DE19719260C1 - Gepreßtes Flachrohr für Wärmetauscher in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein gepreßtes Flach­ rohr in Mehrkanalausbildung aus Aluminium oder einer Alumini­ umlegierung für Wärmetauscher in Kraftfahrzeugen mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Derartige Flach­ rohre in Mehrkanalausbildung sind mit im Kanal im Flachrohr einander gegenüberliegenden Stegen bekannt, vgl. beispiels­ weise die US 3 486 489, Fig. 7, mit relativ kleiner Steg­ höhe und die JP 49-114145, Fig. 5 und 6, mit relativ großer Steghöhe, wobei im letztgenannten Fall im Kanal von jeder Flachseite des Flachrohrs aus zwei Stege ausgehen.

Die allgemeine Querschnittsoptimierung des Kanals eines solchen Flachrohrs mit Mehrkanalausbildung auf optimale Wärmeübertragungsverhältnisse ist durch das Produkt der In­ nenfläche des Kanals mit der Reynoldszahl bestimmt, welche die Turbulenzverhältnisse im Kanal beschreibt. Eine hohe Reynoldszahl ergibt dabei eine starke Turbulenz, die für sich schon die Wärmeübergangseigenschaften verbessert.

Es gibt dabei im Prinzip zwei Wege, dieses Produkt zu optimieren.

Der erste Weg besteht darin, bei vorgegebenem Quer­ schnitt des Flachrohrs den ersten Faktor des Produkts, näm­ lich die innere Fläche des Flachrohrs, gezielt zu vergrößern. Das kann durch Vergrößerung der Kanalanzahl im Flachrohr er­ folgen, wobei dann die Zwischenwände zwischen den Kanälen die innere Oberfläche des Flachrohrs vergrößern. Der dann aber nur relativ kleine hydraulische Querschnitt des einzelnen Ka­ nals führt zu einer Reduzierung der Reynoldszahl und damit zu einer Abschwächung der Turbulenz, was dem mit der gezielten Erhöhung der inneren Fläche angestrebten Vorteil wieder ent­ gegenwirkt.

Der zweite Weg besteht in einer gezielten Vergröße­ rung des zweiten Faktors, d. h. der Reynoldszahl, zur Turbu­ lenzverstärkung. Hierzu kann man im Grenzfall auf eine Ver­ größerung der inneren Fläche des Flachrohrs im Sinne des oben genannten ersten Weges ganz verzichten und dafür die Reynoldszahl durch besonders weit bemessene hydraulische Ka­ nalquerschnitte günstig beeinflussen. Dies führt jedoch ten­ denziell zu einer Abschwächung der Wärmeübergangseigenschaf­ ten aus dem ersten Faktor des Produkts.

Die beiden oben genannten Vorveröffentlichungen be­ schreiben zwei unterschiedliche Kompromisse zwischen den bei­ den oben genannten Wegen.

Nach der US 3 486 489 wird versucht, mit den bei­ den Stegen relativ geringer Höhe die innere Fläche zu erhöhen und dabei die Reynoldszahl nur in einem solchen Maße zu redu­ zieren, daß in dem Produkt die Vergrößerung der inneren Flä­ che dominiert und so der Wärmeübergang gegenüber einem im we­ sentlichen rechteckigen freien Querschnitt verbessert wird.

Nach der JP 49-114145 wird demgegenüber mit der gleichen Zielsetzung die innere Fläche des einzelnen Kanals zum einen durch größere Steghöhe und zum anderen durch Ver­ vielfachung der Steganzahl deutlich erhöht, unter der An­ nahme, daß auch diese deutliche Erhöhung der inneren Oberflä­ che gegenüber der hierbei im Vergleich mit der US 3 486 489 wesentlich stärker reduzierten Reynoldszahl dominiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem Flachrohr unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Ein­ wirkungsmöglichkeiten auf den Wärmeübergang einen noch besse­ ren Kompromiß zur Optimierung des Wärmeübergangs im Flachrohr zu finden.

Diese Aufgabe wird bei einem Flachrohr mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch dessen kenn­ zeichnenden Merkmale gelöst.

Unter einem gepreßten Flachrohr wird dabei sowohl ein regulär durch Strangpressen hergestelltes Flachrohr als auch ein Flachrohr verstanden, das in einem Conform-Prozeß durch eine Strangpreßdüse gepreßt ist.

Die Besonderheit des nach der Erfindung gewählten Kompromisses ist darin zu sehen, daß in dem oben genannten Produkt aus innerer Fläche des Flachrohrs und Reynoldszahl nicht nur die innere Fläche vergrößert wird, sondern auch auf die Reynoldszahl und damit die Turbulenz zusätzlich günstig Einfluß genommen wird, womit sogar bei konkreter Realisierung der Erfindung vermieden werden kann, daß die Vergrößerung der inneren Fläche des Flachrohrs zu einer Verkleinerung der Reynoldszahl führt. Es ist sogar möglich, zugleich mit der inneren Fläche auch noch die Reynoldszahl für sich zu erhöhen und damit in bisher nicht bekannter Weise auf beide Faktoren des genannten Produkts zugleich positiv Einfluß zu nehmen.

Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbil­ dungen der Erfindung, wobei Anspruch 2 an den genannten Stand der Technik anknüpft.

Die erfindungsgemäßen gepreßten Flachrohre können in sehr einfacher Weise im Rahmen ihrer üblichen Verarbei­ tungstechnologie gewonnen werden. So ist es üblich, die Flachrohre nach ihrem Pressen als Coil aufzuwickeln und dann vom Coil weiterzuverarbeiten. Beim Weiterverarbeiten vom Coil muß zunächst ein Richtvorgang zur geraden Streckung erfolgen, wobei üblicherweise hierzu ein Rollensatz mit mehreren Rol­ len, z. B. drei bis zehn Rollen, verwendet wird, die abwech­ selnd auf die eine und die andere Flachseite des Flachrohrs einwirken. Die Eindellungen an den Flachrohren, welche zu der Schrägstellung des jeweils an einer Flanke dieser Eindellung angeordneten Stegs führen, können dabei während des Prozesses des Geraderichtens des Flachrohrs unter Verwendung von erha­ benen Werkzeugen, z. B. Stiften mit gerundeten Köpfen, an min­ destens einer Rolle mitgewonnen werden, wobei je eine Rolle pro mit Eindellungen zu versehender Flachseite ausreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati­ scher Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen noch nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines gepreß­ ten Flachrohrs in der Kanalausbildung mit sieben Kanälen;

Fig. 2 und Fig. 2a Querschnitt und Seitenansicht eines Flachrohrs gemäß Fig. 1, aber nur mit drei Kanälen;

Fig. 3 einen vergrößerten Teilquerschnitt durch zwei Kanäle eines Flachrohrs gemäß Fig. 2 und Fig. 2a, bei dem der in der Zeichnungsebene linke Kanal im gepreßten Flachrohr vor dessen Eindellung und der in der Zeich­ nungsebene rechte Kanal im gepreßten Flachrohr nach dessen Eindellung dargestellt ist; sowie

Fig. 4 und Fig. 4a Darstellungen gemäß Fig. 3 in spiegelsymmetrischer Reihenfolge von zwei zu Fig. 2 alterna­ tiven Ausführungsformen.

Das in Fig. 1 dargestellte gepreßte Flachrohr 2 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hat eine Mantelfläche 4 und zwei gegenüberliegende und mindestens im wesentlichen zueinander parallele Flachseiten 6, die an den schmalen Sei­ ten des Flachrohrs jeweils über eine gerunde Stirnwandfläche 8 ineinander übergehen. Es ist dabei nicht ausgeschlossen, daß auch die Flachseiten 6 eine gewisse Wölbung haben. Ebenso können die Stirnseitenflächen 8 anders als gerundet ausgebil­ det sein, z. B. stumpf oder mit einem eckigen oder anders ge­ rundeten Profil.

Innerhalb der Mantelfläche 4 sind sieben Kanäle 12 im Flachrohr angeordnet, die längs der Breite der Flachseite 6 aufeinanderfolgen, an beide Flachseiten 6 anschließen und voneinander jeweils durch einen Quersteg 10 abgeteilt sind, welcher auch die Flachseiten gegeneinander aussteift.

Fig. 2 zeigt eine sonst gleiche Variante im Quer­ schnitt, in welchem innerhalb der Mantelfläche 4 nur drei Ka­ näle 12 anstatt der sieben Kanäle 12 gemäß Fig. 1 angeordnet sind.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und gemäß Fig. 4 geht bei jedem Kanal 12 von einer Basiszone 14 beider Flachseiten 6 je ein Steg 16 aus, wobei sich die beiden Stege 16 im Zustand des gepreßten Profils gemäß Fig. 1, Fig. 2 und linke Darstellung in Fig. 3 mittig mit gegenseitigem Abstand gegenüberliegen und gemäß der rechten Darstellung in Fig. 4 gegenüber der Mittellage beidseitig versetzt sind. Im Falle der rechten Darstellung in Fig. 4a gehen stattdessen von ei­ ner gemeinsamen Basisfläche 10 jeweils zwei nebeneinander mit Abstand angeordnete Stege 16 ab, die wiederum entsprechenden Stegen an der gegenüberliegenden Basisfläche der anderen Flachseite des Flachrohrs gegenüberliegen, und zwar in symme­ trischer Anordnung zur Mitte des betreffenden Kanals 12.

Alle Stege 16 haben in dem geformten Zustand je­ weils eine Steglänge, die kleiner als der halbe Abstand zwi­ schen den gegenüberliegenden Basiszonen 14 ist, so daß das innere Wärmetauschfluid innerhalb der Kanäle 12 jeweils über den ganzen Kanalquerschnitt zusammenhängend fließen kann.

Durch einen Nachbearbeitungsschritt nach dem Pres­ sen ist die Mantelfläche 4 im Bereich der Flachseiten 6 durch lokale Eindellungen 18 in der Weise erfolgt, daß die jewei­ lige Basisfläche des Stegs oder der Stege 16 derart schrägge­ stellt ist, daß der Steg 16 oder eine Mehrzahl der Stege, wie die zwei Stege 16 gemäß Fig. 4a, innerhalb des Kanals 12 schräg zur allgemeinen Erstreckungsrichtung der flachen Wand der Mantelfläche 4 im Bereich der Flachseiten 6 orientiert ist.

Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen gibt es ein Paar sich direkt oder schräg gegenüberliegender Stege 16, die in entgegengesetzter Orientierung ihrer Schrägstel­ lung angeordnet sind. Im Falle von Fig. 4a haben dabei die von derselben Basiszone 14 ausgehenden beiden Stege 16 nach Herstellung der einen Eindellung 18 im Bereich ihrer Basis­ zone 14 jeweils entgegengesetzte Schrägstellung, so daß die an beiden Flachseiten gegenüberliegenden Stege jeweils entge­ gengesetzte Schrägstellung und diagonal gegenüberliegende Stege parallele Schrägstellung haben.

Die jeweilige Schrägstellung ist bei den darge­ stellten Ausführungsbeispielen jeweils nur in den lokalen Be­ reichen der Eindellungen 18 vorhanden und wechselt von Ein­ dellung zu Eindellung längs des Flachrohrs 2 jeweils zwischen zwei im Betrag gleichen maximalen Schrägstellungswinkeln an derselben Flachseite, wie es in den Fig. 3, 4 und 4a jeweils außerhalb der Schnittebene in Phantomzeichnung und/oder An­ sicht dargestellt ist (in Fig. 3 rechts, in Fig. 4 und 4a links).

Die Darstellung in Fig. 3, links, sowie in Fig. 4 und Fig. 4a, jeweils rechts, braucht nicht nur die Bedeutung zu haben, daß der entsprechende gepreßte Querschnitt die ge­ zeigte Querschnittsform hat, die dann durch die Eindellungen gemäß den benachbarten Querschnittsdarstellungen verändert ist. In dem nicht mit Eindellungen versehenen Querschnitt kann gegebenenfalls eine entsprechende Schrägstellung der Stege 16 auch längenversetzt zum benachbarten Kanal erfolgen, so daß die Querschnitte gemäß den Fig. 3, 4 und 4a nur Mo­ mentbilder an einer bestimmten Querschnittsstelle sind, an der jeweils nur ein Kanal mit einer Eindellung erzeugte quer­ gestellte Stege hat, während der jeweils benachbarte Kanal in dieser Querschnittsebene gerade unverformt geblieben ist und wobei dann eine entsprechende Querstellung in einem lokalen Bereich in Längsrichtung des Flachrohrs 2 versetzt erfolgt.

Aus den Fig. 1 und 2a ist zu erkennen, daß vorteil­ haft die Eindellungen in einem regelmäßigen Raster über die jeweilige Flachseite 6 verteilt sind, und zwar vorzugsweise gemäß Fig. 2a im Sinne der jeweils wechselnden Schrägstellung unter Anordnung der jeweiligen Eindellung 18 abwechselnd et­ was links und etwas rechts von dem jeweiligen Quersteg 10 zwischen den Kanälen 12.

Ebenso könnte man die Fig. 3, 4 und 4a in weiterer Variierung der beschriebenen Erfindung so interpretieren, daß überhaupt nur mindestens ein Kanal 12, oder jeder zweite Ka­ nal 12 oder überhaupt nur Kanäle in einer bestimmten Kanal­ folge über die Breite des Flachrohrs, mit Eindellungen 18 und entsprechenden schräggestellten Stegen 16 versehen sind.

Claims (8)

1. Gepreßtes Flachrohr (2) in Mehrkanalausbildung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für Wärmetauscher in Kraftfahrzeugen, bei dem in mindestens einem Kanal (12) min­ destens ein beim Pressen des Flachrohrs integral mitgeformter Steg (16) von einem mittleren Bereich der Innenseite einer flachen Wand (6) des Flachrohrs nach innen ragt, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (14) der flachen Wand (6) des Flachrohrs (2), von der der Steg (16) ausgeht, durch äußere Eindellung (18) derart schräggestellt ist, daß der Steg (16) innerhalb des Kanals (12) schräg zur allgemeinen Erstreckungsrichtung der flachen Wand (16) orientiert ist.

2. Flachrohr nach Anspruch 1, bei dem in dem Kanal von den beiden flachen Wänden (6) des Flachrohrs (2) je ein Steg (16) ausgeht, die insbesondere gegenüberliegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stege (16) mit entgegengesetzter Orientierung ihrer Schrägstellung angeord­ net sind.

3. Flachrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß pro flache Wand (6) des Flachrohrs (2) im Kanal (12) jeweils nur ein Steg (16) vorgesehen ist.

4. Flachrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Kanals (12) die Orientierung der Schrägstellung des jeweiligen Stegs (16) veränderlich ist.

5. Flachrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung der Schrägstellung wechselt, vorzugs­ weise zwischen zwei im Betrag gleichen maximalen Schrägstel­ lungswinkeln.

6. Flachrohr nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Orientierung der Schrägstellung längs des Kanals (12) entsprechend einer wellenförmigen Charakteristik verläuft.

7. Flachrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägstellung des Stegs (16) längs des Kanals (12) nur an einer lokalen Basiszone (14) oder ei­ ner Folge von lokalen Basiszonen vorgesehen ist.

8. Flachrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige von der Eindellung (18) gebildete lokale Basiszone (14) an einem sich im wesentlichen über die ganze Länge des Kanals erstreckenden Steg (16) ausgebildet ist, dessen Orientierung vorzugsweise außerhalb der Eindellung (18) der Formgebung beim Pressen entspricht.