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Die
Erfindung betrifft eine Rippe für einen Wärmeübertrager
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren
zur Herstellung einer Rippe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
11.
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Rippen
für Wärmeübertrager sind in verschiedenen
Ausführungsformen bekannt, sie werden auch als Sekundärflächen
oder sekundäre Wärmeaustauschflächen
bezeichnet, um die Fläche zur Wärmeübertragung
zu vergrößern. Die Rippen bilden mit Rohren des
Wärmeübertragers einen Block, den so genannten
Rippenrohrblock. Man unterscheidet im Wesentlichen ebene Rippen,
durch welche die Rohre hindurchgesteckt werden, und so genannte Wellrippen,
welche zwischen Flachrohren angeordnet sind und mit diesen verlötet
werden. Die Flachrohre werden von einem ersten Medium, z. B. einem Kühlmittel
eines Kühlmittelkreislaufes für eine Brennkraftmaschine
oder von einem Kältemittel eines Kältemittelkreislaufs
einer Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug durchströmt.
Die Sekundärseite, d. h. die Rippen werden von Luft überströmt,
an welche Wärme des die Rohre durchströmenden
Mediums abgegeben wird. Es ist bekannt, insbesondere Wellrippen mit
Kiemen zu versehen, um die luftseitige Wärmeübertragung
zu verbessern. Die Herstellung derartiger Wellrippen mit Kiemen
erfolgt durch Walzen, wobei die Kiemen mittels Schneidesalzen in
das Rippenmaterial eingeschnitten und ausgestellt werden, sodass die
Rippen in den Luftstrom hineinragen. Dies verbessert zwar den Wärmeübergang,
erhöht allerdings den Druckverlust.
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Andererseits
ist bei derartigen Wellrippen von Nachteil, dass die Rippen – aus
Gewichts- und Kostengründen – eine minimale Materialstärke
aufweisen, wodurch deren Stabilität eingeschränkt
wird. Beispielsweise können die Rippen bereits bei ihrer Reinigung
mit einem starken Wasserstrahl verformt werden, sodass ihre Leistungsfähigkeit
reduziert ist.
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Durch
die
EP 1 176 378 A1 wurde
eine Wellrippe für einen Flachrohr-Wärmeübertrager
bekannt, welcher aus zwei Wärmeübertragern, nämlich
einem Kühler und einem Kondensator zu einem Block bzw. Modul
zusammengesetzt ist. Die Wellrippe ist als durchgehende Rippe ausgebildet,
d. h. Kühler und Kondensator weisen eine gemeinsame Rippe
auf, welche aus einer ersten Zone für den Kühler
und einer zweiten Zone für den Kondensator besteht. Beide Zonen
sind durch Öffnungen getrennt, welche die Funktion einer
thermischen Sperre ausüben. Zwischen beiden Zonen bestehen
lediglich minimale Materialbrücken. Die Herstellung der Öffnungen
erfolgt spanlos, wobei zunächst Längsschlitze
in das flache Rippenband eingebracht werden und anschließend eine
Streckung des Materials quer zu den Schlitzen erfolgt. Dadurch werden
die Schlitze, deren Schnittkanten zunächst aneinander anliegen,
auseinander gezogen, sodass die Öffnungen gebildet werden.
Die Wärmeübertragungsfähigkeit der beiden
Rippenzonen für den Kondensator und den Kühler,
insbesondere deren Wärmeübergangszahl wird durch
die thermischen Sperren in Form der Längsöffnungen nicht
beeinflusst, insbesondere nicht verbessert.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rippe für
einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art
im Hinblick auf ihre Herstellkosten und ihre Leistungsfähigkeit
sowie hinsichtlich Stabilität und Korrosionsfestigkeit
zu verbessern. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes
Verfahren zur kostengünstigen Herstellung einer Rippe mit
hoher Leistungsfähigkeit, d. h. einem guten Wärmeübergang
und hoher Stabilität bereitzustellen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Rippe als Streckmetall ausgebildet ist. Der Begriff „Streckmetall"
ist in der Fachliteratur bekannt: Es handelt sich dabei um einen
vorzugsweise metallischen, in Blechform vorlie genden Werkstoff mit Öffnungen
in der Oberfläche. Die Öffnungen entstehen durch
Einschneiden des Materials ohne Materialverlust und anschließendes
oder gleichzeitiges Strecken des Materials. Dadurch entstehen aus
den Schnitten Öffnungen, die z. B. rautenförmig
ausgebildet sind, sodass sich gitterförmige Tafeln oder
Bänder ergeben. Das Schneiden und gleichzeitige Strecken
des Materials bringt eine Steigerung der Festigkeit durch Kaltverfestigung
mit sich. Die Schnittkanten der Öffnungen sind scharf ausgebildet.
Erfindungsgemäß weist die Rippe eine solche Streckmetallstruktur
auf. Die Oberfläche der erfindungsgemäßen
Rippe kann glatt oder strukturiert, z. B. mit erhabenen Schnittkanten ausgebildet
sein. Durch diese Streckmetallstruktur ergibt sich ein sehr guter
Wärmeübergang, da die die Rippe umspülende
Strömung durch die scharfen Kanten ständig neu
aufgebrochen wird, was den Wärmeübergang erhöht.
Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil einer erhöhten
Rippenstabilität, da das Rippenmaterial durch den Streckprozess
kalt verfestigt ist.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Rippe als
Wellrippe ausgebildet, d. h. sie wird aus einem flachen Bandmaterial
hergestellt, in welches die Streckmetallstruktur eingebracht wird.
Vorteilhaft kann die Wellrippe zwischen Flachrohren des Wärmeübertragers
und/oder innerhalb der Flachrohre – als Turbulenzerzeuger – angeordnet sein.
Die Wellrippe kann eine U- oder V-Form oder Sinuswellenform aufweisen,
wobei die Streckmetallstruktur Wellenflanken mit scharfkantigen Öffnungen ergibt.
Beispielsweise können die Öffnungen rautenförmig
ausgebildet sein, wobei die Rautenkanten Störkanten in
der Luftströmung bilden und damit den Wärmeübergang
erhöhen. Wie bereits oben erwähnt, können
die Rippenflächen im Wesentlichen glatt ausgebildet sein,
d. h. mit einem minimalen Druckabfall, oder ausgestellte Schnittkanten
aufweisen, wodurch sich ein höherer Wärmeübergang
bei ansteigendem Druckabfall ergibt. Die rautenförmigen Öffnungen können
sich beispielsweise über die gesamte Rippenhöhe
(Amplitude der Wellen) erstrecken. Damit werden im Bereich der Wellenberge
der Wellrippe Kontaktflächen, insbesondere Lötflächen
für benachbarte Fischrohre geschaffen, durch welche ein
guter Wärmdurchgang vom Rohr zur Rippe gewährleistet ist.
Durch die schräg zur Luftströmung angeordneten Rautenkanten
ergibt sich als weiterer Vorteil ein Ablenkeffekt für die
Luft strömung, welche in Richtung auf benachbarte Rohrwandungen
abgelenkt wird. Dies führt zu einer verbesserten Durchspülung
des Rippenfußes und verbessert den Wärmeübergang.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Merkmale des Verfahrensanspruches
10 gelöst. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Rippe wird als Ausgangsmaterial ein glattes Blechband mit einer Ausgangsbreite
b0 verwendet, welches einer geeigneten Vorrichtung
kontinuierlich zugeführt wird. Dann werden in das glatte
Band Längsschnitte nach einem vorgegebenen Muster eingebracht,
d. h. ohne Erzeugung von Materialabfall. Anschließend oder
gleichzeitig wird das Blechband einem Streckprozess unterworfen,
wobei die Materialdicke des Bandes gleich bleibt bzw. leicht reduziert
und die Breite erhöht wird, und zwar auf eine Bandbreite
b1, die größer als die anfängliche
Bandbreite b0 ist. Die Bandbreite b1 entspricht dem Fertigmaß der Wellrippe
für den Wärmeübertrager, auch Tiefenmaß genannt.
Durch den Streckprozess werden aus den Längsschnitten Öffnungen
im Band erzeugt, welche infolge des vorangegangenen Schneidprozesses
scharfkantige Konturen aufweisen. Im Anschluss daran kann – wie
aus dem Stand der Technik bekannt – die Wellung der Rippe
vorgenommen werden. Die Wellrippe kann – wie oben ausgeführt – eine
glatte oder auch eine strukturierte Oberfläche, d. h. mit
ausgestellten Kanten aufweisen, was durch nachfolgende Verfahrensschritte
machbar ist. Auch hier erfolgt durch den Streckprozess (auch „Kaltrecken"
genannt) eine Verfestigung des Rippenmaterials und damit eine Erhöhung
der Formstabilität der Rippe. Da die anfängliche Rippenbreite,
d. h. die Bandbreite b0 des Ausgangsmaterials
geringer ist als das Endmaß bzw. Tiefenmaß der
Rippe, kann eine Gewichtsersparnis erzielt werden – im
Vergleich zu einer Rippe bzw. einem Band, das bei gleicher Materialdicke
die Breite b1 besitzt. Das Verfahren ist
kostengünstig, da keine aufwändigen Rippenwalzen
zum Einschneiden und Ausformen der Kiemen erforderlich sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es
zeigen
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1 eine
erste perspektivische Darstellung einer Wellrippe mit Streckmetallstruktur
und
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2 eine
zweite perspektivische Darstellung der Wellrippe.
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1 und 2 zeigen
in unterschiedlichen perspektivischen Darstellungen eine erfindungsgemäße
Wellrippe 1 mit Streckmetallstruktur. Die Wellrippe 1 kann
vorzugsweise für Flachrohr-Wärmeübertrager
(nicht dargestellt) verwendet werden, indem sie zwischen nicht dargestellten
Flachrohren angeordnet und vorzugsweise mit diesen verlötet
wird. Die Wellrippe 1 weist – was insbesondere
in 2 deutlich erkennbar ist – eine U-förmige
Wellung auf, d. h. die Wellung wird durch zwei etwa parallel zueinander
angeordnete Schenkel 2a, 2b und einen die Schenkel 2a, 2b verbindenden
Bogen 2c gebildet. Die Wellrippe 1 wird in Richtung
eines Pfeils L von Luft angeströmt. Diese Richtung wird
auch als Tiefenrichtung bezeichnet, in welcher die Wellrippe 1 eine
Breite b1 auch Tiefenmaß genannt,
aufweist. Die Höhe der Wellrippe 1 (entsprechend
der Amplitude der Wellung) ist mit h gekennzeichnet. Erfindungsgemäß ist
die Wellrippe 1 mit rautenförmigen Öffnungen 3 durchsetzt,
welche in Tiefenrichtung hintereinander auf den U-Schenkeln 2a, 2b angeordnet
sind und sich nahezu über die gesamte Höhe h der
Rippe 1 erstrecken. Die Öffnungen 3 werden
durch X-förmig angeordnete Stege 4 aus Rippenmaterial
getrennt. Die Streckmetallstruktur ist somit durch rautenförmige Öffnungen 3 und
scharfkantige Stege 4 gekennzeichnet. Die Herstellung der
Streckmetallstruktur erfolgt durch abfallloses Schneiden und Strecken
des Rippenmaterials. Die scharfkantigen Stege 4 bilden
gegenüber der Luftströmung L Störkanten,
welche die Strömung aufreißen, eine Turbulenzbildung
bewirken und somit den Wärmeübergang auf der Luftseite
erhöhen, ohne einen zu hohen Druckabfall zu erzeugen. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel sind die U-Schenkel 2a, 2b im
Wesentlichen eben ausgebildet – möglich ist jedoch
auch, die Stege 4 derart aus der Rippenebene herauszustellen,
dass sie in den Luftstrom hineinragen und damit eine noch stärke Verwirbelung
erzeugen. Die Wellrippe 1 ist im Bereich ihrer Rippenbögen 2c (Wellentäler,
Wellenberge) mit nicht dargestellten Flachrohren des Wärmeübertragers
verbunden. Möglich wäre jedoch auch, die Wellrippe 1 als
so genannte Turbulenzeinlage bei Plattenwärmeübertragern
zu verwenden. Weiterhin kann die Streckmetallrippe innerhalb von
Rohren, insbesondere Flach rohren als Turbulenzeinlage angeordnet
werden, wodurch der innere Wärmeübergang verbessert
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren läuft im Wesentlichen
so ab, dass zunächst ein glattes Metallband (Halbzeug von
einem Coil) mit einer Breite b0 als Ausgangsmaterial
bereitgestellt wird. Die Breite b0 ist kleiner
als das oben erwähnte fertige Tiefenmaß b1. Das Glattband wird einer nicht dargestellten
Vorrichtung zur Herstellung der Wellrippe kontinuierlich zugeführt
und mit Längsschnitten versehen, wobei das Material nur
geschert und kein Abfall erzeugt wird. Gleichzeitig mit dem Schneidprozess
wird das Bandmaterial gestreckt, wodurch seine Materialdicke gleich
bleibt bzw. leicht reduziert wird und sich seine Breite auf das
Fertigmaß b1 erhöht. Durch
das „Auseinanderziehen" des Rippenbandes entstehen die
in 1 dargestellten rautenförmigen Öffnungen 3.
Anschließend wird das Material gewellt, was mittels bekannter
Vorrichtungen (Rippenwalzen) erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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