (44) der Breitseite (3) des benachbarten Flachrohres (1) zu liegen kommen.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrippen (2) turbulenzerzeugende Ausbildungen, beispielsweise Schnitte (22), in den die Berge (20) und Täler (21) verbindenden Wellenflanken (25) aufweisen.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (44) im Allgemeinen vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung (LR) der Flachrohre (1) angeordnet sind.

4. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (44) im Allgemeinen parallel zueinander angeordnet sind.

5. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (44) in der einen Breitseite (3) des einen Flachrohres (1) versetzt zu den Vertiefungen (44) in der anderen Breitseite (3) des einen Flachrohres (1) angeordnet sind.

6. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (44) in der einen Breitseite (3) des einen Flachrohres (1) versetzt zu den Vertiefungen (44) in der benachbarten Breitseite (3) des nächsten Flachrohres (1) angeordnet sind.

7. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vertiefungen (44) in Querrichtung vorzugsweise etwa über die gesamte Breitseite (3) des Flachrohres (1) erstrecken.

8. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dass die Vertiefungen (44) so dimensioniert sind, dass sie jeweils einen Wellenberg (20) bzw. ein Wellental (21) der Wellrippe (2) derart aufnehmen können, dass die sich zwischen zwei Breitseiten (3) zweier Flachrohre (1) erstreckenden Wellenflanken (25) möglichst vollständig mit beispielsweise Schnitten (22) ausgebildet sind.

9. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Wellrippen (2) zwischen 5 und 10 mm liegt.

10. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite der Flachrohre (1) zwischen 0,7 und 1,8 mm liegt.

11. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere nach den Ansprüchen 5 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Vertiefungen (44) etwa 0,4 - 0,7 mm beträgt.

Zeichnung