DE102008015064A1

DE102008015064A1 - Turbulenzeinsatz und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102008015064A1
Application number: DE102008015064A
Authority: DE
Inventors: Franco Ghiani
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Turbulenzeinsatz, insbesondere für den Einsatz in einem Wärmetauscher von Kraftfahrzeugen, zur verbesserten Verwirbelung von durchtretenden Strömen unter Verwendung von entsprechend angeordneten und gestalteten Einprägungen. Die Einprägungen lenken den Medienstrom entlang der Hauptströmungsrichtung abwechselnd nach oben und nach unten ab. Der Turbulenzeinsatz besteht aus einem durch einen Umformvorgang gebildeten Blechkörper, welcher eine Vielzahl von sich in einer Hauptströmungsrichtung und im Wesentlichen in einer Querrichtung nebeneinander angeordnete, von einer Unterseite zu einer Oberseite sich erstreckende Strömungskanäle aufweist, die mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnitten ausgestaltet sind, wobei benachbarte Strömungskanäle eine gemeinsame, im Wesentlichen senkrecht zu dieser Querrichtung ausgerichtete gemeinsame Seitenwand aufweisen, an die sich jeweils oben und unten eine die Oberseite und die Unterseite bildende Verbindungswand anschließt, wobei die Verbindungswand so angeordnet ist, dass sie im Wesentlichen in dieser Hauptströmungsrichtung wellenförmig verläuft, wobei die Seitenwände Einprägungen aufweisen, die von einer Seitenfläche begrenzt ist, die in einem Winkel zur Hauptströmungsrichtung geneigt verläuft, wobei die Breite der Einprägung in Querrichtung im Wesentlichen bis zu einer maximalen Breite zunimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbulenzeinsatz, insbesondere für Wärmetauscher, wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Turbulenzeinsatzes.
Es sind Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge, insbesondere Ladeluftkühler, bekannt, welche eine Vielzahl von flachen Rohren (im Folgenden als Flachrohre bezeichnet) umfassen, welche mit dazwischen liegenden lamellenartigen Weltrippen nebeneinander angeordnet sind. Im Inneren eines Flachrohrs befindet sich ein Turbulenzeinsatz, welcher die durchströmende Luft in einer Hauptströmungsrichtung durch das Flachrohr bis zu einem Auslassbereich des Flachrohres führt. Je nach Bauart kann der Wärmeaustausch zwischen der zu kühlenden Luft und einem Kältemittel beispielsweise im Kreuzstrom oder im Gegenstrom erfolgen.
Insbesondere bei Ladeluftkühlern ist es vorteilhaft, wenn die Ladeluft beim Durchströmen des Turbulenzeinsatzes möglichst viel Wärme an den Turbulenzeinsatz und über die Verbindungsbereiche des Turbulenzeinsatzes mit den Flachrohren an das Flachrohr überträgt. Bei Ladeluftkühlern mit Turbulenzeinsätzen nach dem Stand der Technik ist jedoch eine heiße Kernströmung im Inneren des Ladeluftstroms vorhanden. Dadurch wird die theoretisch maximale Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers nicht komplett ausgenutzt. Deshalb muss der Wärmetauscher in seiner Kühlleistung und in Folge dessen in seinen Dimensionen größer als theoretisch notwendig ausgelegt werden, damit die gewünschte Abkühlung der Ladeluft erzielt werden kann.
Um den Wärmeaustausch zu verbessern, ist aus der DE 101 02 088 A1 ein Ladeluftkühler mit Innenrippenelementen bekannt, welcher eine Verwirbelung der durchtretenden Luft durch eine in Längsrichtung bereichsweise versetzte Anordnung von Reihen erzielt. In einer weiteren Ausführungsform kommt es aufgrund der Verwendung von Winglets an Stegen der Reihen ebenfalls zu einer Verwirbelung der durchtretenden Luft. Die Stege weisen dabei abschnittsweise Durchtrittsöffnungen an Rampen auf. Diese Durchtrittsöffnungen sind entlang der Höhe der Stege nur einmal ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Turbulenzeinsatz zur Verfügung zu stellen, bei dem der Wärmeaustausch verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Turbulenzeinsatz gemäß Anspruch 1 gelöst. Anspruch 17 betrifft einen Wärmetauscher mit einem solchen Turbulenzeinsatz, Anspruch 25 stellt das Verfahren zur Herstellung eines solchen Turbulenzeinsatzes unter Schutz, Anspruch 21 ein Werkzeug hierfür. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Turbulenzeinsatz, welcher insbesondere in in Kraftfahrzeugen verwendeten Wärmetauschern eingesetzt werden kann, umfasst einem durch einen Umformvorgang gebildeten Körper, welcher eine Vielzahl von sich in einer Hauptströmungsrichtung erstreckenden und im Wesentlichen in einer Querrichtung nebeneinander oder versetzt angeordneten, von einer Unterseite zu einer Oberseite sich erstreckenden Strömungskanälen, die mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnitten ausgestaltet sind, aufweist. Benachbarte Strömungskanäle weisen eine gemeinsame, im Wesentlichen senkrecht zu dieser Querrichtung ausgerichtete gemeinsame Seitenwand auf, an die sich jeweils oben und unten eine die Oberseite bzw. die Unterseite bildende Verbindungswand anschließt. Die Verbindungswand ist so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen in dieser Hauptströmungsrichtung wellenförmig verläuft. Die Seitenwände weisen Einprägungen auf, die jeweils von einer Seitenfläche begrenzt sind, welche in einem Winkel zur Hauptströmungsrichtung geneigt verläuft, wobei die Breite der Einprägung in Querrichtung im Wesentlichen bis zu einer maximalen Breite zunimmt.
Mit einem erfindungsgemäßen Turbulenzeinsatz kann eine verbesserte Wärmeübertragung von dem ihn durchströmenden Medium über die Flachrohre erzielt werden, da in dem ihn durchströmenden Medium ein höherer Turbulenzgrad erzielt wird. Mit besonderem Vorteil wird ein erfindungsgemäßer Turbulenzeinsatz daher zur Kühlung eines gasförmigen Mediums, beispielsweise von Ladeluft in einem Ladeluftkühler eingesetzt. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung daher am Beispiel eines solchen Ladeluftkühlers erläutert, sie ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Vorteilhafterweise kann die Temperatur der Ladeluft im Austrittsbereich eines solchen Ladeluftkühlers zusätzlich verringert werden, wobei sich in Folge dessen die Leistung einer von diesem bedienten Brennkraftmaschine erhöht.
Ein Strömungskanal weist eine Längsrichtung auf, die bevorzugt mit der Hauptströmungsrichtung der durchtretenden Luft identisch ist. Der Strömungskanal ist vorzugsweise in Gestalt eines im Wesentlichen rechteckigen Querschnitts ausgebildet, es sind aber auch davon abweichende Querschnittsformen möglich. Die Längsachse des Strömungskanals kann gerade oder gekrümmt verlaufen. Die Breite eines Strömungskanals liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 mm und 10 mm, vorzugsweise bei 3 mm. Der Übergangsbereich zwischen einer, vorzugsweise im Wesentlichen vertikal verlaufenden, Seitenwand und einer Verbindungswand kann einen Radius aufweisen oder auch beispielsweise mit einer konvexen oder einer stetig gekrümmten Gestalt ausgebildet sein.
Der Turbulenzeinsatz umfasst bevorzugt einen Körper, der aus einer Metalllegierung, insbesondere einer Aluminium enthaltenden Legierung, ist. Er kann beispielsweise aus einem Band hergestellt werden, das aus einem einzelnen Flachband oder gleichermaßen aus einem gewalzten Band, welches zu einem Coil aufgewickelt ist, bestehen kann. Die Ausgangsdicke des eingesetzten Werkstoffs ist dabei bevorzugt über die Länge und/oder Breite des Bandes konstant, sie kann aber auch über die Länge und/oder Breite des Bandes lokal unterschiedlich sein. In einer alternativen Ausführungsform kann der Körper des Turbulenzeinsatzes auch aus Kunststoff gefertigt sein.
Der Turbulenzeinsatz ist vorzugsweise in den Flachrohren formschlüssig fixiert. Er kann zusätzlich oder alternativ mit Hilfe von Fügetechniken wie Löten, Kleben, Falzen und Schweißen mit den angrenzenden Flachrohren verbunden sein.
Vorteilhafterweise wird im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Turbulenzeinsatzes von der Ladeluft beaufschlagt, wodurch die Wärmeübertragung an die Umgebungsluft über die Verbindungsbereiche mit den Flachrohren verbessert wird. Zusätzlich kann die Ladeluft bis zum Austritt aus dem Flachrohr oftmals verwirbelt werden, was vorteilhaft dazu führt, dass die Grenzschichtströmung gezielt aufgebrochen und durchmischt wird. Zusätzlich kann sich die Verweildauer der Ladeluft in den Flachrohren erhöhen. Die Temperatur der Kernströmung wird dabei ebenfalls vorteilhaft verringert. Je öfter diese Verwirbelungen auftreten, desto geringer wird die Temperatur der Ladeluft beim Verlassen des Ladeluftkühlers.
Die Breite der Einprägungen nimmt bevorzugt kontinuierlich bis zu einer maximalen Breite zu, kann sich aber auch diskontinuierlich verändern. Dadurch kann die Strömungsführung an unterschiedliche Leistungsanforderungen eines Wärmetauschers angepasst werden.
Bevorzugt sind jeweils zwei Einprägungen aufeinander zulaufend ausgebildet, so dass ein Verbindungsabschnitt, bevorzugt im Bereich ihrer maximalen Breite, zwischen diesen Einprägungen ausgebildet ist. Dieser Verbindungsabschnitt kann als Rippe ausgestaltet sein. In dieser Rippe ist, bevorzugt im Bereich dieser maximalen Breite, jeweils eine Strömungsdurchtrittsöffnung zum benachbarten Strömungskanal ausgebildet. Die Strömungsdurchtrittsöffnung kann beispielsweise rechteckig ausgebildet sein, aber auch eine davon abweichende Gestalt, wie zum Beispiel die Gestalt eines Viertelkreises aufweisen. Vorzugsweise weist die Strömungsdurchtrittsöffnung einen hydraulischen Durchmesser im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm auf. Beim Durchströmen der Strömungsdurchtrittsöffnung wechselt die Ladeluft ihre Richtung und wird gegenüber der Hauptströmungsrichtung, vorzugsweise abwechselnd nach oben oder nach unten, abgelenkt. Damit bilden sich lokale Wirbel, welche die heiße Kernströmung aufbrechen. Dadurch wird der Wärmeaustausches bei gleicher Anzahl von Flachrohren in einem Wärmetauscher weiter verbessert. Umgekehrt ist es bei einem Wärmetauscher mit einer Turbulenzeinlage gemäß der vorliegenden Erfindung auch möglich, für eine gewünschte Temperaturänderung des Mediums die Anzahl der Flachrohre zu reduzieren und damit die Größe des Wärmetauschers, insbesondere dessen Gewicht zu verringern.
Vorteilhafterweise bewirkt die Luftführung in Hauptströmungsrichtung einen geringeren Druckabfall der durchströmenden Ladeluft zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich des Ladeluftkühlers, wodurch gegenüber einem Ladeluftkühler mit Turbulenzeinsätzen nach dem Stand der Technik ein Verdichter mit geringerer Leistung verwendet werden kann.
Die Verbindungswände des Blechkörpers sind bevorzugt im Wesentlichen eben, können aber auch in Hauptströmungsrichtung und/oder quer zur Hauptströmungsrichtung eine gekrümmte Gestalt, insbesondere eine konvexe, gewölbte oder eine andere, stetig gekrümmte Gestalt aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strömungskanäle zwischen drei aufeinander folgenden Rippen symmetrisch zur mittleren Rippe gestaltet. Alternativ kann auch eine Gestaltung unsymmetrisch zur mittleren Rippe gewählt werden.
Die Einprägungen eines Strömungskanals im Körper werden bevorzugt durch Verformen der Seitenwand und/oder der zugehörigen Verbindungswand hergestellt. Beim Verformen wird eine Seitenfläche ausgebildet, welche gegenüber der durch die Oberseite gebildete Ebene bevorzugt im Bereich zwischen 10° und 45°, besonders bevorzugt zwischen 15° und 25° geneigt ist. Die Seitenflächen erstrecken sich von der Oberseite des Körpers in den Strömungskanal bis zu einer maximalen Tiefe hinein. Die so gebildeten Seitenflächen lenken den Luftstrom um, wobei die glatte Oberfläche der Seitenfläche eine druckverlustarme Strömungsführung entlang des Strömungskanals begünstigt.
Der erfindungsgemäße Turbulenzeinsatz umfasst einen Körper aus Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus einer Aluminium enthaltenden Legierung, der als ein einstückiges Bauteil ausgebildet sein kann. In einer alternativen Ausführungsform kann auch ein Körper aus einem Kunststoffmaterial eingesetzt werden. Der Wegfall von Fügeoperationen fährt zu einer kostengünstigen und schnellen Produktion des Turbulenzbleches, die Anzahl der erforderlichen Werkzeuge verringert sich. Durch den Wegfall einer Fügeoperation im Anschlussbereich zweier Blechkörper wird eine Unterbrechung des strömungsgünstigen Profils an den Fügestellen und somit eine Verringerung der Leistung des Wärmetauscher vermieden.
Ein Werkzeug zur Herstellung eines Turbulenzeinsatzes nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens zwei in einer Förderrichtung hintereinander angeordnete Stationen. Die Werkzeuge einer ersten der beiden Stationen wirken derart, dass in der Förderrichtung Kanäle in dem Band ausgebildet werden; die Werkzeuge einer zweiten von den beiden Stationen wirken derart, dass Einprägungen in den Kanälen des Bandes ausgebildet werden.
In einer Ausführungsform umfasst jede der beiden Stationen mehrere, bevorzugt zwei Rollwerkzeuge, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Rollwerkzeuge eines Paares sind in Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung und Querrichtung des herzustellenden Turbulenzeinsatzes um eine Blechdicke beabstandet.
Zur Herstellung eines Turbulenzeinsatzes wird nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ein Flachband nacheinander zwischen den Rollwerkzeugen der beiden Rollstationen des vorstehend beschriebenen Werkzeuges durchgeführt und dabei plastisch umgeformt. Die Rollwerkzeuge der ersten Rollstation weisen hierzu auf ihrer Oberfläche Strukturen auf, welche beim Zusammenwirken der Rollwerkzeuge in dem Band benachbarte Strömungskanäle mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt ausbilden. Anschließend wird das Band in Förderrichtung der zweiten Rollstation zugeführt. Deren Rollwerkzeuge bilden in den Strömungskanälen die Einprägungen aus. Hierzu trennen Schneidkanten der Rollwerkzeuge Seitenwände und daran anschließende Verwindungswände, ausgehend von dem Verbindungsbereich entlang der jeweiligen Wände auf vorgegebener Länge. Anschließend formen Stempel auf dem Umfang der Rollwerkzeuge die Verbindungsbereiche zwischen Seiten- und Verbindungswänden zu den Einprägungen aus.
Nach einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann ein Turbulenzeinsatz, wie er vorstehend beschrieben wurde, kostengünstig und/oder in einer kurzen Herstellungszeit erzeugt werden. Durch die sukzessive Ausbildung von Kanälen in einem ersten Schritt und der Einprägungen in einem anschließenden zweiten Schritt können das Material schonend und homogen umgeformt und so große Spannungsgradienten vermieden werden. Dies reduziert vorteilhaft die Gefahr eines Reißens und erhöht damit die Fertigungsqualität.
Neben den oben genannten Rollwerkzeugen, durch welche das zwischen ihnen hindurch geführte Flachband plastisch verformt wird, besteht auch die Möglichkeit, das Material plastisch zu strecken oder das Material so zu verschieben, dass die Materialdicke gleich bleibt. Die mindestens zwei Stationen zur Herstellungen eines Turbulenzeinsatzes können anstelle der Rollwerkzeuge auch Werkzeuge zum Querwalzen oder Stanzen des hindurch geführten Flachbandes aufweisen.
Selbstverständlich sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Turbulenzeinsätze vorstellbar, die eine Kombination aus mehreren der beschriebenen Formen bzw. Charakteristika enthalten.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1 eine perspektivische Ansicht eines Turbulenzeinsatzes nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung,
2 eine perspektivische Ansicht von oben des Turbulenzeinsatzes gemäß 1,
3 eine Schnittansicht des Turbulenzeinsatzes gemäß 2 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung,
4 eine perspektivische Ansicht eines Turbulenzeinsatzes nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung,
5 eine perspektivische Teilschnittansicht von einem Rippenrohrblock, welcher einen Turbulenzeinsatz nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst,
6 eine perspektivische Ansicht von der Seite eines Turbulenzeinsatzes nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung,
7A, 7B, 7C Varianten von Einprägungen,
8 eine perspektivische Ansicht von hinten eines Werkzeugs für ein Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung,
9 das Werkzeug gemäß 8 in perspektivischer Ansicht von vorne.
1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Turbulenzeinsatz 20 nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der entlang der Höhe einer Seitenwand 30, 35 eines Strömungskanals Einprägungen 101, 102, 103, 104 aufweist, welche in Hauptströmungsrichtung 40 versetzt angeordnet sind. Die Seitenwand 30, 35 setzt sich in einer oberen bzw. unteren Verbindungswand 41, 39 des Blechkörpers fort, die jeweils eben ausgebildet ist. Die Verbindungswände 41, 39 sind so ausgebildet, dass sie in der Ebene der Hauptströmungsrichtung 40 und der Querrichtung im Wesentlichen eine wellenförmige Kontur aufweisen (2). Der Übergangsbereich zwischen den im Wesentlichen vertikalen Seitenwänden 30, 35 und den Verbindungswänden 41, 39 weist die Gestalt eines Radius auf.
Der Turbulenzeinsatz 20 ist ein einstückiger Körper bzw. Blechkörper, der aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Kunststoffmaterial hergestellt ist. Der Körper weist auf einer Ober- und einer Unterseite im Wesentlichen eine identische Struktur auf.
Von der Verbindungswand 41, 39 erstreckt sich jeweils eine Einprägung 101, 102, 103, 104 in den Strömungskanal, die beispielsweise um 20° zur Ebene der Hauptströmungsrichtung 40 und der Querrichtung geneigt ist. Jeweils zwei in Hauptströmungsrichtung 40 hintereinander liegende Einprägungen einer Seitenwand sind aufeinander zulaufend derart ausgebildet, dass ein Verbindungsabschnitt im Bereich ihrer maximalen Breite von 1 mm ausgebildet ist, wobei dieser Verbindungsabschnitt als Rippe 50, 51, 52, 53 ausgestaltet ist. In jeder Rippe ist im Bereich der maximalen Breite der Einprägung jeweils eine Strömungsdurchtrittsöffnung 42 zum benachbarten Strömungskanal ausgebildet. Die Gestalt der Strömungsdurchtrittsöffnung 42 ist rechteckig.
Eine Seitenfläche 38, die eine Einprägung 101, 102, 103, 104 begrenzt, ist im Wesentlichen dreieckig, wobei eine erste Dreiecksseite im Wesentlichen parallel zur angrenzenden Verbindungswand 41, 39, eine zweite Dreiecksseite im Wesentlichen senkrecht hierzu parallel zur Seitenwand 30, 35 und eine dritte Dreieckseite um beispielsweise 20° gegenüber der oben genannten Ebene geneigt ist.
In einer Ausführungsform beträgt die Breite eines Strömungskanals 3 mm, die Höhe einer Seitenwand 7 mm.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung angegebenen Zahlenwerte für die Maße der verschiedenen Elemente des Turbulenzeinsatzes nur beispielhaft sind und die Erfindung nicht auf diese speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll.
3 zeigt eine Schnittansicht des Turbulenzeinsatzes gemäß 2 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung mit den im Wesentlich vertikalen Seitenwänden 30, 35 von benachbarten Strömungskanälen. Ein oberer Bereich 36 eines Strömungskanals weist in den einander gegenüber liegenden Seitenwänden 30, 35 Einprägungen 31, 32 auf, welche in Hauptströmungsrichtung 40 hintereinander versetzt, vorzugsweise mit einem Abstand im Bereich von 1 mm bis 250 mm angeordnet sind. In einem benachbarten Strömungskanal sind in analoger Weise in den einander gegenüber liegenden Seitenwänden 30, 35 in einem unteren Bereich 37 Einprägungen 33, 34 ausgebildet, welche ebenfalls in Hauptströmungsrichtung 40 hintereinander versetzt angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind also die Einprägungen im Wesentlichen tetraederförmig, wobei die dreieckige Seitenfläche 38 eine erste Seite des Tetraeders, die Strömungsdurchtrittsöffnung 42 eine zweite Seite des Tetraeders und eine im Wesentlichen dreieckige Aussparung in der Verbindungswand 41, 39 eine dritte Seite des Tetraeders bildet.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Turbulenzeinsatzes nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, bei dem gegenüber der oben stehend beschriebenen Turbulenzeinsatz im Wesentlichen nur die Gestalt der Einprägungen 101, 102, 103, 104 unterschiedlich ist. Hier weist die zweite Seite des Tetraeders mit der Strömungsdurchtrittsöffnung 42 eine konvexe Gestalt auf.
5 zeigt in einer perspektivischen Teilschnittansicht einen Rippenrohrblock, mit einem Flachrohr 10, in dem ein Turbulenzeinsatz 20 nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung aufgenommen ist.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht von der Seite eines Turbulenzeinsatzes nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Entlang der Hauptströmungsrichtung weist eine Seitenwand 30, 35 zwischen benachbarten Strömungskanälen jeweils Einprägungen auf. Die Gestalt der Einprägung ist im Wesentlichen hexaederförmig.
7A bis 7C zeigen verschiedene Ausgestaltungen von Einprägungen, wie sie bei einem Turbulenzeinsatz gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sein können. Dabei können in einer Turbulenzeinlage auch Einprägungen verschiedener Ausgestaltungen vorgesehen sein, was vorteilhaft zu einem besonders starken Turbulenzgrad führt.
8, 9 zeigen in perspektivischer Ansicht ein Werkzeug für ein Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer ersten Rollstationen 81 und einer zweiten Rollstation 82. Jede Rollstation umfasst jeweils ein Paar von einander gegenüber liegenden Rollwerkzeugen 72, 73 bzw. 74, 75. Die Rollwerkzeuge eines Paares sind in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung und Querrichtung des herzustellenden Turbulenzeinsatzes um eine Blechdicke beabstandet. Die Rollwerkzeuge 72, 73, 74, 75 sind um feste, zueinander vorzugsweise parallele Achsen 70, 71, 76, 77 drehbar gelagert.
Zur Herstellung eines Turbulenzeinsatzes wird ein Flachband nacheinander zwischen den beiden Rollwerkzeugen der beiden Rollstationen durchgeführt und dabei plastisch umgeformt. Die Rollwerkzeuge 72, 73 der ersten Rollstation 81 weisen auf ihrer Oberfläche jeweils Strukturen auf, welche beim Zusammenwirken der Rollwerkzeuge 72, 73 in dem Band benachbarte Strömungskanäle mit rechteckigem Querschnitt ausbilden. Anschließend wird das Band in Förderrichtung 80 der zweiten Rollstation 82 zugeführt. Deren Rollwerkzeuge 74, 75 bilden in den Strömungskanälen die Einprägungen aus. Hierzu trennen Schneidkanten der Rollwerkzeuge Seitenwände und daran anschließende Verbindungswände, ausgehend von deren Verbindungsbereich, entlang der jeweiligen Wände auf vorgegebener Länge. Anschließend formen Stempel diese Ver bindungsbereiche zwischen Seiten- und Verbindungswänden zu den Einprägungen aus.
Die oben beschriebene plastische Verformung des Bandes durch die Werkzeuge in den beiden Stationen 81, 82 kann entweder mit Materialstreckung oder ohne Materialstreckung erfolgen. Außerdem ist es auch möglich, die Kanäle und die Einprägungen durch Querwalzen oder Stanzen auszubilden.
Ferner werden die so hergestellten Turbulenzeinsätze üblicherweise in flachen Rohren angeordnet. Alternativ ist es aber auch möglich, die Turbulenzeinsätze mit einer Ummantelung zu versehen und so einen Turbulenzeinsatz mit einer integrierten Rohrkonstruktion zu fertigen. Ein solcher Turbulenzeinsatz mit integrierter Rohrkonstruktion kann zum Beispiel in Längsrichtung gewalzt werden oder in einer kombinierten Falz- und Walz/Stanz-Vorrichtung hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10102088 A1 [0004]

Claims

Turbulenzeinsatz, insbesondere für in Kraftfahrzeugen verwendete Wärmetauscher, bestehend aus einem durch einen Umformvorgang gebildeten Körper, welcher eine Vielzahl von sich in einer Hauptströmungsrichtung (40) erstreckenden und im Wesentlichen in einer Querrichtung nebeneinander oder versetzt angeordneten, von einer Unterseite zu einer Oberseite sich erstreckende Strömungskanälen aufweist, die mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnitten ausgestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Strömungskanäle eine im Wesentlichen senkrecht zu dieser Querrichtung ausgerichtete gemeinsame Seitenwand (30, 35) aufweisen, an die sich jeweils oben und unten eine die Oberseite und die Unterseite bildende Verbindungswand (39, 41) anschließt, wobei die Verbindungswand (39, 41) so angeordnet ist, dass sie im Wesentlichen in dieser Hauptströmungsrichtung (40) wellenförmig verläuft, wobei die Seitenwände (30, 35) Einprägungen (100, 101, 102, 103, 104) aufweisen, die von einer Seitenfläche (38) begrenzt sind, die in einem Winkel zur Hauptströmungsrichtung (40) geneigt verläuft, wobei die Breite der Einprägungen (100, 101, 102, 103, 104) in Querrichtung im Wesentlichen bis zu einer maximalen Breite zunimmt.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Einprägung kontinuierlich zunimmt.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Breite der Einprägung in einem Bereich zwischen 25% und 75%, vorzugsweise bis 50% der Querschnittsbreite des Strömungskanals liegt.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Einprägungen aufeinander zulaufend ausgebildet sind, so dass ein Verbindungsabschnitt im Bereich ihrer maximalen Breite ausgebildet ist, wobei dieser Verbindungsabschnitt als Rippe (50, 51, 52, 53) gestaltet ist, welche im Bereich dieser maximalen Breite jeweils eine Strömungsdurchtrittsöffnung (42) zum benachbarten Strömungskanal ausbildet.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Einprägung von der Oberseite des Blechkörpers in den Strömungskanal erstreckt, wobei diese gegenüber der durch die Oberseite gebildeten Ebene geneigt ist.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Einprägung von der Unterseite des Blechkörpers aus dem Strömungskanal heraus erstreckt, wobei diese gegenüber der durch die Unterseite gebildeten Ebene geneigt ist.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswände (41, 39) des Körpers im Wesentlichen eben sind.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswände (41, 39) des Körpers im Wesentlichen in Haupt strömungsrichtung (40) und/oder quer zur Hauptströmungsrichtung (40) verlaufend eine gekrümmte Gestalt, insbesondere eine konvexe, gewölbte oder eine andere, stetig gekrümmte Gestalt aufweisen.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Strömungskanäle wechselseitig zur Oberseite und zur Unterseite hin geöffnet sind.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestaltung der zur Oberseite geöffneten Strömungskanäle und der sich zur Oberseite öffnenden Strömungskanäle und der sich zur Unterseite öffnenden Strömungskanäle im Wesentlichen identisch ist.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle zwischen drei aufeinander folgenden Rippen symmetrisch zur mittleren Rippe gestaltet sind.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle zwischen drei aufeinander folgenden Rippen unsymmetrisch zur mittleren Rippe gestaltet sind.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einprägungen durch Verformen der Seitenwand (30, 35) und/oder der zugehörigen Verbindungswand (39, 41) hergestellt werden.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper als ein einstückiges Bauteil ausgebildet ist.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus einer Aluminium enthaltenden Legierung, ist.
Turbulenzeinsatz für Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einem Kunststoffmaterial ist.
Wärmetauscher, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens einen Turbulenzeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zur Kühlung vorgesehen ist.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zur Kühlung von gasförmigen Medien vorgesehen ist, und insbesondere zur Kühlung von Ladeluft in einem Verdichter, wie einem Abgasturbolader, einem Kompressor oder dergleichen, nachgeschaltet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzeinsatz in einem Rohr angeordnet ist.
Werkzeug zur Herstellung eines Turbulenzeinsatzes (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, mit wenigstens zwei in einer Förderrichtung (80) hintereinander angeordneten Stationen (81, 82), wobei in einer ersten Station (81) Kanäle und in einer zweiten Station (82) Einprägungen (101, 102, 103, 104) in den Kanälen des Bandes ausgebildet werden.
Werkzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass jede Station (81, 82) wenigstens zwei Rollwerkzeuge (72, 73, 74, 75) umfasst, die einander gegenüber liegend angeordnet sind und derart zusammenwirken, dass ein zwischen den Rollwerkzeugen durchgeführtes Band plastisch verformt wird.
Werkzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass jede Station (81, 82) wenigstens zwei Walzen umfasst, die einander gegenüber liegend angeordnet sind und derart zusammenwirken, dass ein zwischen den Walzen durchgeführtes Band quergewalzt wird.
Werkzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass jede Station (81, 82) wenigstens zwei Stanzwerkzeuge umfasst, die einander gegenüber liegend angeordnet sind und derart zusammenwirken, dass ein zwischen den Stanzwerkzeugen durchgeführtes Band gestanzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Turbulenzeinsatzes (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 mittels eines Werkzeuges nach einem der Ansprüche 21 bis 24, mit den Schritten: – Zuführen eines Bandes zur ersten Station (81); – Ausbilden von Kanälen in dem Band in der ersten Station (81); anschließend – Zuführen des Bandes zur zweiten Station (82); und – Ausbilden von Einprägungen (101, 102, 103, 104) in den Kanälen in der zweiten Station (82).
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Band in der ersten und/oder der zweiten Station plastisch verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Verformung des Bandes mit Materialstreckung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Verformung des Bandes ohne Materialstreckung entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle und die Einprägungen so geformt werden, dass in dem durch die Strömungskanäle strömenden Medium ein Dralleffekt entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle und/oder die Einprägungen mit zueinander symmetrischen Abständen geformt werden,
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle und/oder die Einprägungen mit zueinander unsymmetrischen Abständen geformt werden,
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzeinsatz mit einer integrierten Rohrkonstruktion gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzeinsatz mit integrierter Rohrkonstruktion in Längsrichtung gewalzt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzeinsatz mit integrierter Rohrkonstruktion einem kombinierten Falz- und Walz/Stanz-Vorgang unterzogen wird.