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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Flachrohr nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf einen damit
aufgebauten Wärmeübertrager.
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Ein gattungsgemäßes Flachrohr mit einem Umkehrbogenabschnitt
und ein Wärmeübertrager mit
einem aus diesem Flachrohrtyp aufgebauten Rohrblock sind in der
Offenlegungsschrift
DE
198 30 863 A1 beschrieben. Zur Herstellung des dortigen Flachrohres
mit Umkehrbogenabschnitt , wird das Flachrohr derart umgebogen,
dass seine beiden daran anschließenden, planen Rohrabschnitte
in Längsrichtung
mit entgegengesetzten Durchströmungsrichtungen
und mit gegeneinander mindestens in Querrichtung versetzten Längsachsen
verlaufen.
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Die Offenlegungsschrift
EP 0 659 500 A1 beschreibt
ebenfalls ein Flachrohr mit Umkehrbogenabschnitt und einen Wärmeübertrager
mit einem aus diesem Flachrohrtyp aufgebauten Rohrblock. Zur Herstellung
des dortigen Flachrohres wird ein geradliniger Flachrohr-Rohling
zunächst
U-förmig
aus der Flachrohrebene herausgebogen, bis die Flachrohrschenkel
zueinander parallel verlaufen, wonach letztere um jeweils 90° gegenüber dem
U- Bogenbereich tordiert
werden. Das dadurch entstehende Flachrohr besitzt somit zwei in
einer Ebene liegende, plane Rohrabschnitte, deren Mündungsenden
auf der gleichen, dem Umkehrbogenabschnitt entgegengesetzten Seite
liegen. Der Winkel, den die Flachrohrquerachse entlang des Umkehrbogenabschnitts
mit der Ebene einschließt,
in welcher die geradlinigen Rohrschenkel liegen, nimmt zunächst über den
einen Torsionsbereich hinweg von null auf den am Kopfende des Umkehrbogenabschnitts
vorliegenden Wert von 90° zu,
um dann über
den anderen Torsionsbereich hinweg wieder auf 0° abzunehmen. Als nachteilig kann
bei dem beschriebenen Umkehrbogenabschnitt angesehen werden, dass
die Ausdehnung des Flachrohrs senkrecht zur Ebene der planen Rohrschenkel im
Kopfbereich des Umkehrbogenabschnitts immer einer Flachrohrbreite
entspricht und bei Bedarf deshalb nicht verkleinert werden kann,
so dass die Abmessungen des zugehörigen Wärmeübertragerrohrblocks in der
Richtung senkrecht zur Ebene der geradlinigen Flachrohrschenkel
nicht beeinflußt
werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Flachrohr mit einem Umkehrbogenabschnitt bereitzustellen, welches
sich relativ einfach herstellen läßt und sich zum Aufbau sehr
druckstabiler Wärmeübertrager
mit geringem Bauraum eignet, sowie einen aus solchen Flachrohren
aufgebauten Wärmeübertrager
anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des
Flachrohres mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie bezüglich eines
Wärmeübertragers
mit den Merkmalen der Patentansprüche 13, 17 oder 18 gelöst.
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Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte
Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Der Hauptgedanke der Erfindung besteht
darin, einen Umkehrbogenabschnitt dergestalt auszubilden, dass eine
Hauptbiegeachse parallel zur Flachrohrebene und unter einem vorgebbaren
Winkel zur Rohrlängserstrekkung
verläuft,
wobei die Flachrohrebene durch die Längen- und Breitenerstreckung
des Flachrohrs bestimmt wird. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
beträgt
der vorgebbare Winkel 90°,
d.h. die Hauptbiegeachse verläuft dann
senkrecht zur Rohrlängserstreckung.
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Das erfindungsgemäße Flachrohr wird bei der Umformung
im Bereich des Umkehrbogenabschnitts in der Flachrohrebene parallel
zur Rohrerstreckung um einen Weg s verschoben, wobei der Weg s sich
aus einer Flachrohrbreite b und aus einem gewünschten Abstand d zwischen
den Flachrohrabschnitten nach der Umformung zusammensetzt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Flachrohr
ist ein Winkel α mit
dem die Flachrohrabschnitte in den Umkehrbogenabschnitt übergehen
bei der Umformung der Flachrohre frei wählbar und liegt bei einer vorteilhafte
Ausführungsform
der Erfindung im Bereich von 13° < α < 67°.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Flachrohrs
wird der Winkel α und/oder
der Weg s durch mindestens einen Biegevorgang um mindestens eine
Biegeachse (B) erreicht, die senkrecht zur Flachrohrebene verläuft.
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Bei einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Flachrohre
wird die Verschiebung des Flachrohrs durch zwei Biegevorgänge um zwei
Biegeachsen erreicht, die vor oder nach dem Hauptbiegevorgang um
die erste Biegeachse durchgeführt
werden, wobei die erste Biegeachse in der Mitte des Versatzbereiches
verläuft,
wobei der Versatzbereich ungefähr
doppelt so lang ist als der Umkehrbogenabschnitt. Dies gilt insbesondere
dann, wenn ein Hauptbiegevorgang um eine Hauptbiegeachse durchgeführt wird,
die senkrecht zur Rohrerstreckung verläuft.
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Bei dem bisher beschriebenen erfindungsgemäßen Flachrohr
sind die beiden planen an den Umkehrbogenabschnitt anschließenden Rohrabschnitte nach
dem Umformvorgang in zueinander seitlich versetzten parallelen Ebenen
senkrecht zur Stapelrichtung z liegend angeordnet, bevorzugt mit
einem Abstand d in Querrichtung y zwischen 0,2 mm und 20 mm. Bei
einer Verwendung von einmalig dergestalt umgebogenen Flachrohren
läßt sich,
wenn die Richtung des Versatzes bei jeder Umlenkung gewechselt wird,
ein Rohrblock in Serpentinenbauweise bilden, bei dem die Serpentinen
seitlich versetzt verlaufen. Der so gebildete Rohrblock hat eine
Tiefe von der doppelten Flachrohrbreite zuzüglich des besagten Abstandes
d zwischen den planen Rohrabschnitten. Mit mehrmals in die gleiche
Richtung versetzt umgebogenen Flachrohren erhöht sich die Rohrblocktiefe pro
Umkehrbogenabschnitt um die Flachrohrbreite zuzüglich des besagten Querabstands
d der planen Rohrabschnitte. Durch den Querabstand bilden sich zwischen
den Flachrohrabschnitten entsprechende Spalte in einem mit solchen
Flachrohren aufgebauten Rohrblock, was die Kondenswasserabscheidung erleichtert,
z.B. im Anwendungsfall des Rohrblocks in einem Verdampfers einer
Kraftfahrzeug-Klimaanlage.
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Um zu erreichen, dass die Flachrohre
in einer gemeinsamen Ebene liegen, wird in einem weiteren Umformungsschritt
der Umkehrbogenabschnitt so umgeformt, dass die beiden Rohrabschnitte
nebeneinander und parallel mit dem Abstand d in einer gemeinsamen
Ebene liegen. Dies kann durch eine symmetrische oder unsymmetrische
Umformung des Umkehrbogenabschnitts erfolgen.
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Durch einen Wechsel zwischen den
Umkehrbogenabschnitten, bei denen die Flachrohrabschnitte in der
gleichen Ebene liegen – nachfolgend
als erste Umkehrbogenabschnitte bezeichnet – und den Umkehrbogenabschnitten,
bei denen die Flachrohre in unterschiedlichen Ebenen liegen – nachfolgend
als zweite Umkehrbogenabschnitte bezeichnet – , läßt sich eine Rohrblock in Serpentinenbauweise
realisieren, dessen Tiefe von der Anzahl von hintereinander gebildeten
ersten Umkehrbogenabschnitten abhängig ist. Durch einen ständigen Wechsel
von erste und zweiten Umkehrbogenabschnitten, bei denen die Richtung
des Versatzes ebenfalls entgegengesetzt ausgeführt ist, läßt sich beispielsweise ein
Rohrblock in Serpentinenbauweise mit einer Tiefe von der doppelten
Flachrohrbreite zuzüglich
des besagten Abstandes d zwischen den planen Rohrabschnitten realisieren,
bei dem ein Temperiermedium, beispielsweise ein Kältemittel
oder ein Kühlmittel,
zuerst durch die Flachrohrabschnitte fließt, die in einer gemeinsamen
Ebene liegen, und dann auf durch die Flachrohrabschnitte fließt, die
in Stapelrichtung oder entgegen der Stapelrichtung in der nächsten gemeinsamen Ebene
liegen.
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Zudem ist aber auch möglich, eine
Serpentinenbauform dadurch zu erreichen, dass eine Anzahl von zweiten
Umkehrbogenabschnitten ohne seitlichen Versatz ausgeführt werden – nachfolgend
als dritte Umkehrbogenabschnitt bezeichnet – , beispielsweise in Stapelrichtung
und das anschließend ein
erster Umkehrbogenabschnitt gebildet wird, dem sich eine Anzahl
von zweiten Umkehrbogenabschnitten anschließen. Anstelle des ersten Umkehrbogenabschnitts
kann selbstverständlich
auch ein zweiter Umkehrbogenabschnitt angeordnet werden. Bei einer
solchen Rohrblock werden zuerst alle Flachrohrabschnitte, die übereinander
in einem vorderen Bereich liegen, d.h. in einem der Luft zugewandten
Bereich, von dem Temperiermedium durchströmt und anschließend werden
nach einem ersten oder einem zweiten Umkehrbogenabschnitt alle in
einem hinteren Bereich liegenden Flachrohrabschnitte durchströmt„ wobei
die Reihenfolge der Durchströmung auch
entgegengesetzt sein kann, d.h. es wird zuerst der hintere Bereich
und dann der vordere Bereich durchströmt, wobei die Durchströmung je
nach Anwendungsfall von oben nach unter oder von unten nach ober
erfolgen kann.
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Bei einem alternativen Vorgehen zur
Gestaltung des Umkehrbogenabschnitts, wird der Hauptbiegevorgang
um die Hauptbiegeachse unter einem vorgebbaren Winkel zur Rohrlängserstreckung durchgeführt, wobei
der vorgebbare Winkel im Wesentlichen dem Winkel α entspricht,
mit dem die Flachrohrabschnitte in den Umkehrbogenabschnitt übergehen.
Nach dem Hauptbiegevorgang liegen die beiden Flachrohrabschnitte
in zwei zueinander parallelen Ebenen, wobei die beiden Flachrohrabschnitte einen
Winkel mit einem Wert von 2α einschließen. Um
parallele Rohrschenkel zu erhalten, werden die beiden Rohrschenkel
jeweils mit einem weiteren Biegevorgang um eine Biegeachse, die
senkrecht zur Flachrohrebene verläuft, so umgeformt, dass sie
jeweils unter dem Winkel α in
den Umkehrbogenabschnitt übergehen.
Die beschriebene Vorgehensweise liefert auf eine andere Art den
benötigten
bereits beschriebenen Versatz des Flachrohrs.
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Die weiteren Umformungsschritte werden analog
zu den bereits beschrieben durchgeführt, um zu erreichen, dass
die beiden Flachrohrabschnitte nebeneinander und parallel mit dem
Abstand d in einer gemeinsamen Ebene liegen. Dies kann, wie bereits
ausgeführt,
durch eine symmetrische oder unsymmetrische Umformung des Umkehrbogenabschnitts
erfolgen.
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Grundsätzlich ist es aber auch möglich die Reihenfolge
der Umformungsschritte umzukehren und durch eine symmetrische oder
unsymmetrische Umformung des Umkehrbogenabschnitts die beiden Rohrabschnitte
erst so umzuformen, dass sie in einer gemeinsamen Ebene liegen und
den Winkel von 2α einschließen und
anschließend
die beiden oben beschriebenen Biegevorgänge durchzuführen, um
zu erreichen, dass die beiden Rohrabschnitte parallel nebeneinander
mit dem Abstand d in der gemeinsamen Ebene liegen.
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Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung
des Umkehrbogenabschnitts erreicht, dass dessen Ausdehnung in Stapelrichtung
deutlich kleiner als die Flachrohrbreite gehalten werden kann. Dementsprechend
brauchen die Zwischenräume zwischen
benachbarten Flachrohren beim stapelförmigen Aufbau eines Rohrblocks
aus diesen Flachrohren nicht so groß bzw. nicht größer als
die Flachrohrbreite gehalten werden, sondern können deutlich enger sein, was
die Herstellung eines kompakten und druckstabilen Wärmeübertragers
begünstigt.
Zudem läßt sich
der Umkehrbogenabschnitt durch relativ einfache Rohrbiegevorgänge realisieren.
Das Flachrohr kann dabei einmal oder mehrmals in dieser Weise umgebogen
sein, wobei sich seine Tiefenausdehnung, d.h. seine Ausdehnung in
der wie oben definierten Querrichtung, mit jeder Umbiegung vergrößert, wenn
der seitliche Versatz immer in die gleiche Richtung erfolgt. Dadurch
läßt sich
mit verhältnismäßig schmalen,
druckstabilen Flachrohren ein beliebig tiefer, d.h. sich in der
Querrichtung ausdehnender Rohrblock bilden, wobei diese Quer- oder
Tiefenrichtung üblicherweise
diejenige Richtung darstellt, in welcher ein zu kühlendes
oder erwärmendes
Medium außen
an den Flachrohrflächen
vorbei durch den Wärmeübertrager
hindurchgeleitet wird. Dabei sind meist zusätzliche Wärmeleitrippen zwischen den
in Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Rohrblockabschnitten zur
Verbesserung der Wärmeübertragung vorgesehen.
Da wie gesagt die Rohrzwischenräume sehr
eng gehalten werden können,
lassen sich auch entsprechend niedrige wärmeleitende Wellrippen einsetzen,
was gleichfalls die Kompaktheit und Stabilität eines so gebildeten Rohr-Rippenblocks
verbessert.
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Zur Herstellung eines Flachrohr-Wärmeübertragers
für Kraftfahrzeugklimaanlagen
werden mehrere erfindungsgemäße Flachrohre
in Stapelrichtung z zu einem Rohrblock übereinandergestapelt. Die Flachrohre
münden
mit je einem Ende in mindestens einen seitlich angeordneten in Stapelrichtung des
Rohrblocks verlaufenden Sammelkanal, wobei mindestens einer der
beiden, über
den Umkehrbogenabschnitt miteinander verbundenen Rohrabschnitte eine
in Stapelrichtung z gewundene Rohrserpentine bilden kann, und wobei
die beiden Flachrohrenden auf derselben oder auf gegenüberliegenden
Seiten liegen und wenigstens eines der beiden Rohrenden um einen
Winkel zwischen 0° und
90° tordiert
sein kann.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung der
Flachrohre mit einer 180° Umlenkung
in Strömungsrichtung,
ist es möglich
einen kleineren Bauraum für
die Wärmeübertrager
wie beispielsweise einen Gaskühler
oder einen Verdampfer zu realisieren, da engere Abstände in Stapelrichtung
und/oder zwischen den Rohren realisiert werden können. Zudem wird eine Auffederung
der Flachrohrschenkel nahezu vermieden. Ein weiterer Vorteil liegt
darin, dass die mit den erfindungsgemäßen Flachrohren aufgebauten
Wärmeübertrager
eine steifere Konstruktion mit engeren Toleranzen aufweisen.
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Bei der vorliegenden Gaskühlervariante
wird das Kältemittel
in einem Flachrohr im Kreuz-Gegenstrom zur Luft geführt. Am
gegenüberliegenden
Blokkende erfolgt eine Umlenkung um 180°, d. h. das Flachrohr läuft in der
gleichen Ebene wie auf dem Hinweg zurück, allerdings um einen Weg
s seitlich versetzt, so dass der hinführende Abschnitt des Flachrohrs
vom zurückführenden
Abschnitt um einen Abstand d distanziert ist. Die beiden Flachrohrabschnitte
liegen in der gleichen Ebene, die durch die Längs- und Breitenerstreckung
der Flachrohre in ihren geraden Abschnitten bestimmt wird. Die Umformung
wird vorzugsweise in drei Stufen durchgeführt. In der ersten Stufe erfährt das
Flachrohr vom gestreckten Zustand aus einen seitlichen Versatz.
Der Betrag des Versatzes s entspricht der Summe aus Flachrohrbreite
b und Abstand d. Anschließend
erfolgt eine Biegung mit einem Radius r um eine Hauptbiegeachse
A parallel zur Flachrohrebene und senkrecht zur Rohrerstreckung,
wobei r der Innenradius der Biegung ist. Die Hauptbiegeachse A liegt
ungefähr
in der Mitte des Versatzbereiches. Die Abschnitte des Flachrohres
liegen anschließend
parallel zueinander in verschiedenen Ebenen. In einem dritten Schritt
wird der Umkehrbogenabschnitt so umgeformt, dass die Flachrohrabschnitte
wieder in einer gemeinsamen Ebene liegen. Der umgeformte Umkehrbogenabschnitt
kann entweder vollständig
unterhalb oder oberhalb bezüglich
der gemeinsamen Flachrohrebene liegen oder symmetrisch bezüglich dieser
gemeinsamen Ebene liegen. Zudem sind beliebige asymmetrische Lagen
des Umkehrbogenabschnitts zu der gemeinsamen Ebene möglich. Alternativ
zu der beschriebenen Umformungsreihenfolge, können die Umformungsschritte
auch vertauscht werden.
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Für
den Versatz des Flachrohrs in der Ebene lassen sich folgende geometrische
Beziehungen aufstellen: Der Winkel α in dem das Flachrohr im Versatzbereich
abweichend von der ursprünglichen Rohrerstreckung
verläuft
ergibt sich aus α=arctan
(b +d/U). Mit b: Flachrohrbreite, d: Abstand zwischen den Flachrohren,
U: Versatzbereich.
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Für
den Versatzbereich U ergibt sich folgende Abschätzung: U = 2 Π r, wobei
r der Innenradius des 180° Bogens
ist. Für
den maximalen Innenradius r max gilt: (hr-dFR)/2, wobei hr eine
Rippenhöhe
und dFR eine Flachrohrdicke ist. Als sinnvolle
unterer Grenzwert für
r min erscheint die Flachrohrdicke dFR. Gemäß dieser
Formeln liegt ein sinnvoller Wert für α in den Grenzen 13°<α<67° Bei
einer vorteilhafte Ausführungsform
bildet das erfindungsgemäße Flachrohr
ein Serpentinenflachrohr, indem mindestens der eine der beiden über einen
Umkehrbogenabschnitt verbundenen Flachrohrabschnitte in der Stapelrichtung
zu einer Rohrserpentine gebogen ist, d.h. er besteht aus in Stapelrichtung
aufeinanderfolgenden dritten Umkehrbogenabschnitten mit den entsprechenden
planen Rohrabschnitte. Mit so gestalteten Flachrohren läßt sich
ein sogenannter Serpentinen-Wärmeübertrager
mit einer beliebigen Anzahl an in Tiefenrichtung aufeinanderfolgenden
Serpentinenblockteilen aufbauen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Flachrohrs
liegen die Mündungsenden
auf der gleichen oder auf gegenüberliegenden Seiten,
wobei wenigstens ein Ende, vorzugsweise beide Enden gegenüber dem
anschließenden
Mittenbereich tordiert sind. Durch diese Tordierung wird die Flachrohrquerachse
in Richtung Mündungsende
zur Stapelrichtung hin gedreht, so daß die Ausdehnung der Flachrohrenden
in der Querrichtung kleiner als die Flachrohrbreite gehalten werden
kann. Maximal erfolgt die Tordierung um 90°, so daß dann bei senkrecht zur Stapelrichtung
verlaufenden planen Rohrabschnitten die Rohrenden parallel zur Stapelrichtung
liegen und ihre Ausdehnung in der Querrichtung nur noch so groß wie die
Flachrohrdicke ist. Dies ermöglicht
eine in Tiefenrichtung eines damit aufgebauten Rohrblocks vergleichsweise
enge Anordnung zugehöriger,
sich an der betreffenden Rohrblockseite in Stapelrichtung erstreckender
Sammel- und Verteilerkanäle.
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Ein Wärmeübertrager ist durch die Verwendung
eines oder mehrerer der erfindungsgemäßen Flachrohre im Aufbau eines
entsprechenden Rohrblocks charakterisiert, mit den oben erwähnten Eigenschaften
und Vorteilen eines solchen Rohrblockaufbaus. Insbesondere läßt sich
in dieser Weise ein kompakter, hoch druckstabiler Verdampfer mit
relativ niedrigem Gewicht, geringem innerem Volumen und guter Kondenswasserabscheidung
für eine
Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges realisieren, wobei vorzugsweise
Mehrkammer-Flachrohre eingesetzt werden. Der Wärmeübertrager ist sowohl in einlagiger Bauweise,
bei denen die Flachrohrabschnitte zwischen zwei Umkehrbogenabschnitten
bzw. zwischen einem Umkehrbogenabschnitt und einem Flachrohrende
aus einem planen, geradlinigen Rohrabschnitt bestehen, als auch
in Serpentinenbauweise ausführbar,
bei welcher diese Flachrohrabschnitte zu einer Rohrschlange gebogen
sind.
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Bei einem weitergebildeten Wärmeübertrager
befinden sich die Rohrenden der verwendeten Flachrohre und damit
auch die zugehörigen
Sammel- und Verteilerkanäle,
nachfolgend der Einfachheit halber einheitlich als Sammelkanäle bezeichnet,
auf gegenüberliegenden
Rohrblockseiten. Die Sammelkanäle
können
dann von je einem Sammelkasten oder Sammelrohr gebildet sein, die
an der betreffenden Rohrblockseite entlang der Stapelrichtung, auch
als Blockhochrichtung bezeichnet verlaufen und der parallelen Zuführung bzw.
Abführung
des durch das Rohrinnere geleiteten Temperiermediums zu den bzw.
aus den einzelnen Flachrohren dienen.
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In einer dazu alternativen Weiterbildung
der Erfindung münden
die Flachrohrenden sämtlich
auf derselben Rohrblockseite. Bedingt durch die Gestaltung der Flachrohre
sind dabei die beiden Rohrenden eines jeden Flachrohres zueinander
in der Blocktiefenrichtung versetzt, so daß ihnen zwei entsprechend in
Blocktiefenrichtung nebeneinanderliegende Sammelkanäle zugeordnet
werden können.
Dementsprechend erfolgen Zu- und Abführung des durch das Rohrinnere
geleitete Temperiermediums an derselben Wärmeübertragerseite.
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In weiterer Ausgestaltung dieses
Wärmeübertragertyps
mit zwei nebeneinanderliegenden Sammelkanälen auf derselben Rohrblockseite
ist vorgesehen, diese Sammelkanäle
durch zwei getrennte Sammelrohre bzw. Sammelkästen, nachfolgend der Einfachheit
halber einheitlich als Sammelrohre bezeichnet, oder durch ein gemeinsames
Sammelrohr zu bilden. Letzteres läßt sich dadurch realisieren,
daß ein
zunächst
einheitlicher Sammelrohrinnenraum mit einer Längstrennwand in die beiden Sammelkanäle abgeteilt
wird, oder dadurch, daß das Sammelrohr
als extrudiertes Rohrprofil mit zwei getrennten, die Sammelkanäle bildenden
Hohlkammern gefertigt wird.
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Bei einem weitergebildeten Wärmeübertrager
ist wenigstens eines der beiden Sammelrohre bzw. wenigstens eine
der beiden Hohlkammern eines längsgeteilten
Sammelrohres durch Quertrennwände in
mehrere, in Blockhochrichtung voneinander getrennte Sammelkanäle unterteilt.
Dadurch wird eine gruppenweise serielle Durchströmung der Flachrohre im Rohrblock
erzielt, indem das dem Rohrblock über einen ersten Sammelkanal
des quergeteilten Sammelrohres bzw. der quergeteilten Hohlkammer zugeführte Temperiermedium
zunächst
nur in den dort mündenden
Teil aller Flachrohre eingespeist wird. Der Sammelkanal, in den
dieser Teil der Flachrohre mit dem anderen Rohrende mündet, fungiert dann
als Umlenkkanal, in welchem das Temperiermedium von den dort mündenden
Flachrohren in einen weiteren, ebenfalls dort mit einem Ende mündenden
Teil aller Flachrohre umgelenkt wird. Anzahl und Lage der Quertrennwände bestimmen
die Einteilung der Flachrohre in nacheinander durchströmte Gruppen
von parallel durchströmten
Flachrohren.
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Bei einem erfindungsgemäß hergestellten Flachrohr
bleibt die Anordnung der Flachrohre bezüglich eines Luftstromes trotz
des Umkehrbogenabschnitts unverändert,
d. h. eine der Luft zugewandte Seite des Flachrohrs ist auch nach
dem Umkehrbogenabschnitt weiterhin der Luft zugewandt und eine der
Luft abgewandte Seite des Flachrohr ist auch nach dem Umkehrbogenabschnitt
weiterhin von der Luft abgewandt.
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Im Gegensatz dazu, wird eine Lage
der Rohrunter- bzw. Rohroberseite durch den Umkehrbogenabschnitt
verändert,
d. h. die Rohrunterseite des Flachrohrs wird zur Rohroberseite des
Flachrohrs und eine Rohroberseite des Flachrohrs wird zur Rohrunterseite
des Flachrohrs.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Hierbei zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf ein Flachrohr mit einem Umkehrbogenabschnitt und
tordierten Rohrenden;
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2a Seitenansicht
längs des
Pfeils I in 1 eines
Flachrohrs mit einem zweiten Umkehrbogenabschnitt;
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2b bis 2d Seitenansichten längs des
Pfeils I von 1 von Flachrohren
mit verschieden ausgeführten
ersten Umkehrbogenabschnitten;
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3a eine
Draufsicht auf ein Flachrohr vor einem Biegevorgang um eine Hauptbiegeachse
A;
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3b eine
Draufsicht auf ein Flachrohr nach einem Biegevorgang um eine Hauptbiegeachse A;
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4 eine
ausschnittsweise Seitenansicht eines aus Flachrohren gemäß den 1 und 2 aufgebauten Rohr-/Rippenblocks eines
Wärmeübertragers,
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5 eine
ausschnittsweise Seitenansicht eines Rohr-/Rippenblocks eines Wärmeübertragers mit
serpentinenförmigen
Flachrohren,
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Das in 1 in
einer Draufsicht gezeigte Flachrohr 1 ist einstückig aus
einem geradlinigen Mehrkammerprofil unter Verwendung geeigneter
Biegevorgänge
gefertigt. Es beinhaltet zwei plane, geradlinige Rohrabschnitte 2a, 2b,
die über
einen Umkehrbogenabschnitt 3 miteinander verbunden sind und
entgegengesetzte Durchströmungsrichtungen für ein durch
die mehreren parallelen Kammern im Inneren des Flachrohres 1 hindurchgeleitetes
Temperiermedium, z.B. ein Kältemittel
einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, aufweisen. Einer der beiden möglichen
Strömungsverläufe ist
in 1 durch entsprechende
Strömungspfeile 4a, 4b dargestellt.
Die parallel zu den Durchströmungsrichtungen 4a, 4b verlaufenden
Längsachsen 5a, 5b der
beiden planen, geradlinigen Rohrabschnitte 2a, 2b definieren
eine Längsrichtung
x und sind in einer dazu senkrechten Querrichtung y gegeneinander
versetzt. Wie insbesondere aus den Seitenansichten von 2b bis 2c ersichtlich ist, liegen die beiden
planen Rohrabschnitte 2a, 2b mit einem ersten
Umkehrbogenabschnitt 3 in einer gemeinsamen x-y-Ebene,
die senkrecht zu einer Stapelrichtung z ist, in welcher mehrere
solche Flachrohre zur Bildung eines Wärmeübertrager-Rohrblocks aufeinandergestapelt
werden, wie unten anhand der 4.
und 5 näher erläutert wird. Zur
besseren Orientierung sind in den 1 bis 5 jeweils die entsprechenden
Koordinatenachsen x, y, z eingezeichnet.
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Der Umkehrbogenabschnitt 3 wird
dadurch erhalten, daß das
anfängliche,
geradlinige Flachrohrprofil einer gewünschten Breite b im Bereich
eines Versatzbereiches U wie in 3a dargestellt
in der Flachrohrebene parallel zur Rohrerstreckung um einen Weg
s verschoben wird, der sich aus der Rohrbreite b und dem gewünschten
Abstand d zusammensetzt. Die Verschiebung bzw. der Versatz kann dabei
in positiver y-Richtung oder entgegengesetzt in negativer y-Richtung
erfolgen. Der Übergang
zwischen den Flachrohrabschnitten 2a, 2b und dem
Umkehrbogenabschnitt 3 erfolgt unter einem vorgebbaren
Winkel α.
Der Winkel α und/oder
der Weg s werden dabei durch mindestens einen Biegevorgang um mindestens
eine Biegeachse B1, B2 erreicht, die senkrecht zur Flachrohrebene
verläuft.
Vorzugsweise wird der beschriebene Versatz um den Weg s durch zwei
Biegevorgänge
um die in 3a dargestellten
Biegeachsen B1 und B2 erreicht, wobei diese beiden Biegevorgänge vorzugsweise
vor dem Biegevorgang um die Hauptbiegeachse A durchgeführt werden.
Die Hauptbiegeachse A verläuft
im dargestellten Ausführungsbeispiel
in der Mitte des Versatzbereiches U, wobei der Versatzbereich U
ungefähr doppelt
so lang ist als der Umkehrbogenabschnitt 3.
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Auf die beschriebene Weise erhält man die beiden
geradlinigen Rohrabschnitte 2a, 2b des Flachrohres 1.
Nach dem Versatz des Flachrohres 1 und dem Hauptbiegevorgang
liegen die beiden geradlinigen Rohrabschnitte 2a, 2b wie
in 2a dargestellt versetzt
in zueinander parallelen Ebenen mit einem wählbaren Abstand 2r in
z-Richtung und in dem wählbaren
Abstand d in y-Richtung, wobei für den
maximalen Innenradius r gilt: (hr-dFR)/2, wobei hr die
Rippenhöhe
und dFR die Flachrohrdicke ist, daraus ergibt
sich als sinnvoller unterer Grenzwert für r die Flachrohrdicke dFR. Gemäß dieser
Formeln liegt ein sinnvoller Wert für den Winkel α in den Grenzen 13° < α < 67°. Der wählbare Abstand
beträgt
vorzugsweise zwischen etwa 0,2mm und 20mm, während die Flachrohrbreite b
typischerweise zwischen einem und einigen wenigen Zentimetern beträgt.
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Während
die geradlinigen Rohrabschnitte 2a, 2b auf der
einen Seite über
den Umkehrbogenabschnitt 3 miteinander verbunden sind,
laufen sie beide auf der gegenüberliegenden
Seite in Form von tordierten Rohrenden 6a, 6b aus.
Die Tordierung erfolgt um die jeweilige Längsmittelachse 5a, 5b,
alternativ auch um eine dazu parallele Längsachse, d.h. mit einem Querversatz
bezüglich
der Längsmittelachse, um
einen beliebigen Winkel zwischen 0° und 90°, wobei im gezeigten Fall der
Torsionswinkel ca. 90° beträgt.
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Aus 2 wird
deutlich, daß aufgrund
der geschilderten Bildung des Umkehrbogenabschnitts 3 die
Höhe c
des Umkehrbogenabschnitts 3 und damit die Ausdehnung in
der Stapelrichtung z gering ist und abhängig vom Biegeradius wählbar ist.
Insbesondere bleibt diese Höhe
c des Umkehrbogenabschnitts 3 deutlich kleiner als die
Flachrohrbreite b. Dadurch können
mehrere solche Flachrohre in einem Wärmeübertrager-Rohrblock mit einer
Stapelhöhe übereinandergeschichtet
werden, die deutlich kleiner gehalten werden kann als die Flachrohrbreite,
wie die nachfolgend beschriebenen Wärmeübertragerbeispiele zeigen.
Eine weitere Modifikation des Flachrohres der 1 und 2 kann
darin bestehen, daß die beiden
planen Rohrabschnitte 2a, 2b wie in 2a gezeigt in zwei zueinander
versetzten x-y-Ebenen liegen. In diesem Fall ist die Querrichtung
y dadurch definiert, daß sie
sowohl zur Längsrichtung
x der geradlinigen Rohrabschnitte als auch zur Rohrblock-Stapelrichtung z
senkrecht ist.
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Die 3b zeigt
eine alternative Möglichkeit zur
Gestaltung des Umkehrbogenabschnitts 3 nach einem Hauptbiegevorgang.
Wie aus 3b ersichtlich
ist wird hier erst der Hauptbiegevorgang um die Biegeachse A durchgeführt, bevor
der Versatz durch weitere Biegevorgänge um eine Biegeachse B3 realisiert
wird. Die Hauptbiegeachse A verläuft
dabei unter dem vorgebbaren Winkel α in den Grenzen 13° < α < 67° zur Rohrlängserstreckung.
Nach dem Hauptbiegevorgang werden die beiden Rohrabschnitte jeweils
um die Biegeachse 3 gemäß den Pfeilen
nach innen gebogen. Gemäß der Darstellung
in 3b wird der Abstand
d zwischen den Flachrohren durch eine Begrenzung realisiert, im
dargestellten Beispiel durch eine Begrenzungsleiste mit der Breite
d realisiert, wobei im dargestellten Beispiel durch ein oberes Ende
der Begrenzungsleiste die Biegeachse B3 realisiert ist. Die dargestellten
Flachrohrabschnitte 2a und 2b liegen in unterschiedlichen
parallelen Ebenen und schließen
einen Windel von 2a ein. Nach den zusätzlichen Biegevorgängen liegen
die beiden Flachrohrabschnitte 2a und 2b parallel
zueinander in den unterschiedlichen parallelen Ebenen, wie in 2a dargestellt, so dass
die weiteren bereits beschriebenen Umformungsschritte durchgeführt werden
können,
um zu erreichen, dass die beiden Flachrohrabschnitte 2a, 2b parallel
mit dem Abstand d in einer gemeinsamen Ebene liegen (siehe 2b bis 2c).
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Die 4 und 5 zeigen einen Anwendungsfall
für den
Flachrohrtyp der 1 und 2 in Form eines Rohr-/Rippenblocks 9 eines
Verdampfers 10, wie er insbesondere in Kraftfahrzeug-Klimaanlagen
verwendbar ist. Es versteht sich, daß sich der ausschnittsweise
gezeigte Wärmeübertrager
je nach Auslegung auch für
beliebige andere Wärmeübertragungszwecke
einsetzen läßt, beispielsweise
als Gaskühler.
Wie aus 4 ersichtlich,
beinhaltet dieser Verdampfer 10 zwischen zwei endseitigen
Deckblechen 11, 12 einen Stapel mehrerer Flachrohre 1 gemäß 1 und 2 mit zwischenliegenden, wärmeleitfähigen Wellrippen 8.
Die Höhe
der Wärmeleitrippen 8 entspricht
ungefähr
der Höhe
c der Flachrohr-Umkehrbogenabschnitte 3 und ist damit deutlich
kleiner als die Flachrohrbreite b.
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Durch die Verwendung des Flachrohres 1 der 1 und 2 wird ein Rohr-Rippenblock 9 mit in der Tiefe,
d.h. in y-Richtung, zweiteiliger Struktur gebildet, wobei in jedem
der beiden Blockteile jeweils die Rohrabschnitte mit gleicher Durchströmungsrichtung
in der Stapelrichtung z übereinanderliegen.
Zwischen den beiden Blockteilen ist ein dem Abstand d der beiden
geradlinigen Rohrabschnitte 2a, 2b eines jeden
Flachrohres 1 entsprechender Spalt gebildet. Die Wellrippen 8 erstrecken
sich im dargestellten Ausführungsbeispiel
einteilig über
die gesamte Flachrohrtiefe und damit auch über diesen Spalt hinweg, wobei
sie zu beiden Seiten, d.h. an der Vorder- und an der Rückseite
des Blocks, nach Bedarf überstehen
können.
Es ist aber auch möglich
mehrteilige, insbesondere zweiteilige Wellrippen 8 zu verwenden. Die
Blockvorderseite ist hierbei dadurch definiert, daß sie von
einem außenseitig über die
Verdampferoberflächen
hinweggeleiteten, zweiten Temperiermedium, z.B. zu kühlende Zuluft
für einen
Fahrzeuginnenraum, in der Rohrquerrichtung y, d.h. in Blocktiefenrichtung,
angeströmt
wird.
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Die Quererstreckung der Flachrohrmündungsenden
ist aufgrund ihrer Tordierung geringer als die Flachrohrbreite b.
Dies erleichtert den Anschluß zweier
zugehöriger,
in der 4 nicht gezeigter
Sammelkanäle,
die jeweils von einem Sammelkasten bzw. Sammelrohr gebildet sein
können,
dessen Quererstreckung in y-Richtung nicht größer als die Flachrohrbreite
b zu sein braucht und in seinem Durchmesser bei einem Torsionswinkel
der Flachrohrenden von ca. 90° sogar
nur noch wenig größer als die
Flachrohrdicke zu sein braucht. Es ist daher problemlos möglich, zwei
Sammelrohre auf der betreffenden Rohrblockseite nebeneinanderliegend
in Stapelrichtung z verlaufend anzuordnen, um jeweils eines der
beiden Enden jedes Flachrohres 1 aufzunehmen. Alternativ
kann ein gemeinsames Sammelrohr für beide Stapelreihen der Rohrenden 6a, 6b vorgesehen
sein, das mittels einer Längstrennwand
in die zwei benötigten,
getrennten Sammelkanäle
unterteilt ist.
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Es zeigt sich, daß der Verdampfer 10 mit dem
so gebildeten Rohr/Rippenblock 9 in kompakter Bauform und
sehr druckstabil realisierbar ist und dabei einen hohen Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad aufweist.
Durch das Umbiegen der Flachrohre zu zwei in der Blocktiefe versetzten
Rohrabschnitten 2a, 2b kann mit relativ schmalen
Flachrohren eine Wärmeübertragungsleistung
erzielt werden, für
die ansonsten mindestens etwa doppelt so breite, nicht gebogene
Flachrohre erforderlich wären.
Gleichzeitig wird durch die einmalige Flachrohrumlenkung erreicht,
daß das
durch das Rohrinnere hindurchzuführende
Temperiermedium auf ein und derselben Rohrblockseite zu- und abgeführt werden
kann, was in manchen Anwendungsfällen
vorteilhaft ist.
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In den 5 ist
ein Ausführungsbeispiel
in Serpentinenbauweise gezeigt. Die Ausschnittsansicht von 5 zeigt dabei mehrere Serpentinen-Flachrohre 13,
die zur Bildung des dortigen Serpentinenrohrblocks in beliebiger,
gewünschter
Anzahl übereinandergestapelt
sind. Das hierfür
verwendete Serpentinen-Flachrohr 13 ist weitgehend baugleich
mit demjenigen der 1 und 2, mit der Ausnahme, daß sich beidseitig
des zu demjenigen der 1 und 2 gleichartigen Umkehrbogenabschnitts 3 jeweils
nicht nur ein geradliniger, einlagiger Rohrabschnitt, sondern ein
mehrfach serpentinenförmig
gewundener Rohrschlangenabschnitt 12 anschließt, die sich
somit wiederum in Blocktiefenrichtung um einen entsprechenden Spalt
versetzt gegenüberstehen. Die
Serpentinenwindungen 12 des jeweiligen Rohrschlangenabschnitts 13 sind
wie üblich
durch Umbiegen des Flachrohrs an der betreffenden Stelle um die dortige
Rohrquerachse um einen Winkel von 180° gebildet. Zwischen den einzelnen
Rohrschlangenwindungen 13 sowie zwischen aufeinanderfolgenden Serpentinen-Flachrohren 12 sind
wärmeleitfähige Wellrippen 8 durchgehend
von der Blockvorderseite bis zur Blockrückseite mit optionalem Überstand
eingebracht. Es versteht sich, daß hier wie auch im Beispiel
der 4 und 5 stattdessen je eine Wellrippenreihe
für jeden
der beiden in Blocktiefenrichtung versetzten Rohrblockreihen vorgesehen
sein kann, wobei in diesem Fall auch der Spalt zwischen den beiden
Blockreihen frei bleiben kann. Statt dieser hälftigen Teilung mit zwei gleich
breiten Wellrippen können über die
Rohrblocktiefe hinweg in jeder Wellrippenschicht selbstverständlich eine
beliebige andere Anzahl von Wellrippen und/oder Wellrippen mit unterschiedlicher
Breite eingesetzt werden, z.B. eine erste, sich über zwei Drittel der Rohrblocktiefe
erstreckende und eine zweite, sich über das restliche Drittel der
Rohrblocktiefe erstreckende Wellrippe. In jedem Fall begünstigt der
Spalt die Kondenswasserabscheidung des Verdampfers.
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Wie aus den 4 und 5 zu
erkennen, entspricht auch in diesem Beispiel die Höhe der Wärmeleitrippen 8 und
damit der Stapelabstand benachbarter, geradliniger Flachrohrabschnitte
sowohl innerhalb eines Serpentinen-Flachrohres 13 als auch zwischen
zwei benachbarten Serpentinen-Flachrohren 13 in
etwa der gegenüber
der Flachrohrbreite b deutlich geringeren Höhe c des Umkehrbogenabschnitts 3'. Die in diesem
Fall gewählte
Tordierung der wiederum auf derselben Blockseite mündenden
Flachrohrenden 6 von 90° kollidiert
mit dieser geringen Stapelhöhe
nicht, da die Serpentinen-Flachrohre 13 aufgrund ihrer
Rohrschlangenabschnitte 12 insgesamt jeweils eine gegenüber der
Flachrohrbreite größere Höhe in Stapelrichtung
z aufweisen. Die rechtwinklige Tordierung der Enden 6 um 90° ermöglicht, wie
erwähnt,
die Verwendung besonders schmaler Sammelkanäle bzw. diese bildende Sammelrohre.
In 5 ist ein solches
vorderseitiges Sammelrohr 7 dargestellt, in das die vordere
Reihe der Flachrohrenden 6 einmündet. Zudem können wie
in 5 dargestellt die
Serpentinen-Flachrohre 13 mit dem Flachrohr 1 der 1 und 2 kombiniert werden.
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Zu den beiden gezeigten Flachrohrgestaltungen
sind zahlreiche weitere Alternativen möglich. So kann das Flachrohr
zwei oder mehr Umkehrbogenabschnitte und dementsprechende Umlenkungen aufweisen.
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Zudem kann das Serpentinen-Flachrohr 13 von 5 dahingehend modifiziert
werden, daß durch
mindestens eine weitere Serpentinenwindung im einen und/oder im
anderen Serpentinenrohrabschnitt das betreffende Flachrohrende 6 auf
der dem Umkehrbogenabschnitt 3 gegenüberliegenden Blockseite zu
liegen kommt. In einer weiteren Realisierung kann ein Serpentinen-Flachrohr 13 der
Art von 5, jedoch mit
einem oder mehreren zusätzlichen
Umkehrbogenabschnitten 3 vorgesehen sein, um damit einen
in Blocktiefenrichtung mindestens dreiteiligen Rohrblock für einen
Serpentinen-Wärmeübertrager
aufzubauen. Je nach Anwendungsfall können die Flachrohrenden 6 auch
untordiert belassen werden.
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In denjenigen Ausführungsbeispielen,
in denen die Flachrohrenden 6 auf derselben Blockseite ausmünden, kann
statt zweier Sammelrohre 7 oder eines gemeinsamen Sammelrohrs,
in das bei der Herstellung eine Längstrennwand separat eingebracht
wird, ein Zweikammer-Sammelrohr verwendet werden, welches bereits
im Fertigungsstadium zwei getrennte, längsverlaufende Hohlkammern
aufweist. Es ist aus einem extrudierten Profil gefertigt und beinhaltet
integral zwei voneinander getrennte Längskammern, welche die Sammelkanäle für den betreffenden
Wärmeübertrager
bilden. Dazu sind, wie auch in den anderen Sammelrohrausführungen,
geeignete umfangsseitige Schlitze in das Sammelrohr 7 einzubringen,
in welche die Flachrohrenden 6 dicht eingefügt werden.
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Je nach Wärmeübertragertyp können zudem Sammelrohre
verwendet werden, die mittels entsprechender Querwände mehrere,
in der Blockhochrichtung z voneinander getrennte Sammelkanäle beinhalten.
Dadurch werden die Flachrohre im Rohrblock zu mehreren Gruppen derart
zusammengefaßt,
daß die
Rohre einer Gruppe parallel und die verschiedenen Rohrgruppen seriell
durchströmt
werden. Ein zugeführtes
Temperiermedium strömt
von einem eintrittsseitigen Sammelkanal in die Gruppe der dort mündenden
Flachrohre und gelangt dann an deren anderem Ende in einen als Umlenkraum
fungierenden Sammelkanal, in den neben dieser ersten Gruppe eine
zweite Flachrohrgruppe einmündet,
in die das Temperiermedium dann umgelenkt wird. Dies kann durch
entsprechende Positionierung der Querwände in einem oder beiden Sammelrohren
in beliebiger Weise bis zu einem austrittsseitigen Sammelkanal fortgesetzt
werden, über
den das Temperiermedium dann den Rohrblock verläßt.
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Die obige Beschreibung verschiedener
Ausführungsbeispiele
zeigt, daß sich
mit den erfindungsgemäßen Flachrohren
sehr kompakte, druckstabile Flachrohrblöcke in einlagiger Bauweise
oder Serpentinenbauweise mit hohem Wärmeübertragungsvermögen herstellen
lassen. Damit hergestellte Wärmeübertrager
eignen sich z.B. auch für
mit vergleichsweise hohem Druck arbeitende CO2-Klimaanlagen, wie
sie zunehmend für
Kraftfahrzeuge in Betracht gezogen werden.