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Gebiet der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Tauscherrohr und einen Wärmetauscher.
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Stand der Technik
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Bei Fahrzeugen wie beispielsweise Personen- oder Lastkraftwagen werden Wärmetauscher als Teil von Kühlkreisläufen eingesetzt, die wiederum zur Kühlung von Fahrzeugkomponenten wie Motor, Getriebe usw. benötigt werden. Bei einigen dieser Kühlkreisläufe wird ein flüssiges Wärmeaustauschmedium verwendet, das Wärme von den Fahrzeugkomponenten aufnimmt und am Hauptwärmetauscher wie beispielsweise einem in der Vorderseite des Fahrzeugs eingebauten Kühler in die Umgebungsluft überträgt. In anderen Fällen ist der Wärmetauscher ein Kondensator, bei dem das Wärmeaustauschmedium (oder-fluid) in gasförmigem Zustand in den Kondensator eintritt, im Kondensator kondensiert und gekühlt wird und den Kondensator in flüssigem Zustand verlässt.
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Gemäß einer üblichen Konstruktion umfasst der Wärmetauscher einen Einlassverteiler bzw. Einlassbehälter, der mit einem Wärmetauscherkern verbunden ist. Der Wärmetauscherkern umfasst üblicherweise eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Tauscherrohren, die größtenteils für den Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und der Umgebungsluft verantwortlich sind. Der für die Kühlung des Fluids erforderliche Luftstrom kann dem Tauscherkern durch erzwungene oder natürliche Konvektion bereitgestellt werden. Man könnte sagen, dass das Fluid im Einlassbehälter aufgenommen wird, von wo aus es zu den Tauscherrohren verteilt wird. Das Fluid wird von den Tauscherrohren zu einem Auslassbehälter geleitet. Gemäß einer anderen Konstruktion sind ein Einlasshohlraum und ein Auslasshohlraum als getrennte Abschnitte in einem einzigen Behälter vorgesehen.
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An den Tauscherrohren sind häufig äußere Rippen vorgesehen, um die wirksame Oberfläche und somit die Wärmeübertragung zur Umgebungsluft zu erhöhen. Bekannterweise wird das einzelne Rohr auch mit einer inneren Struktur versehen, die manchmal als Turbulator oder innere Rippe bezeichnet wird. Diese Strukturen können mehreren Zwecken dienen. Sie vergrößern beispielsweise den für die Wärmeübertragung verfügbaren Flächenbereich, können die Bildung einer nichtlaminaren, turbulenten Strömung erleichtern und können die strukturelle Integrität des Rohrs erhöhen. Die innere Rippe erstreckt sich normalerweise entlang der Länge des Tauscherrohrs und definiert eine Vielzahl von Rinnen bzw. Kanälen für die Strömung eines Wärmeübertragungsfluids.
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Wärmetauscherrohre mit einer Vielzahl von Rinnen sind auch als Mehrkanalrohre bekannt. Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Mehrkanalrohren ist das Strangpressen eines Strangs aus einem verformbaren wärmeleitenden Material durch eine Matrize. Das Strangpressverfahren ermöglicht die Bildung der inneren Rippen derart, dass sie komplizierte geometrische Merkmale zur Verbesserung der Wärmeübertragungseffizienz, die andere bekannte Herstellungsverfahren nicht ohne Weiteres bereitstellen könnten, aufweisen. Das Strangpressverfahren ist jedoch teuer, weil die Strangpressmatrize häufig ausgetauscht werden muss, um die gewünschten Abmessungen der komplizierten geometrischen Merkmale beizubehalten. Stranggepresste Rohre sind auch anfällig für Korrosionsangriff durch Streusalz und sauren Regen und machen umfangreiche Korrosionsschutzbeschichtungen für Kraftfahrzeuganwendungen erforderlich, welche die Herstellung und Kosten noch komplexer machen.
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Ein anderes bekanntes Verfahren zur Bildung von Mehrkanalrohren ist das Falten einer oder mehrerer Flächengebilde aus einem biegsamen, wärmeleitenden Material (normalerweise Metall). Mehrere Kanäle können durch innere gewellte Falten aus Blechmaterial definiert werden, die die innere Rippe bilden. Gefaltete Rohre stellen gegenüber stranggepressten Rohren zahlreiche Vorteile in Bezug auf niedrigere Kosten und leichte Herstellung für das Rohr selbst sowie für die Endmontage des Wärmetauschers bereit. Ein Vorteil besteht darin, dass gefaltete Rohre aus dünnen Bändern plattierten Aluminiums gebildet werden können, was einen hervorragenden Korrosionsschutz bietet, ohne dass zusätzliche Beschichtungen aufgebracht werden müssen. Manchmal wird ein einziges Blech für das gesamte Rohr verwendet, wie beispielsweise in der
WO 2012/106242 A2 gezeigt. Gemäß einer anderen Konstruktion wird ein dünneres Blech für die innere Rippe verwendet, während ein dickeres Blech für das Außenmantelrohr verwendet wird, wie in
US 2017/0144212 A1 ,
EP 3 399 267 A1 oder
US 2007/0095514 A1 gezeigt. Bei noch einer anderen Konstruktion werden ein dünneres Blech die innere Rippe und zwei dickere Bleche für den Außenmantel verwendet, wie in der
DE 10 2008 052 785 A1 offenbart.
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Die vordere Nase des Rohrs, d. h. der Teil, der zur Vorderseite des Kraftfahrzeugs hin orientiert ist, ist der einströmenden Luft ausgesetzt, um die Wärmeübertragungseffizienz zu erhöhen, während sich das Fahrzeug in der Vorwärtsrichtung bewegt. Diese Konfiguration hat jedoch zur Folge, dass die vordere Nase anfällig für Stoßschäden durch Risiken auf der Straße wie beispielsweise Steine und Schutt sowie für Korrosionsschäden durch Umwelteinflüsse wie beispielsweise sauren Regen, Streusalz und Windreibung ist. Dies gilt insbesondere für gefaltete Rohre, weil die Dicke bzw. Stärke der vorderen Nase die gleiche ist wie die des dünnen Bands aus plattiertem Aluminiummaterial, aus dem das gefaltete Rohr gefertigt wird.
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Um dieses Problem zu überwinden, wurde vorgeschlagen, mehrere Schichten Blechmaterial in der vorderen Nase bereitzustellen, entweder durch mehrschichtiges Falten eines einzigen Blechs oder durch Bereitstellen einer Überlappung mehrerer Bleche. Diese Maßnahmen machen das Bildungs- und Montageverfahren jedoch kompliziert. Außerdem besteht oft ein Kompromiss zwischen der Maximierung der Stabilität und der Minimierung des Gewichts des Rohrs. Ein anderes Problem ergibt sich, wenn für die innere Rippe ein spezielles Blech verwendet wird, weil die Position der Rippe in Bezug auf den Außenmantel während des Montageverfahrens gesichert werden muss, bevor sie durch einen abschließenden Hartlötvorgang gefügt werden können.
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Technische Aufgabe
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mehrkanaltauscherrohr für einen Wärmetauscher bereitzustellen, das im Verhältnis zu seinem Gewicht eine vorteilhafte mechanische Stabilität aufweist und einfach zu fertigen ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Tauscherrohr nach Anspruch 1 und einen Wärmetauscher nach Anspruch 17.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung sieht ein Tauscherrohr für einen Wärmetauscher vor. Dies kann insbesondere ein Wärmetauscher für ein Fahrzeug wie beispielsweise einen Personen- oder Lastkraftwagen sein. Der Wärmetauscher ist normalerweise ein Kondensator, derje nach Fall in einem vorderen Abschnitt des Fahrzeugs oder in einem beliebigen anderen Teil des Fahrzeugs anzubringen ist.
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Das Tauscherrohr, das man auch als „Wärmetauscherrohr“ oder für die spezielle Anwendung als „Kondensatorrohr“ bezeichnen kann, erstreckt sich in einer Querrichtung mit einem dazu senkrechten Querschnitt, der in einer Längsrichtung in Bezug auf eine Vertikalrichtung länglich ist. Im Allgemeinen werden die Begriffe „quer“, „längs“ und „vertikal“ in diesem Rahmen verwendet, um ein Bezugssystem mit drei paarweise orthogonalen Richtungen zu definieren. Insofern sind diese Begriffe nicht als in irgendeiner Weise einschränkend aufzufassen. Wenn das Tauscherrohr jedoch in einem Wärmetauscher in einem Fahrzeug eingebaut ist, entsprechen die Längsrichtung normalerweise der Längsachse (X-Achse) des Fahrzeugs, die Querrichtung der Querachse (Y-Achse) des Fahrzeugs und die Vertikalrichtung der Vertikalachse (Z-Achse) des Fahrzeugs. Die Querrichtung entspricht normalerweise der größten Abmessung des Tauscherrohrs. Das Tauscherrohr ist in der Regel gerade und hat einen gleichbleibenden Querschnitt entlang der Querrichtung. Der Querschnitt senkrecht zur Querrichtung ist in der Längsrichtung in Bezug auf die Vertikalrichtung länglich; d. h., dass die Abmessung des Tauscherrohrs in der Längsrichtung größer als seine Abmessung in der Vertikalrichtung ist, normalerweise mindestens dreimal, mindestens fünfmal oder mindestens achtmal größer. Entsprechend dem länglichen Querschnitt kann man das Tauscherrohr auch als flaches Tauscherrohr bezeichnen. Das Tauscherrohr ist insbesondere in der Vertikalrichtung abgeflacht.
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Das Tauscherrohr umfasst einen Außenmantel, der aus einem einzigen ersten Metallband ausgebildet ist und einen inneren Hohlraum umgibt. Das erste Metallband kann auch als erstes Blech bezeichnet werden und besteht normalerweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Es ist jedoch anzumerken, dass eine Oberfläche oder beide Oberflächen des ersten Metallbands zumindest teilweise mit einem Hartlötmaterial - beispielsweise einer Aluminiumlegierung wie AA4343 oder allgemein der Legierungsserie AA4XXX - bedeckt sein können. Der Außenmantel umgibt einen inneren Hohlraum, wobei es sich versteht, dass der Hohlraum nicht vollständig vom Außenmantel umschlossen ist, weil das Tauscherrohr an jedem der beiden Enden in der Querrichtung mindestens eine Öffnung aufweisen muss, damit das Fluid in das Rohr eintreten und daraus austreten kann. Es ist auch anzumerken, dass der innere Hohlraum nicht durchgehend sein muss, sondern in mehrere Abschnitte bzw. Unterhohlräume unterteilt sein kann, die nicht direkt miteinander in Verbindung stehen, d. h. nicht für einen direkten Fluidaustausch ausgelegt sind. Natürlich könnte man jeden der Abschnitte auch als Hohlraum betrachten. Es versteht sich, dass der Außenmantel normalerweise eine fluiddichte Dichtung um den inneren Hohlraum herum senkrecht zur Querrichtung (d. h. auf jeder der beiden Seiten in der Längsrichtung und Vertikalrichtung) bereitstellt.
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Der Außenmantel umfasst einen ersten Seitenwandabschnitt auf einer vertikal ersten Seite und einen zweiten Seitenwandabschnitt auf einer vertikal zweiten Seite, die sich in der Längsrichtung erstrecken und in der Vertikalrichtung beabstandet sind. Die Begriffe „erste Seite“ und „zweite Seite“ dienen nur zur Unterscheidung zweier einander gegenüberliegender Seiten des Tauscherrohrs entlang der Vertikalrichtung und sind insofern nicht als in irgendeiner Weise einschränkend aufzufassen. Wenn es im Fahrzeug eingebaut ist, kann die hierin als „erste Seite“ bezeichnete Seite zum Beispiel in Bezug auf die Schwerkraftrichtung nach oben oder nach unten zeigen. Bei einigen Ausführungsformen könnte die „erste Seite“ auch als „Oberseite“ bezeichnet werden, wobei in diesem Fall Begriffe wie „zur ersten Seite hin“ durch „nach oben“ oder „über“ ersetzt werden könnten. Entsprechend einer üblichen Konstruktion sind beide Seitenwandabschnitte gerade und parallel zur Längsrichtung. Sie sind in der Vertikalrichtung beabstandet, wobei der oben erwähnte innere Hohlraum (oder zumindest ein Teil davon) dazwischen angeordnet ist. Der Außenmantel umfasst ferner einen hinteren Abschnitt, der die Seitenwandabschnitte auf einer longitudinal hinteren Seite verbindet. Die Begriffe „hintere Seite“ und „vordere Seite“ dienen nur zur Unterscheidung zweier einander gegenüberliegender Seiten des Tauscherrohrs entlang der Längsrichtung und sind insofern nicht als in irgendeiner Weise einschränkend aufzufassen. Wenn es jedoch in einem Fahrzeug eingebaut ist, ist die vordere Seite normalerweise der Vorderseite des Fahrzeugs zugewandt, während die hintere Seite dessen Heck zugewandt ist. Es versteht sich, dass alle hierin erwähnten Abschnitte ein Teil eines einzigen, durchgehenden Metallstücks - nämlich des ersten Metallbands - sind, weshalb die Grenze zwischen zwei benachbarten Abschnitten eventuell nicht klar erkennbar ist. Der hintere Abschnitt ist oft derart bogenförmig bzw. gebogen, dass ein gleichmäßiger Übergang zwischen den zwei Seitenwandabschnitten vorliegt. Es sind jedoch auch andere Konstruktionen möglich. Da der hintere Abschnitt die Seitenwandabschnitte verbindet, erstreckt er sich entlang der Vertikalrichtung (ist normalerweise aber nicht parallel dazu).
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Ein innerer vorderer Abschnitt des Außenmantels erstreckt sich vom ersten Seitenwandabschnitt auf einer longitudinal vorderen Seite zur zweiten Seite hin und ein äußerer vorderer Abschnitt des Außenmantels erstreckt sich vom zweiten Seitenwandabschnitt auf der vorderen Seite zur ersten Seite hin und ist zumindest teilweise mit dem inneren vorderen Abschnitt überlappt, wobei der innere vordere Abschnitt einen inneren konvexen Abschnitt umfasst und der äußere vordere Abschnitt einen äußeren konvexen Abschnitt, der in Bezug auf den inneren Hohlraum vom inneren konvexen Abschnitt aus nach außen angeordnet ist, umfasst. Der innere vordere Abschnitt erstreckt sich vom ersten Seitenwandabschnitt zur zweiten Seite hin, doch generell nicht parallel zur Vertikalrichtung. Er wird als „innerer“ vorderer Abschnitt bezeichnet, weil er zumindest teilweise näher am inneren Hohlraum angeordnet ist. Er erstreckt sich vom ersten Seitenwandabschnitt aus auf einer (longitudinal) vorderen Seite, die natürlich der oben erwähnten hinteren Seite gegenüberliegt. Desgleichen erstreckt sich der äußere vordere Abschnitt von der vorderen Seite des zweiten Seitenwandabschnitts zur ersten Seite hin, generell aber nicht parallel zur Vertikalrichtung. Demgemäß erstreckt sich jeder der vorderen Abschnitte von einem Seitenwandabschnitt zum anderen Seitenwandabschnitt hin. Beide vorderen Abschnitte überlappen sich zumindest teilweise derart, dass sie eine Doppelwand bilden, die den inneren Hohlraum von der Außenseite des Tauscherrohrs trennt. Der innere vordere Abschnitt umfasst einen inneren konvexen Abschnitt, wohingegen der äußere vordere Abschnitt einen äußeren konvexen Abschnitt umfasst. In diesem Rahmen bezieht sich der Begriff „konvex“ auf die Form von der Außenseite des Tauscherrohrs aus gesehen. Jeder konvexe Abschnitt kann bogenförmig und durchgehend (oder in Abschnitten) gebogen sein, doch er könnte auch mindestens eine spitze Biegung oder einen spitzen Knick aufweisen. Normalerweise überlappen sich die beiden konvexen Abschnitte teilweise oder sogar vollständig. Bei einer Konfiguration, bei der die vordere Seite der Fahrtrichtung des Fahrzeugs entspricht, können die vorderen Abschnitte als Elemente einer vorderen Nase betrachtet werden.
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Das Tauscherrohr umfasst ferner eine innere Rippe, die aus einem einzigen zweiten Metallband ausgebildet ist, zumindest größtenteils innerhalb des Außenmantels angeordnet ist und sich von einem hinteren Rippenabschnitt zu einem vorderen Rippenabschnitt, der zumindest teilweise zwischen dem inneren vorderen Abschnitt und dem äußeren vorderen Abschnitt aufgenommen ist, erstreckt. Das zweite Metallband kann auch als zweites Blech bezeichnet werden und besteht normalerweise auch aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Wie beim ersten Metallband können eine Oberfläche oder beide Oberflächen des zweiten Metallbands zumindest teilweise mit einem Hartlötmaterial bedeckt sein. Die Dicke (bzw. Stärke) des zweiten Metallbands ist normalerweise beträchtlich geringer als die Dicke des ersten Metallbands, weil die innere Rippe größtenteils oder vollständig innerhalb des Außenmantels angeordnet ist und demnach nicht die gleiche mechanische Stabilität aufweisen muss. Ohne die Erfindung in dieser Hinsicht einzuschränken, kann die innere Rippe verschiedene Funktionen aufweisen, wie beispielsweise die Vergrößerung des für die Wärmeübertragung verfügbaren Flächenbereichs, die Erleichterung der Bildung einer turbulenten Strömung und die Erhöhung der strukturellen Integrität des Rohrs. Der hintere Rippenabschnitt ist natürlich auf der longitudinal hinteren Seite der inneren Rippe angeordnet, während der vordere Rippenabschnitt auf der vorderen Seite angeordnet ist. Der vordere Rippenabschnitt ist zumindest teilweise zwischen dem inneren vorderen Abschnitt und dem äußeren vorderen Abschnitt des Außenmantels aufgenommen. Man könnte auch sagen, dass der vordere Rippenabschnitt zumindest teilweise zwischen den vorderen Abschnitten des Außenmantels geklammert ist. Dies dient einerseits der Sicherung der Position der inneren Rippe in Bezug auf den Außenmantel. Andererseits wird eine wirksame dreischichtige Struktur gebildet, die die mechanische Stabilität auf der vorderen Seite des Tauscherrohrs, die normalerweise der vorderen Nase entspricht, verbessert. Es wird dennoch eine relativ kleine Materialmenge verwendet, weshalb das Gewicht des Tauscherrohrs niedrig gehalten werden kann.
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Der äußere vordere Abschnitt nimmt einen Federabschnitt, der den inneren konvexen Abschnitt umfasst, von der ersten Seite aus in Eingriff und nimmt den Federabschnitt von der zweiten Seite aus über den dazwischen angeordneten vorderen Rippenabschnitt in Eingriff, wodurch der Federabschnitt in der Vertikalrichtung geklammert ist. Der Begriff „geklammert“ bezeichnet somit die Tatsache, dass der Federabschnitt an einander gegenüberliegenden Abschnitten durch den äußeren vorderen Abschnitt gehalten wird und folglich als Stütz- und/oder Führungsrahmen wirkt. Bei einigen Ausführungsformen kann der Federabschnitt vollständig durch den inneren konvexen Abschnitt ausgebildet sein, während er bei anderen Ausführungsformen zusätzliche Abschnitte umfassen kann. Obwohl das Herstellungsverfahren des Wärmetauscherrohrs vorzugsweise eine elastische Verformung des Federabschnitts umfasst, wie nachfolgend besprochen wird, ist der Begriff „Federabschnitt“ nicht als auf eine solche Ausführungsform eingeschränkt aufzufassen. Der äußere vordere Abschnitt nimmt den Federabschnitt von der ersten Seite aus in Eingriff, d. h. er befindet sich von der vertikal ersten Seite aus in direktem Kontakt mit dem Federabschnitt. Andererseits nimmt der äußere vordere Abschnitt den Federabschnitt von der zweiten Seite aus - d. h. von der vertikal zweiten Seite aus - indirekt über den vorderen Rippenabschnitt in Eingriff. Mit anderen Worten: der äußere vordere Abschnitt nimmt den vorderen Rippenabschnitt direkt in Eingriff und der vordere Rippenabschnitt wiederum nimmt den Federabschnitt direkt in Eingriff. Infolgedessen bildet der äußere vordere Abschnitt eine Klammer um den Federabschnitt herum in der Vertikalrichtung, d. h., dass der Federabschnitt vertikal geklammert ist. Infolgedessen bildet der äußere vordere Abschnitt eine Klammer um den Federabschnitt herum in der Vertikalrichtung, d. h., dass der Federabschnitt vertikal geklammert ist. Demgemäß werden eine genaue Positionierung des äußeren vorderen Abschnitts, des Federabschnitts und des vorderen Rippenabschnitts sowie eine feste Verbindung zwischen diesen Abschnitten gebildet. Dies ist bei einem Fügeverfahren wie einem Hartlötverfahren besonders hilfreich.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der Federabschnitt in der Vertikalrichtung (d. h. in Richtung der Rohrdicke) elastisch zusammengedrückt. Mit anderen Worten: der äußere vordere Abschnitt übt vertikale Kräfte auf den Federabschnitt aus, die eine elastische Verformung des Federabschnitts bewirken. Es ist allerdings anzumerken, dass in Abhängigkeit von dem Material des Außenmantels und den Bedingungen eines Hartlötverfahrens, an dem normalerweise eine Erwärmung des gesamten Tauscherrohrs beteiligt ist, eine elastische Verformung des Federabschnitts in eine plastische Verformung übergehen kann. Es versteht sich jedoch, dass ein elastisches Zusammendrücken des Federabschnitts einen engen Kontakt mit dem äußeren vorderen Abschnitt bzw. dem vorderen Rippenabschnitt sicherstellt.
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Der innere vordere Abschnitt umfasst vorteilhafterweise einen schrägen Abschnitt angrenzend an den inneren konvexen Abschnitt, wobei der schräge Abschnitt vom ersten Seitenwandabschnitt aus zur zweiten Seite hin schräg/gebogen ist, wodurch der innere konvexe Abschnitt vom ersten Seitenwandabschnitt aus zur zweiten Seite hin versetzt ist und ein Endabschnitt des äußeren vorderen Abschnitts auf der ersten Seite relativ zum inneren konvexen Abschnitt angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der innere konvexe Abschnitt nicht direkt angrenzend an den ersten Seitenwandabschnitt angeordnet, wobei aber der schräge Abschnitt dazwischen angeordnet ist. Der schräge Abschnitt ist in einem Winkel in Bezug auf den ersten Seitenwandabschnitt angeordnet; er ist insbesondere zur zweiten Seite hin, d. h. zum zweiten Seitenwandabschnitt hin, schräg. Der schräge Abschnitt umfasst normalerweise einen konvexen Unterabschnitt angrenzend an den ersten Seitenwandbereich und einen konkaven Unterabschnitt angrenzend an den inneren konvexen Abschnitt. Mit anderen Worten: der Winkel zwischen dem schrägen Abschnitt und dem ersten Seitenwandabschnitt nimmt anfangs zu und dann wieder ab. Am Übergang zwischen dem schrägen Abschnitt und dem inneren konvexen Abschnitt kann der innere vordere Abschnitt sogar parallel zum ersten Seitenwandabschnitt sein. Der innere konvexe Abschnitt ist durch das Dazwischenbringen des schrägen Abschnitts vom ersten Seitenwandabschnitt zur zweiten Seite hin versetzt. Dies führt dazu, dass auf der ersten Seite relativ zum inneren konvexen Abschnitt ein zusätzlicher Raum zur Verfügung steht, der bei dieser Ausführungsform von einem Endabschnitt des äußeren vorderen Abschnitts eingenommen ist.
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Der schräge Abschnitt weist vorzugsweise eine Neigung von weniger als 70° in Bezug auf den ersten Seitenwandabschnitt auf. Da der Übergang zwischen dem schrägen Abschnitt und den angrenzenden Abschnitten normalerweise nicht abrupt ist, ist die Neigung normalerweise nicht gleichbleibend. Insofern bezieht sich die Aussage auf die maximale Neigung (oder den Neigungswinkel) in Bezug auf den ersten Seitenwandabschnitt. Diese ist normalerweise identisch mit der Neigung in Bezug auf die Längsrichtung. Wenn die Neigung auf weniger als 70° begrenzt ist, trägt dies dazu bei, eine übermäßig spitze Biegung zwischen dem ersten Seitenwandabschnitt und dem schrägen Abschnitt zu vermeiden, was wiederum die Belastung des ersten Metallbands während des Bildungsverfahrens verringert. Bei einigen Ausführungsformen kann die Neigung sogar auf weniger als 60° begrenzt werden.
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Der Querschnitt des Endabschnitts kann derart angepasst werden, dass er besser zum Querschnitt des inneren vorderen Abschnitts passt. Gemäß einer solchen Ausführungsform umfasst der Endabschnitt einen sich verjüngenden Querschnitt und ist er angrenzend an den schrägen Abschnitt angeordnet. Der Querschnitt des Endabschnitts verjüngt sich, d. h. die Dicke des Endabschnitts nimmt zu seinem Rand hin ab. Dies ermöglicht die Positionierung des Endabschnitts angrenzend an den und zumindest nahe dem schrägen Abschnitt. Insbesondere kann der Endabschnitt an mehreren Stellen und/oder über eine bestimmte Strecke mit dem schrägen Abschnitt in Kontakt sein. Dies wiederum ermöglicht es, den Endabschnitt an den schrägen Abschnitt zu fügen, beispielsweise durch Hartlöten.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie man den sich verjüngenden Querschnitt realisieren kann. Die Dicke könnte allmählich und/oder stufenweise abnehmen. Die Abnahme könnte entlang der Länge des Endabschnitts gleich bleiben oder sie könnte variieren. Gemäß einer Ausführungsform ist der sich verjüngende Querschnitt ein keilartiger Querschnitt mit einem Keilwinkel von weniger als 70°. Der Keilwinkel bleibt normalerweise gleich, kann aber auch eine Variation entlang der Länge des Endabschnitts aufweisen. Die Größe des Keilwinkels kann entsprechend einer Neigung des schrägen Abschnitts in Bezug auf den ersten Seitenwandabschnitt ausgewählt werden.
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Es wird sehr bevorzugt, dass der äußere vordere Abschnitt in Bezug auf die Vertikalrichtung bündig mit dem ersten Seitenwandabschnitt ist. Mit anderen Worten: der äußere vordere Abschnitt erstreckt sich entlang der Vertikalrichtung zu der gleichen Position (d. h. der gleichen „Höhe“) wie der erste Seitenwandabschnitt. Dies kann zu einer geraden Oberseite des Tauscherrohrs führen, wobei die Oberseite hauptsächlich durch den ersten Seitenwandabschnitt und bis zu einem gewissen Grad durch den äußeren vorderen Abschnitt ausgebildet ist. Es ist anzumerken, dass diese Ausführungsform vorzugsweise mit der oben erwähnten Ausführungsform, bei welcher der Endabschnitt einen sich verjüngenden Querschnitt aufweist, kombiniert wird (und durch diese erleichtert wird).
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Es wird zur sicheren Verbindung und auch zur Verbesserung der Stabilität der Vorderseite des Tauscherrohrs bevorzugt, dass der vordere Rippenabschnitt an den inneren vorderen Abschnitt und den äußeren vorderen Abschnitt gefügt wird. Dieses Fügen entspricht in der Regel einer Hartlötverbindung. Wie oben erläutert, können der Außenmantel und/oder die innere Rippe derart mit einem Hartlötmaterial überdeckt werden, dass nach der Bildung und Montage des Außenmantels und der inneren Rippe das gesamte Tauscherrohr erwärmt werden kann, um das Hartlötmaterial zu schmelzen und dadurch alle Hartlötverbindungen im Tauscherrohr gleichzeitig anzubringen.
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Es wird desgleichen bevorzugt, dass der Endabschnitt an den schrägen Abschnitt gefügt wird. Auch dieses Fügen wird normalerweise durch Hartlöten erzielt. Diese Fügeverbindung kann durch einen sich verjüngenden Querschnitt des Endabschnitts, der ziemlich genau an den Querschnitt des schrägen Abschnitts angepasst ist, erleichtert und verbessert werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass sich der vordere Rippenabschnitt in der Vertikalrichtung über 30-60 % einer Höhe des inneren Hohlraums erstreckt, die durch einen Abstand der Seitenwandabschnitte in der Vertikalrichtung definiert ist, und dass der innere vordere Abschnitt und der äußere vordere Abschnitt durch einen Zwischenraum auf der ersten Seite relativ zum vorderen Rippenabschnitt getrennt sind. Die Höhe des inneren Hohlraums ist der vertikale Abstand zwischen dem ersten Seitenwandabschnitt und dem zweiten Seitenwandabschnitt. Wenn dieser Abstand nicht gleich bleibt, ist die „Höhe“ in diesem Rahmen insbesondere der vertikale Abstand an der vorderen Seite der Seitenwandabschnitte, die an den inneren bzw. äußeren vorderen Abschnitt angrenzen. Da der vordere Rippenabschnitt zwischen dem inneren und äußeren vorderen Abschnitt aufgenommen ist, erstreckt er sich zur ersten Seite hin. Wie oben erwähnt, ist der Endabschnitt des äußeren vorderen Abschnitts vorzugsweise direkt an den schrägen Abschnitt gefügt, weshalb sich der vordere Rippenabschnitt nicht bis zum Endabschnitt erstrecken sollte. Es wurde sogar festgestellt, dass der vordere Rippenabschnitt vorzugsweise in einem bestimmten Abstand vom Endabschnitt enden sollte. Wegen der endlichen Dicke des vorderen Rippenabschnitts besteht ein Zwischenraum zwischen dem inneren und äußeren vorderen Abschnitt auf der ersten Seite relativ zum vorderen Rippenabschnitt. Dieser Zwischenraum kann zum Endabschnitt hin, der mit dem schrägen Abschnitt und möglicherweise mit dem inneren konvexen Abschnitt in Kontakt sein kann, allmählich abnehmen. Um dies zu erleichtern, sollte sich der vordere Rippenabschnitt bis zu maximal 60 % oder nur 50 % der Höhe des inneren Hohlraums erstrecken. Andererseits sollte sich der vordere Rippenabschnitt bis zu mindestens 30 % oder 40 % der Höhe erstrecken, was beispielsweise die Aufrechterhaltung der Zugspannung auf den Federbereich unterstützt. Es ist anzumerken, dass in dem Bereich mit dem Zwischenraum der äußere vordere Abschnitt bis zu einem gewissen Grad in den Zwischenraum hinein ohne eine entsprechende Verformung des inneren vorderen Abschnitts verformt werden kann. Mit anderen Worten: es gibt einen Bereich, in dem die Verformung der vorderen Abschnitte (bis zu einem gewissen Grad) entkoppelt ist, was für die Stoßfestigkeit des Tauscherrohrs von Vorteil sein kann.
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Bei einer Ausführungsform umfasst der innere vordere Abschnitt einen Schenkelabschnitt angrenzend an den inneren konvexen Abschnitt, wobei der vordere Rippenabschnitt zumindest teilweise zwischen dem Schenkelabschnitt und dem zweiten Seitenwandabschnitt aufgenommen ist. Der Schenkelabschnitt kann ein Teil des Federabschnitts sein. Der Schenkelabschnitt kann insbesondere während der Bildung und Montage des Tauscherrohrs dazu dienen, eine elastische Verformungskraft in den inneren konvexen Abschnitt einzubringen. Der Schenkelabschnitt ist gegenüber dem zweiten Seitenwandabschnitt angeordnet und ist in montiertem Zustand normalerweise parallel zum zweiten Seitenwandabschnitt und ersten Seitenwandabschnitt. Es ist allerdings möglich, dass der Schenkelabschnitt sich anfangs derart in einem Winkel in Bezug auf den ersten Seitenwandabschnitt befindet, dass er, wenn der obere und der zweite Seitenwandabschnitt in ihre endgültige parallele Position bewegt werden, durchgebogen werden muss, um die parallele Position zu erreichen, was wiederum eine elastische Verformungskraft auf den inneren konvexen Abschnitt erzeugt.
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Vorzugsweise nimmt der hintere Rippenabschnitt den hinteren Abschnitt in der Längsrichtung in Eingriff. Mit anderen Worten: die innere Rippe erstreckt sich derart über die gesamte Länge des inneren Hohlraums, dass der hintere Rippenabschnitt in Kontakt mit dem hinteren Abschnitt des Außenmantels ist. Die innere Rippe kann insbesondere in der Längsrichtung derart elastisch verformt werden, dass der hintere Rippenabschnitt gegen den hinteren Abschnitt des Außenmantels drückt.
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Die innere Rippe umfasst normalerweise einen mittleren Rippenabschnitt zwischen dem hinteren Rippenabschnitt und dem vorderen Rippenabschnitt, wobei der mittlere Rippenabschnitt zumindest teilweise gewellt ist und mit beiden Seitenwandabschnitten in Kontakt ist. Der Querschnitt des mittleren Rippenabschnitts ist zumindest teilweise gewellt, was einer Mäander-, Zickzack- oder Wellenform entspricht. Der mittlere Rippenabschnitt ist demgemäß abwechselnd zur ersten und zur zweiten Seite hin zwischen dem oberen und dem zweiten Seitenwandabschnitt gerichtet und ist an bestimmten Stellen in Kontakt mit dem ersten Seitenwandabschnitt bzw. dem zweiten Seitenwandabschnitt. Es ist auch möglich, dass die vertikale Abmessung des mittleren Rippenabschnitts vor der Montage derart größer gewählt wird als die Höhe des inneren Hohlraums, dass er während der Montage des Tauscherrohrs (elastisch und/oder plastisch) verformt werden muss. Es versteht sich, dass der mittlere Rippenabschnitt den inneren Hohlraum in Unterabschnitte, also Unterhohlräume, unterteilt. Dies erzeugt wirksam eine Vielzahl von Strömungsrinnen innerhalb des Wärmetauscherrohrs, was die Erzeugung einer turbulenten Strömung erleichtert. Demgemäß kann man das Tauscherrohr als Mehrkanalrohr betrachten. Die gewellte Struktur vergrößert auch die Kontaktfläche zwischen dem Fluid und dem Wärmetauscherrohr, wodurch die Wärmeübertragung verbessert wird. Schließlich verbessert die gewellte Struktur die mechanische Stabilität des Wärmetauscherrohrs.
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Es wird bevorzugt, dass der mittlere Rippenabschnitt an beide Seitenwandabschnitte gefügt wird. Wieder wird dieses Fügen normalerweise durch Hartlöten durchgeführt. Durch das Fügen des mittleren Abschnitts an den ersten und zweiten Seitenwandabschnitt wird die Position der inneren Rippe relativ zum Außenmantel gesichert und die mechanische Stabilität des Tauscherrohrs verbessert.
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Die innere Rippe umfasst vorzugsweise einen Anschlagabschnitt, der nahe dem inneren vorderen Abschnitt angeordnet ist und sich in der Vertikalrichtung über mindestens 50 % der Höhe des inneren Hohlraums erstreckt, wobei der Anschlagabschnitt zumindest teilweise in einem Winkel von mehr als 60° in Bezug auf die Längsrichtung verläuft. Ein solcher Anschlagabschnitt kann ohne Weiteres in eine gewellte Struktur integriert werden. Wie nachfolgend erläutert wird, kann der Anschlagabschnitt bei der Montage des Tauscherrohrs in Kontakt mit dem inneren vorderen Abschnitt sein, während der hintere Rippenabschnitt derart in Kontakt mit dem hinteren Abschnitt des Außenmantels ist, dass die innere Rippe in einer Position nahe dem ersten Seitenwandabschnitt gehalten wird, bevor der Außenmantel geschlossen wird. Wenn der Winkel zwischen dem Anschlagabschnitt und der Längsrichtung weniger als 60° beträgt, besteht ein erhöhtes Risiko, dass der Anschlagabschnitt während der Montage vom inneren vorderen Abschnitt abgleitet. Das Gleiche gilt, wenn sich der Anschlagabschnitt über weniger als 50 % der Höhe erstreckt. Ferner ist der nominelle Abstand zwischen dem Anschlagabschnitt und dem gegenüberliegenden Ende der inneren Rippe vorteilhafterweise größer als der Abstand zwischen dem inneren vorderen Abschnitt und der Unterseite des hinteren Abschnitts, so dass die innere Rippe während der Montage leicht zusammengedrückt wird, wenn der Anschlagabschnitt am inneren vorderen Abschnitt in Eingriff genommen wird. Die Federkraft der inneren Rippe in Richtung der Rohrbreite trägt ebenfalls dazu bei, dass die innere Rippe während der Montage an ihrem Platz bleibt.
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Die Erfindung sieht ferner einen Wärmetauscher, insbesondere einen Wärmetauscher für ein Fahrzeug, vor. Der Wärmetauscher umfasst einen ersten Behälter und einen zweiten Behälter für ein Fluid, die sich jeweils in der Vertikalrichtung erstrecken, wobei der erste Behälter einen Einlassbehälterhohlraum definiert und einer der Behälter einen Auslassbehälterhohlraum definiert. Der erste und der zweite Behälter, die man zumindest bei einigen Ausführungsformen als Verteiler oder einstückige Verteiler bezeichnen kann, sind für die Aufnahme eines Fluids während des Betriebs ausgelegt. Der Begriff „Fluid“ bezieht sich hierin auf ein flüssiges oder gasförmiges Medium. Das jeweilige Fluid ist natürlich das Medium eines Kühlkreislaufs, zu dem der Wärmetauscher gehört, wenn er beispielsweise im Fahrzeug eingebaut ist. Das Fluid kann auch als Kühlfluid, Kühlmedium, Kühlmittel oder Kältemittel bezeichnet werden. Jeder Behälter erstreckt sich entlang der Vertikalrichtung und ist normalerweise in Bezug auf die Vertikalrichtung länglich. Der Begriff „Vertikalrichtung“ ist in dem Sinne zu verstehen, wie er auf der ersten Seite in Bezug auf das erfindungsgemäße Tauscherrohr erläutert wurde; dies bedeutet, dass, wenn das Tauscherrohr in das Fahrzeug eingebaut ist, die Vertikalrichtung der Z-Achse (Vertikalachse) des Fahrzeugs entspricht, wobei sie aber beispielsweise auch einer Horizontalachse wie der Y-Achse des Fahrzeugs entsprechen könnte.
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Der erste Behälter definiert einen Einlassbehälterhohlraum und einer der Behälter (der erste Behälter oder der zweite Behälter) definiert einen Auslassbehälterhohlraum des Wärmetauschers. Der Einlassbehälterhohlraum, den man auch als Einlassbehälterraum oder Einlassbehältervolumen bezeichnen kann, ist ein Hohlraum des Wärmetauschers, der ein Fluid zum Beispiel von Fahrzeugkomponenten wie einem Wassermantel eines Motors, einem Getriebekühler, einem Batteriesatz oder dergleichen aufnimmt, wobei das Fluid anschließend im Wärmetauscher gekühlt wird, bevor es zum Kühlkreislauf des Fahrzeugs zurückgeführt wird. Der erste Behälter weist diesbezüglich mindestens einen Einlasskanal auf, der mit dem Einlassbehälterhohlraum in Verbindung steht. Während des Betriebs wird das Fluid aus dem Auslassbehälterhohlraum über mindestens einen Auslasskanal des jeweiligen Behälters zurück zu den Fahrzeugkomponenten verteilt. Man kann den Auslassbehälterhohlraum auch als Auslassbehälterraum oder Auslassbehältervolumen bezeichnen. Obwohl die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, kann der Wärmetauscher insbesondere ein Kondensator sein, der daran angepasst ist, ein Fluid in gasförmigem Zustand aufzunehmen und das Fluid in flüssigem Zustand auszutragen. In diesem Fall befindet sich das Fluid in gasförmigem Zustand im Einlassbehälterraum und in flüssigem Zustand im Auslassbehälterraum.
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Der Wärmetauscher umfasst ferner einen Tauscherkern, der für den Wärmeaustausch des Fluids mit der Umgebungsluft ausgelegt ist und eine Vielzahl erfindungsgemäßer Tauscherrohre umfasst, wobei die Tauscherrohre daran angepasst sind, das Fluid vom Einlassbehälterhohlraum zum Auslassbehälterhohlraum hin zu leiten. Der Tauscherkern kann sich entlang der Querrichtung und entlang der Vertikalrichtung erstrecken, wobei sich die Tauscherrohre entlang der Querrichtung erstrecken. Während des Betriebs strömt die Umgebungsluft entlang des Tauscherkerns, wodurch ein Wärmeaustausch zwischen der Umgebungsluft und dem Fluid gefördert wird. Mit anderen Worten: der Wärmeaustauschvorgang erfolgt fast vollständig am Tauscherkern. Das Fluid strömt durch die Tauscherrohre, die dafür ausgelegt sind, das Fluid vom Einlassbehälterhohlraum zum Auslassbehälterhohlraum hin zu leiten. Jedes Tauscherrohr ist derart angeschlossen, dass es das Fluid direkt oder indirekt aus dem Einlassbehälterhohlraum aufnimmt und es direkt oder indirekt zum Auslassbehälterhohlraum führt. Es versteht sich, dass der Tauscherkern normalerweise Strukturen wie äußere Rippen umfasst, um seine Oberfläche zu vergrößern und somit den Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft zu verbessern. Die äußeren Rippen können zwischen den Rohren angeordnet sein und die Rohrbreite teilweise oder vollständig abdecken.
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Die Offenlegung sieht ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Tauscherrohrs für einen Wärmetauscher vor, wobei sich das Tauscherrohr in einer Querrichtung mit einem dazu senkrechten Querschnitt erstreckt, der in einer Längsrichtung in Bezug auf eine Vertikalrichtung länglich ist. Sofern diese und andere Begriffe oben in Bezug auf das erfindungsgemäße Tauscherrohr erläutert wurden, werden sie hierin nicht erneut erläutert.
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Das Verfahren umfasst das Bilden eines Außenmantels aus einem einzigen ersten Metallband derart, dass der Außenmantel Folgendes umfasst: einen zweiten Seitenwandabschnitt auf einer vertikal zweiten Seite, einen ersten Seitenwandabschnitt auf einer vertikal ersten Seite, einen hinteren Abschnitt, der die Seitenwandabschnitte auf einer longitudinal hinteren Seite verbindet, einen inneren vorderen Abschnitt, der sich vom ersten Seitenwandabschnitt aus auf einer longitudinal vorderen Seite zur zweiten Seite hin erstreckt, und einen äußeren vorderen Abschnitt, der sich vom zweiten Seitenwandabschnitt aus auf der vorderen Seite zur ersten Seite hin erstreckt, wobei der innere vordere Abschnitt einen inneren konvexen Abschnitt umfasst und der äußere vordere Abschnitt einen äußeren konvexen Abschnitt umfasst.
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Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer inneren Rippe aus einem einzigen zweiten Metallband, wobei die innere Rippe sich von einem hinteren Rippenabschnitt zu einem vorderen Rippenabschnitt erstreckt. Dies kann vor, nach und/oder bei dem oben beschriebenen Bilden des Außenmantels durchgeführt werden.
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In einem weiteren Schritt wird die innere Rippe zwischen den Seitenwandabschnitten angeordnet, d. h. zwischen dem zweiten Seitenwandabschnitt und dem ersten Seitenwandabschnitt. Es versteht sich, dass sich die Seitenwandabschnitte in diesem Zustand nicht in ihren Endpositionen befinden, sondern dass ein Seitenwandabschnitt sich ähnlich wie bei einem offenen Deckel in einem Winkel in Bezug auf den anderen Seitenwandabschnitt befinden könnte. Der innere vordere Abschnitt und der äußere vordere Abschnitt sind auch voneinander beabstandet, und zwar mit einer Öffnung dazwischen, durch welche die innere Rippe eingebracht werden kann.
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Nachdem die innere Rippe zwischen den Seitenwandabschnitten angeordnet wurde, wird der Außenmantel derart geschlossen, dass er einen inneren Hohlraum umgibt und die innere Rippe zumindest größtenteils innerhalb des Außenmantels angeordnet ist, der äußere vordere Abschnitt den inneren vorderen Abschnitt zumindest teilweise überlappt, der vordere Rippenabschnitt zumindest teilweise zwischen dem inneren vorderen Abschnitt und dem äußeren vorderen Abschnitt aufgenommen ist, der äußere konvexe Abschnitt in Bezug auf den inneren Hohlraum vom inneren konvexen Abschnitt aus nach außen angeordnet ist, die Seitenwandabschnitte sich in der Längsrichtung (X) erstrecken und in einer Vertikalrichtung beabstandet sind und der äußere vordere Abschnitt einen Federabschnitt, der den inneren konvexen Abschnitt umfasst, von der ersten Seite aus in Eingriff nimmt und den Federabschnitt von der zweiten Seite aus über den dazwischen angeordneten vorderen Rippenabschnitt in Eingriff nimmt, wodurch der Federabschnitt in der Vertikalrichtung geklammert ist.
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Das Bilden des Außenmantels kann durch eine schrittweise Verformung des ersten Metallbands erfolgen, wenn es in der Querrichtung durch eine Folge von Profilwalzstationen geführt wird. Jede Profilwalzstation kann eine Walze oder eine Vielzahl von Walzen umfassen, die Biegevorgänge an dem Profil des ersten Metallbands durchführen. Das Schließen des Außenmantels kann ebenfalls auf diese Weise erfolgen. Ein ähnliches Verfahren kann zum Bilden der inneren Rippe angewendet werden.
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Das Verfahren kann ferner nach dem Schließen des Außenmantels die Durchführung mindestens eines Fügeverfahrens, insbesondere eines Hartlötverfahrens, umfassen. Dies wird normalerweise durchgeführt, indem das gesamte Tauscherrohr einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, um ein Hartlötmaterial zu schmelzen.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens entsprechen generell denen des erfindungsgemäßen Tauscherrohrs und werden insofern nicht erneut erläutert.
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Das Schließen des Außenmantels umfasst vorzugsweise eine plastische Verformung des äußeren vorderen Abschnitts derart, dass er den Federabschnitt in Eingriff nimmt, wodurch der Federabschnitt in der Vertikalrichtung elastisch zusammengedrückt wird. Dieses elastische Verformen bzw. Zusammendrücken des Federabschnitts wurde oben bereits erwähnt. Es trägt wesentlich dazu bei, einen engen Kontakt zwischen dem Federabschnitt und dem äußeren vorderen Abschnitt zu bilden. Wie ebenfalls oben erwähnt, könnte die elastische Verformung in eine plastische Verformung übergehen, wenn das Wärmetauscherrohr während des Hartlötens einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird.
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Es wird auch bevorzugt, dass ein Endabschnitt des äußeren vorderen Abschnitts mit einem sich verjüngenden Querschnitt gebildet wird, indem mindestens ein Walzverfahren am Endabschnitt durchgeführt wird. Während des oben beschriebenen Bildungsverfahrens kann der Endabschnitt durch ein oder mehrere Walzenpaare geführt werden, die den gewünschten sich verjüngenden Querschnitt bereitstellen. Dies könnte beispielsweise ein keilförmiger Querschnitt sein. Es wird bevorzugt, dass der Endabschnitt durch mehrere Walzverfahren, also Walzschritte, gebildet wird. Im Vergleich zu einem einzigen Walzschritt wird dadurch die Belastung des Metallbands sowie der Walzen verringert, was für die Haltbarkeit des Tauscherrohrs von Vorteil ist und den Walzenverschleiß verringert. Außerdem bringt das Walzen des Endes Energie in das Metallband ein, was den Fluss des Hartlötmaterials während des Hartlötverfahrens erleichtern kann.
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Vorzugsweise wird ein Anschlagabschnitt an der inneren Rippe gebildet und die innere Rippe zwischen den Seitenwandabschnitten derart angeordnet, dass der hintere Rippenabschnitt den hinteren Abschnitt in Eingriff nimmt und der Anschlagabschnitt den inneren vorderen Abschnitt derart in Eingriff nimmt, dass die innere Rippe elastisch zusammengedrückt und zwischen dem hinteren Abschnitt und dem inneren vorderen Abschnitt gehalten wird. Eine mögliche Position und Form des Anschlagabschnitts wurden oben in Bezug auf das erfindungsgemäße Tauscherrohr beschrieben. Während des Montageverfahrens, wenn die innere Rippe zwischen dem ersten Seitenwandabschnitt und dem zweiten Seitenwandabschnitt positioniert wird, wird der hintere Rippenabschnitt in Kontakt mit dem hinteren Abschnitt des Außenmantels positioniert, während der Anschlagabschnitt in Kontakt mit dem inneren vorderen Abschnitt positioniert wird. Man könnte auch sagen, dass der hintere Abschnitt und der innere vordere Abschnitt als Anschläge für die innere Rippe dienen. Die Abmessungen werden derart angepasst, dass die beschriebene Positionierung des hinteren Rippenabschnitts und des Anschlagabschnitts nur durch elastisches Zusammendrücken der inneren Rippe in einer Richtung möglich ist, die der Längsrichtung des montierten Tauscherrohrs entspricht. Diese elastische Verformung kann durch eine gewellte Struktur des mittleren Rippenabschnitts größtenteils erleichtert werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass mindestens ein Schneidvorgang am Tauscherrohr durchgeführt wird, nachdem der Außenmantel geschlossen wurde. Gemäß einem üblichen Verfahren ist das erste Metallband ein Teil eines endlosen Blechs oder Metallbands, das in der Querrichtung durch eine Folge von Profilwalzstationen geführt wird. Eine bestimmte Länge des endlosen Blechs entspricht einem einzigen Tauscherrohr. Sobald alle Walzschritte für die jeweilige Länge des Blechs durchgeführt wurden, wird das Metallband aus dem endlosen Blech geschnitten. Der entsprechende Schneidvorgang, der natürlich das Schneiden des Außenmantels und der inneren Rippe beinhaltet, ist ein kritischer Vorgang, der das Material beträchtlich beansprucht. Es ist bei diesem Schritt von großem Vorteil, dass der vordere Rippenabschnitt zwischen den vorderen Abschnitten des Außenmantels aufgenommen wird und dass der Federabschnitt durch den äußeren vorderen Abschnitt geklammert wird, wobei beides die Aufrechterhaltung der richtigen relativen Positionen dieser Elemente unterstützt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
- 2: eine erste perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Tauscherrohrs;
- 3: eine Seitenansicht des Tauscherrohrs von 2;
- 4: eine Detailansicht von 3;
- 5: eine Seitenansicht des Tauscherrohrs von 2 in einer ersten Stufe eines Herstellungsverfahrens;
- 6: eine Seitenansicht des Tauscherrohrs von 2 in einer zweiten Stufe des Herstellungsverfahrens; und
- 7: eine Seitenansicht des Tauscherrohrs von 2 in einer dritten Stufe des Herstellungsverfahrens.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 veranschaulicht einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1, der als Kühler in einem Fahrzeug wie beispielsweise einem Personen- oder Lastkraftwagen verwendet werden kann. Der Wärmetauscher 1 kann insbesondere ein Kondensator sein, in dem ein anfangs gasförmiges Fluid in den flüssigen Zustand kondensiert wird. Der Wärmetauscher 1 umfasst einen ersten Verteiler bzw. ersten Behälter 2, der über einen Tauscherkern 8 mit einem zweiten Verteiler bzw. zweiten Behälter 9 verbunden ist. Der erste Behälter 2 und der zweite Behälter 9 besitzen jeweils eine ungefähr zylindrische Form und sind entlang einer ersten Achse Z, die eine Vertikalachse des Fahrzeugs ist, länglich. Beide Behälter sind an beiden Enden durch jeweilige Endwände geschlossen.
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Der Tauscherkern 8 erstreckt sich entlang einer Vertikalrichtung Z (die der Höhenachse des Fahrzeugs entspricht) sowie entlang einer Querrichtung Y (die der Querachse des Fahrzeugs entspricht).
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Das Innere des ersten Behälters 2 ist durch eine Trennwand 7 in einen Einlassbehälterhohlraum 3 und einen Auslassbehälterhohlraum 4 unterteilt. Der Einlassbehälterhohlraum 3 steht mit einem Einlassrohr 5 in Verbindung, durch das er während des Betriebs des Wärmetauschers 1 ein gasförmiges Fluid aufnimmt. Das Fluid wird dann zu einem unteren Teil des Tauscherkerns 8 verteilt und in den zweiten Behälter 9 geleitet. Es wird von dort zu einem oberen Teil des Tauscherkerns 8 verteilt und zum Auslassbehälterhohlraum 4 geleitet, der mit einem Auslassrohr 6 in Verbindung steht. Es versteht sich, dass das Fluid auf seinem Weg vom Einlassbehälterhohlraum 3 zum Auslassbehälterhohlraum 4 kondensiert. Der Tauscherkern 8 umfasst eine Vielzahl von Tauscherrohren 10, von denen eines in 2-7 dargestellt ist und nun beschrieben wird.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Tauscherrohrs 10 (bzw. Kondensatorrohrs), während 3 und 4 Seitenansichten zeigen. Das Tauscherrohr 10 erstreckt sich entlang der Querrichtung Y, die der Strömungsrichtung des Fluids während des Betriebs entspricht. Das Tauscherrohr 10 weist senkrecht zur Querrichtung Y einen Querschnitt auf, der in der Längsrichtung X relativ zur Vertikalrichtung Z länglich ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass man das Tauscherrohr 10 als flaches Tauscherrohr bezeichnen kann. Es umfasst einen Außenmantel 20, der aus einem einzigen ersten Metallband 21 gefertigt ist, das aus einem mit einem Hartlötmaterial beschichteten Aluminiumblech besteht. Der Außenmantel 20 umgibt einen inneren Hohlraum 40. Im Innern des inneren Hohlraums 40 ist eine innere Rippe 30 (bzw. ein Turbulator) angeordnet. Ähnlich wie der Außenmantel 20 ist die innere Rippe 30 aus einem einzigen zweiten Metallband 31 gefertigt, das aus einem Aluminiumblech besteht; das zweite Metallband kann bei Ausführungsformen mit einer Plattierung an der Oberfläche versehen werden - normalerweise auf beiden Seiten. Die Dicke (bzw. Stärke) des zweiten Metallbands 31 entspricht jedoch nur ungefähr 30-40 % der Dicke des ersten Metallbands 21.
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Der Außenmantel 20 umfasst einen ersten Seitenwandabschnitt 23 und einen zweiten Seitenwandabschnitt 25, die sich beide parallel zur Längsrichtung X erstrecken und entlang der Vertikalrichtung Z beabstandet sind. Der Abstand der Seitenwandabschnitte 23, 25 definiert eine Höhe des inneren Hohlraums 40. Der erste Seitenwandabschnitt 23 ist auf einer vertikal ersten Seite U (bzw. oberen Seite) angeordnet, während der zweite Seitenwandabschnitt 25 auf einer vertikal zweiten Seite L (bzw. unteren Seite) angeordnet ist. Auf einer longitudinal hinteren Seite R sind die Seitenwandabschnitte 23, 25 durch einen bogenförmigen, konvexen hinteren Abschnitt 24 des ersten Metallbands 21 verbunden. Auf einer longitudinal vorderen Seite F erstreckt sich ein innerer vorderer Abschnitt 22 des Bands 21 vom ersten Seitenwandabschnitt 23 zur zweiten Seite L und erstreckt sich ein äußerer vorderer Abschnitt 26 des Bands 21 vom zweiten Seitenwandabschnitt zur ersten Seite U.
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Wie am besten in 4 zu sehen ist, umfasst der innere vordere Abschnitt 22 einen schrägen Abschnitt 22.1 (bzw. eine Biegung), der zur zweiten Seite L hin in einem Winkel von ungefähr 60° in Bezug auf den ersten Seitenwandabschnitt 23 geneigt ist. Der schräge Abschnitt 22.1 geht in einen inneren konvexen Abschnitt 22.2 über, der eine Bogenform aufweist und einem Bogen von ungefähr 180° entspricht. Ein konvexer Unterabschnitt 22.5 ist am Übergang zwischen dem ersten Seitenwandabschnitt 23 und dem schrägen Abschnitt 22.1 angeordnet, während ein konkaver Unterabschnitt 22.6 am Übergang zwischen dem schrägen Abschnitt 22.1 und dem inneren konvexen Abschnitt 22.2 angeordnet ist. Gegenüber dem schrägen Abschnitt 22.1 ist der innere konvexe Abschnitt 22.2 mit einem Schenkelabschnitt 22.3 verbunden, der in montiertem Zustand im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung X ist. Es ist anzumerken, dass der innere vordere Abschnitt 22 mit dem konvexen Abschnitt 22.2 und dem Schenkelabschnitt 22.3 auch ein Arretiermerkmal bildet, das mit einem Ende der inneren Rippe 30 zusammenwirkt, wodurch die innere Rippe 30 in einem Zwischenmontagezustand, der in 4 dargestellt ist, an ihrem Platz entlang des ersten Seitenwandabschnitts 23 bleiben kann. Der äußere vordere Abschnitt 26 überlappt fast vollständig den inneren vorderen Abschnitt 22 auf der Außenseite (in Bezug auf den inneren Hohlraum 40). Er umfasst einen äußeren konvexen Abschnitt 26.1 mit einem Endabschnitt 26.2 an seinem Ende. Der Endabschnitt 26.2, der einen keilförmigen Querschnitt mit einem Keilwinkel von 60° aufweist, ist mit dem schrägen Abschnitt 22.1 in Kontakt, während ein Teil des äußeren konvexen Abschnitts 26.1 von der ersten Seite U aus den inneren konvexen Abschnitt 22.2 in Eingriff nimmt. Der innere konvexe Abschnitt 22.2 und der Schenkelabschnitt 22.3 sind Teile eines Federabschnitts 22.4. Während der äußere vordere Abschnitt 26 direkt von der ersten Seite U aus den Federabschnitt 22.4 in Eingriff nimmt, nimmt er auch indirekt von der zweiten Seite L aus über einen vorderen Rippenabschnitt 32 den Federabschnitt 22.4 in Eingriff. Der vordere Rippenabschnitt 32 ist zwischen dem inneren konvexen Abschnitt 22.2 und dem äußeren konvexen Abschnitt 26.1 sowie zwischen dem Schenkelabschnitt 22.3 und dem zweiten Seitenwandabschnitt 25 angeordnet und aufgenommen. Der Federabschnitt 22.4 ist somit wirksam entlang der Vertikalrichtung Z geklammert. Auf der ersten Seite U des vorderen Rippenabschnitts 32 sind der innere konvexe Abschnitt 22.2 und der äußere konvexe Abschnitt 26.1 durch einen Zwischenraum 41 getrennt, der zur ersten Seite U hin verjüngt ist.
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Es versteht sich, dass das erste Metallband 21 anfangs normalerweise ein rechteckiges Blech ist, wodurch der innere und der äußere Abschnitt 22, 26 mit ihren jeweiligen konvexen Abschnitten 22.2 und 26.1 in den longitudinalen Randabschnitten (bzw. Randbereichen) des Metallbands 21 ausgebildet sind.
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Während des Betriebs des Fahrzeugs entspricht die vordere Seite F der Fahrtrichtung, weshalb Sand und andere Partikel meist von dieser Seite aus auf das Tauscherrohr 10 auftreffen. Demgemäß weist das Tauscherrohr 10 eine mehrschichtige Struktur auf der vorderen Seite F mit drei Schichten auf der zweiten Seite L und zwei Schichten mit dem dazwischen angeordneten Zwischenraum auf der ersten Seite U auf. Die dreischichtige Struktur stellt eine verbesserte Stabilität bereit, während die zweischichtige Struktur mit dem dazwischen angeordneten Zwischenraum eine gewisse Verformung des äußeren vorderen Abschnitts 26 ermöglicht, die unabhängig vom inneren vorderen Abschnitt 22 ist. Demgemäß ist es unwahrscheinlich, dass etwaige Partikel, die von der vorderen Seite F aus auf das Tauscherrohr 10 auftreffen, in den Außenmantel eindringen.
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Die innere Rippe 30 erstreckt sich vom vorderen Rippenabschnitt 32 zu einem hinteren Rippenabschnitt 34, der den hinteren Abschnitt 24 des Außenmantels 20 in Eingriff nimmt. Sie umfasst auch einen gewellten mittleren Rippenabschnitt 33, der mit beiden Seitenwandabschnitten 23, 25 in Kontakt ist und durch Hartlöten damit verbunden ist. Der mittlere Rippenabschnitt 33 unterteilt den inneren Hohlraum 40 in eine Vielzahl von Unterhohlräumen 40.1, von denen jeder einer separaten Fluidrinne durch das Tauscherrohr 10 entspricht, was einer Mehrkanalkonfiguration entspricht.
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Es wird nun ein Verfahren zur Herstellung des Tauscherrohrs 10 anhand von 5 bis 7 dargelegt. Der Außenmantel 20 und die innere Rippe 30 können hergestellt werden, indem das jeweilige Metallband 21, 31 durch eine Folge von Profilwalzstationen geführt wird. Die Profilwalzstationen sind hintereinander entlang einer Richtung angeordnet, die der Querrichtung Y entspricht, und das Metallband 21, 31 wird entlang dieser Richtung transportiert. Bei jeder Profilwalzstation wirken eine oder mehrere Walzen auf das Metallband 21, 31 ein, wodurch dessen Profil allmählich in die in 5 dargestellte Form gebogen wird. Auch der keilförmige Querschnitt des Endabschnitts 26.2 wird durch einen oder mehrere Walzvorgänge gebildet. 5 zeigt einen Zustand des Verfahrens, bei dem die Seitenwandabschnitte 23, 25 nicht parallel, sondern in einem Winkel zueinander sind und das Profil des Außenmantels 20 offen ist. Demgemäß kann die innere Rippe 30 ohne Weiteres zwischen die Seitenwandabschnitte 23, 25 eingebracht werden.
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Um die richtige Position der inneren Rippe 30 während des weiteren Montageverfahrens beizubehalten, wird der Anschlagabschnitt 33.1 mit dem Schenkelabschnitt 22.3 des inneren vorderen Abschnitts 22 in Kontakt gebracht. Dies tritt gleichzeitig mit einem elastischen Zusammendrücken der inneren Rippe 30 bzw. insbesondere des mittleren Rippenabschnitts 33 auf. Da sich der Anschlagabschnitt 33.1 in einem Winkel von ungefähr 80° in Bezug auf den ersten Seitenwandabschnitt 23 befindet (was in montiertem Zustand der Längsrichtung X entspricht), wird er durch Reibung an seinem Platz gehalten und gleitet er nicht vom inneren vorderen Abschnitt 22 ab.
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Während die innere Rippe 30 zwischen dem hinteren Abschnitt 24 und dem inneren vorderen Abschnitt 22 geklammert ist, wird der Außenmantel 20 geschlossen, indem die Seitenwandabschnitte 23, 25 in eine wie in 7 dargestellte parallele Position bewegt werden. Da der innere konvexe Abschnitt 22.2 und der Schenkelabschnitt 22.3 zum äußeren konvexen Abschnitt 26.1 und zweiten Seitenwandabschnitt 25 hin bewegt werden, wird der vordere Rippenabschnitt 32 zu einer gebogenen Form verformt. In diesem Zustand sind der äußere konvexe Abschnitt 26.1 und der Endabschnitt 26.2 noch nicht mit dem inneren konvexen Abschnitt 22.2 und dem schrägen Abschnitt 22.1 in Kontakt.
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Mit einem letzten Bildungsschritt wird der äußere vordere Abschnitt 26 in die in den 3 und 4 dargestellte Position gebracht. Der Federabschnitt 22.4 wird nun elastisch verformt, weil er durch den äußeren vordern Abschnitt 26 von der ersten Seite U aus in Eingriff genommen wird. Diese elastische Verformung, aus der sich eine Vorspannung des Federabschnitts 22.4 ergibt, gewährleistet einen engen Kontakt zwischen dem Federabschnitt 22.4, dem äußeren vorderen Abschnitt 26 und dem vorderen Rippenabschnitt 32. Normalerweise werden die oben beschriebenen Bildungsschritte an einem endlosen Blech durchgeführt und wird danach eine der Querabmessung des Tauscherrohrs 10 entsprechende Länge aus dem endlosen Blech geschnitten. Es ist bei diesem Schneidvorgang sehr vorteilhaft, dass die relativen Positionen des Außenmantels 20 und der inneren Rippe 30 wie oben beschrieben gesichert sind. Ferner wird auch die Struktur des Tauscherrohrs 10 durch die gewellte Form des mittleren Rippenabschnitts 33 stabilisiert. Schließlich wird das gesamte Tauscherrohr 10 einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, die das Hartlötmaterial schmelzen lässt, wodurch der mittlere Rippenabschnitt 33 an die Seitenwandabschnitte 23, 25 gefügt wird. Gleichzeitig wird der vordere Rippenabschnitt 32 an den Schenkelabschnitt 22.3, den inneren konvexen Abschnitt 22.2, den äußeren konvexen Abschnitt 26.1 und den zweiten Seitenwandabschnitt 25 gefügt. Außerdem wird der Endabschnitt 26.2 an den schrägen Abschnitt 22.1 gefügt und ein Teil des äußeren konvexen Abschnitts 26.1 an den inneren konvexen Abschnitt 22.2 gefügt.
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Anmerkungen zu Konstruktion und Montageverfahren
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Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Tauscherrohrs ermöglicht es, das Rohr in einem Winkel und über mehrere Walzstationen zu bilden, wodurch der so genannte „Profilwalzenverschleiß“ verringert wird.
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Das Walzen ist somit von Vorteil für die Realisierung des Endabschnitts 26.2 des äußeren Abschnitts 26, der eine Dickenreduzierung und Verjüngung erforderlich macht.
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Darüber hinaus bringt das Walzen des Endes Energie in das Rohr ein, die als Katalysator für den Verlauf der Plattierung im Hartlötverfahren wirkt. Die vorliegende Konstruktion ermöglicht auch eine bessere Überlappung des Materials, weil im Überlappungsbereich keine spitzen Winkel enthalten sind. Dadurch entsteht fast kein Zwischenraum zwischen dem inneren konvexen Abschnitt 22.2 und dem äußeren konvexen Abschnitt 26.1 auf der Seite des schrägen Abschnitts 22.1. Damit jedoch gewährleistet wird, dass die zwei Konstruktionsmerkmale während des Hartlötens in engem Kontakt bleiben, wird die Überlappung des inneren konvexen Abschnitts 22 und des äußeren konvexen Abschnitts 26 durch die Federkonstruktion des Abschnitts 22.4 unter Zugspannung gehalten. Der Federabschnitt 22.4 wird in das Rohr gewalzt und stellt die Zugspannung zwischen dem inneren und äußeren konvexen Abschnitt bereit. Er hält das Innenrohr gegen die äußere Rohroberfläche zusammengedrückt. Das Federmerkmal 22.4 ist vorteilhafterweise in den frühen Profilwalzstationen um einige Prozent, zum Beispiel 5 bis 10 %, überdimensioniert, damit es die Rohrinnenwand gegen die Außenfläche gedrückt halten kann.
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Die innere Rippe 30 wird bei ihrer Montage am Rohr an ihren Platz gedrückt und hakt am inneren vorderen Abschnitt 22 an der Feder 22.4 / dem Schenkelabschnitt 22.3 ein. Dies unterstützt das Halten der inneren Rippe 30 an ihrem Platz wie eine zusammengedrückte Feder, weil die zwei Seitenwände 23 und 25 zusammen gewalzt werden, bis der Federabschnitt 22.4 schließlich im äußeren vorderen Abschnitt 26 eingehängt ist.
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In den letzten Profilwalzstationen werden der innere und der äußere Abschnitt 22, 26 des Rohrs gewalzt, bis der äußere Abschnitt 26 den inneren Abschnitt 22 umschließt, wobei an diesem Punkt die Rohroberflächen miteinander verbunden werden und die innere Rippe 30 an ihrem Platz arretiert wird. Der Federabschnitt 22.4 erhält den Kontakt zwischen dem inneren und äußeren Abschnitt aufrecht und gewährleistet zugleich einen kleinen Zwischenraum von 0 bis 0,5 mm dazwischen. Allerdings sollte sich die innere Rippe 30 vorzugsweise nicht über die Mittellinie des Rohrs hinaus erstrecken, damit man die Zwischenraumdicke unter Kontrolle hat. Außerdem erstreckt sich die innere Rippe vorzugsweise nicht zu weit nach hinten, damit die Zugspannung auf das Federmerkmal 22.4 erhalten bleibt. Der Endabschnitt 26.2 sollte sich vorzugsweise nicht weiter über den Biegeradius hinaus nach hinten erstrecken, damit die Federwirkung auf das Konstruktionsmerkmal 22.4 erhalten bleibt.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- erster Behälter
- 3
- Einlassbehälterhohlraum
- 4
- Auslassbehälterhohlraum
- 5
- Einlassrohr
- 6
- Auslassrohr
- 7
- Trennwand
- 8
- Tauscherkern
- 9
- zweiter Behälter
- 10
- Tauscherrohr
- 20
- Außenmantel
- 21
- erstes Metallband
- 22
- innerer vorderer Abschnitt
- 22.1
- schräger Abschnitt
- 22.2
- innerer konvexer Abschnitt
- 22.3
- Schenkelabschnitt
- 22.4
- Federabschnitt
- 22.5
- konvexer Unterabschnitt
- 22.6
- konkaver Unterabschnitt
- 23
- erster Seitenwandabschnitt
- 24
- hinterer Abschnitt
- 25
- zweiter Seitenwandabschnitt
- 26
- äußerer vorderer Abschnitt
- 26.1
- äußerer konvexer Abschnitt
- 26.2
- Endabschnitt
- 30
- innere Rippe
- 31
- zweites Metallband
- 32
- vorderer Rippenabschnitt
- 33
- mittlerer Rippenabschnitt
- 33.1
- Anschlagabschnitt
- 34
- hinterer Rippenabschnitt
- 40
- innerer Hohlraum
- 40.1
- Unterhohlraum
- 41
- Zwischenraum
- F
- vordere Seite
- L
- zweite Seite
- R
- hintere Seite
- U
- erste Seite
- X
- Längsrichtung
- Y
- Querrichtung
- Z
- Vertikalrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012106242 A2 [0006]
- US 20170144212 A1 [0006]
- EP 3399267 A1 [0006]
- US 20070095514 A1 [0006]
- DE 102008052785 A1 [0006]
