DE3402048A1

DE3402048A1 - Hohlzylindrischer rotor fuer einen regenerativen waermetauscher und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3402048A1
Application number: DE19843402048
Authority: DE
Inventors: Walter Günter Dipl.-Ing. Müller (FH), 7102 Weinsberg; Franz 7112 Waldenburg Spengler
Original assignee: Wilhelm Gebhardt GmbH
Current assignee: Gebhardt Ventilatoren GmbH and Co KG
Priority date: 1983-03-10
Filing date: 1984-01-21
Publication date: 1985-08-01
Also published as: DE3402048C2

Description

N W β · %

D 9218 - nrs

Wilhelm Gebhardt GmbH, 7112 Waidenburg.

Hohlzylindrischer Rotor für einen regenerativen Wärmetauscher und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen hohlzylindrischen Rotor für einen regenerativen Wärmetauscher mit einem die Wärme aufnehmenden und abgebenden, für den radialen Durchtritt von Medienströmen geeigneten Mantel, der aus einer oder mehreren Lagen eines in Radialrichtung hochkant orientierten, spiralförmig gewickelten Bandes besteht, das in einer stufenförmigen Wellenstruktur profiliert und an seiner radialen Innenkante gerafft ist.

Ein derartiger Rotor ist in der Patentanmeldung P 33 08 445.9 der Anmelderin beschrieben. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterbildung. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bandprofil anzugeben, das bei einem sehr geringen Strömungswiderstand einen guten Wärmeaustausch-Wirkungsgrad erzielt, die Vermischungsrate zwischen den Medienströmen gering hält und sich dabei auf besonders einfache und kostengünstige Art formen und an verschiedene Rotorgrößen anpassen läßt. Weiterhin soll ein Herstellungsverfahren angegeben

werden, das bei einem hohen Grad an Automation eine präzise, schnelle Fertigung des Bands erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein stufenförmig profiliertes Band vor, dessen Wellenstruktur aus einer Folge von im wesentlichen ebenen Profilrücken und davon abgewinkelten Flanken besteht, wobei der zwischen dem Profilrücken und den Flanken eingeschlossene Winkel

_o maximal d maximal etwas mehr als 9 0 , z. B./100 , beträgt und von der radialen Außenkante zur radialen Innenkante des Bandes hin abnimmt.

Anschaulich gesprochen, hat das erfindungsgemäße Band an seiner radialen Innenkante einen trapezförmigen Querschnitt. Jede Halbwelle der Wellenstruktur an der radialen Innenkante stellt im Querschnitt ein halboffenes Trapez dar, und die Profilrücken benachbarter Halbwellen liegen um die Höhe des Bandprofils relativ zueinander versetzt. Der Winkelt, zwischen dem Profilrücken und den Flanken beträgt an der radialen Innenkante des Bands weniger als 90°, so daß die Flanken aufeinander zu geneigt sind. An seiner radialen Außenkante kann das Band ebenfalls ein trapezförmiges Querschnittsprofil besitzen, wobei aber der Winkel c^-j größer ist. Die Flanken an der radialen Außenkante können insbesondere in geringerem Ausmaß als an der radialen Innenkante aufeinander zu geneigt (oi. -j ^90°) , parallel zueinander orientiert sein (c*i = 90°) oder sich geringfügig spreizen K-) > 90°).Die Änderung des Winkels oC. über die Breite des Bands entspricht einer Raffung seiner radialen Innenkante, durch die das Band in spiralige Windungen gelegt wird. - 3 -

Gemäß einer bevorzugten, in Anspruch 3 gekennzeichneten Bauform hat die Wellenstruktur an der radialen Außenkante

im wesentlichen
des Bands einen/rechteckigen Querschnitt, d. h. der Winkel c^,

beträgt 90°. Ausgehend von einem Rechteckstufenprofil, zeichnet sich diese Bauform durch einen kleinstmöglichen Bedarf an Verformungsenergie aus. Weiterhin erzielt man bei einer Fertigung mehrerer Rotorbaugrößen den Vorteil, daß der Außenmantel des gewickelten Rotors immer gleich aussieht.

Die Wellenstruktur gemäß Anspruch 4 trägt der Möglichkeit Rechnung, kleinere Abweichungen vom Sollprofil auf bequeme Art und Weise zu kompensieren.

Die Bauform gemäß Anspruch 5 erlaubt es, das erfindungsgemäße Rotorband aus einem Rechteckstufenprofil zu biegen, was herstellungstechnisch einfach und unter relativ geringem Aufwand an Deformationsenergie möglich ist.

Die in Anspruch 7 bis 9 angegebenen Abmessungen erfüllen die Forderung nach einem hohen Wärmeaustausch-Wirkungsgrad bei geringem Strömungswiderstand für die durch den Rotor hindurchtretenden Medienströme.

Der in Anspruch 10 gekennzeichnete Bausatz von Rotorlagen eröffnet vielseitige Kombinationsmöglichkeiten bei der Herstellung von Rotoren unterschiedlicher Größe. Man kann die Rotorlagen einzeln verwenden, aber auch zwei und mehr Rotorlagen zu einer Einheit verbinden, indem man sie in konzen-

trischer Anordnung übereinandersteckt.

Das in Anspruch 11 bis 22 gekennzeichnete Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Rotor ist bei geringem Aufwand sehr effektiv. Man kann sich auf einfache Weise verschiedenen Rotorbaugrößen anpassen, z. B. indem man den Anstellwinkel β der in Anspruch 14 gekennzeichneten Form-· werkzeuge verstellt oder die Formwerkzeuge gemäß Anspruch 15 austauscht, um einen anderen Winkel β zwischen ihren wirksamen Kanten zu erhalten. Das Herstellungsverfahren ermöglicht sowohl eine kontinuierliche als auch eine taktweise Fertigung des erfindungsgemäßen Profilbands.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen» Schematisch zeigen:

Fig. 1 einen Rotor gemäß der Erfindung als Teil eines regenerativen Wärmetauschers;

Fig. 2 das Wicklungsbild eines Rotors mit einem in zwei Lagen gewickelten Band;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Bandprofils;

Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Illustration zweier möglicher Anordnungen von Formwerkzeugen, wie sie

zur Erstellung des erfindungsgemäßen Bandprofils aus einem vorgeprägten Rechteckstufenprofil Verwendung finden können, in Draufsicht.

Fig. 5 und

Fig. 6 den Angriffspunkt der Formwerkzeuge illustrierende Schnitte entlang der Linie V-V bzw. VI-VI von Fig. 4;

Fig. 7 ein praktisches Ausführungsbeispiel von Formwerzeugen zusammen mit einem geprägten Band;

Fig. 8 eine Stirnansicht der Formwerkzeuge mit Blick in Richtung VIII von Fig. 7;

Fig. 9 eine Prägestelle zur Nachverformung des Bands.

Bezugnehmend zunächst auf Fig. 1, ist der erfindungsgemäße Rotor 1 in einem mit 2 bezeichneten, regenerativen Wärmetauscher dargestellt. Das Gehäuse des Wärmetauschers 2 ist dabei aufgebrochen. Der Rotor 1 wird in Richtung der Pfeile 3 von zwei Medienströmen durchsetzt, die je zweimal in annähernd radialer Richtung durch den Mantel 4 des Rotors 1 treten. Das Innere des Rotors 1 ist durch eine Zwischenwand 5 in zwei Kammern 6 geteilt; jede der beiden Kammern 6 ist dabei einem der Medienströme zugeordnet. Die Zwischenwand 5 ist ortsfest im Innern des Rotors 1 angeordnet. Sie bildet einen Teil des Gehäuses, in dem der Rotor 1 um seine

Längsachse umläuft; die Bewegungsrichtung des Rotors 1 ist durch den Pfeil 7 verdeutlicht. Zu dem Gehäuse des Wärmetauschers 2 gehören Trennwände 8, die an den Außenmantel des Rotors 1 angrenzen und Eintrittsbereiche 9 bzw. Austrittsbereiche 10 der beiden Medienströme abteilen. Jeweils einem Medienstrom zugeordnete Eintritts- und Austrittsbereiche liegen auf dem Umfang des Rotors 1 um 90 gegeneinander versetzt, und die zu verschiedenen Medienströmen gehörenden Eintritts- bzw. Austrittsbereiche liegen einander auf dem Rotorumfang gegenüber, so daß die Medienströme den Rotor 1 gegenläufig durchsetzen. Der Rotor 1 wird im Durchtrittsbereich eines der beiden Medienströme aufgeheizt, wobei diesem Wärme entzogen wird. Durch die Umdrehung des Rotors 1 wandert dann seine aufgeheizte Partie in den Durchtrittsbereich des anderen Medienstroms, der dort Wärme aufnimmt und dabei den Rotor 1 abkühlt. Durch weitere Rotation gelangt der abgekühlte Teil des Rotormantels 4 wieder in den Bereich des wärmeren Medienstroms, und der Wärmetransportvorgang wiederholt sich.

Der Rotor 1 hat die Gestalt einer innen hohlen, kreiszylindrischen Warmetauscherwalze. Sein Mantel 4 besteht aus einer oder mehreren Lagen eines in Radialrichtung hochkant orientierten, spiralförmig gewickelten Bandes 11. Bezugnehmend auf Fig. 2, ist exemplarisch ein Rotor 1 mit zwei derartigen Lagen 12, 13 dargestellt. Der Rotor 1 besitzt einen für die Medienströme durchlässigen kern 15, z. B. ein perforiertes

Blech, vorzugsweise ein vierkantgelochtes Blech, auf den eine innere Lage 12 des Bands 11 gewickelt ist. Das Band 11 ist ein Flachteil; es steht mit einer Randkante auf dem Kern 15 auf und mehr oder weniger in Radialrichtung davon ab. An den axialen Enden des Kerns 15 kann man nicht näher dargestellte Deckel vorsehen, zwischen die das Band 11 gewickelt wird. Für viele praktische Anwendungen genügt eine einzige Lage 12 des Bands 11, doch kann man auch weitere Lagen 13 vorsehen, die in konzentrischer Anordnung unmittelbar auf die jeweils vorhergehende Lage 12 oder einen separaten Kern 16 gewickelt werden. In letzterer Anordnung entsteht bei entsprechender Durchmesserstufung ein Bausystem von Rotorlagen, die je nach Durchmesser und Wandstärke des zu erstellenden Rotors auf verschiedenste Art miteinander kombiniert werden können.

Das zum Wickeln des Rotors 1 verwendete Band 11 besteht vorzugsweise aus Blech, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung. Dieses Material läßt sich leicht durch Prägen bearbeiten, und außerdem ist Aluminium sehr korrosionsbeständig. Für eine bevorzugte Anwendung in einem Wärmetauscher 2, der in dem Zuluft- und Abluftstrom eines klimatisierten Raumes liegt, kann man überdies das Aluminiumband 11 mit einer präparierten Oberfläche versehen, so daß auch die in der Luft enhaltene Feuchte übertragen wird. Hierdurch wird der Enthalpie-Wirkungsgrad des Rotors erhöht.

Bezugnehmend auf Fig. 3_f ist das Band 11 in einer stufenförmigen Wellenstruktur profiliert. Man erkennt eine Folge von im wesentlichen ebenen Profilrücken 20 und davon abgewinkelten Flanken 21. Die Profilrücken 20 kommen abwechselnd in zwei um die Höhe h versetzten, parallelen Ebenen zu liegen, und je zwei benachbarte Profilrücken 20 sind über eine Flanke 21 verbunden. Der Blick in Fig. 3 ist auf die radiale Innenkante 22 des Bands 11 gerichtet, mit dem dieses beim Wickeln auf dem Kern 15 bzw. der vorhergehenden Rotorlage aufsteht. Um die Krümmung zu erzielen, die für das spiralige Wickeln des Bands 11 erforderlich ist, ist dieses an seiner radialen Innenkante 22 gerafft. Das Band 11 zeigt an seiner radialen Innenkante 22 eine im Querschnitt trapezförmige Wellenstruktur. Die Halbwellen werden von einseitig offenen Trapezen gebildet, deren Profilöffnung 23 dem Profilrücken 20 gegenüberliegt. Die lichte Weite b„ der Profilöffnung 23 ist kleiner als die Breite r des Profilrückens 20, und die Flanken 21 des Profils sind entsprechend aufeinander zu geneigt. Sie schließen mit dem Profilrücken 20 einen Winkel cL ein, der an der radialen Innenkante 22 des Bands 11 als oC ₂ ausgewiesen ist und weniger als 90 beträgt. Auf Grund der Raffung ändert sich das Profil der Wellenstruktur über die Breite B des Bands 11, und der Winkeln zwischen dem Profilrücken 20 und den Flanken 21 nimmt von der radialen Außenkante 24 λ zu der radialen Innenkante 22 (<*= ⁰^₂) hin ab.

Das Band 11 kann an der radialen Außenkante 24 ein trapezförmiges oder rechteckiges Querschnittsprofil aufweisen.

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Die Flanken 21 an der radialen Außenkante 24 sind entweder weniger stark aufeinander zu geneigt als an der radialen Innenkante 22, oder parallel zueinander orientiert, oder leicht voneinander weg geneigt, und die lichte Weite der Profilöffnung 23 nimmt von der radialen Außenkante 24 zur radialen Innenkante 22 hin ab, während die Breite r des Profilrückens 20 vorzugsweise über die gesamte Breite B des Bands 11 konstant ist. Die einzuhaltenden Profilmaße und -winkel ergeben sich dem Grad der erforderlichen Raffung entsprechend aus der folgenden Beziehung:

Es sei D. der Innendurchmesser, den die mit dem Band 11 gewickelte Rotorlage aufweisen soll; D. ist also der gewünschte Durchmesser des Bands 11 an der radialen Innenkante 22.

Mit D wird entsprechend der gewünschte Durchmesser des a

Bands 11 an der radialen Außenkante 24 bezeichnet. Zwischen D., D und der Breite B des Bands besteht also die Beziehung

Die Wellenlänge der Wellenstruktur setzt sich aus der Breite r des Profilrückens 20 und der lichten Weite der Profilöffnung 23 zusammen, die an der radialen Außenkante 24 found an der radialen Innenkante 22 b₂ beträgt. Um den gewünschten Grad an Raffung zu erzielen, muß sich die Wellenlänge (r + b-) des Bandprofils an der radialen Innenkante 22 zu der (r + b.. ) an der radialen Außenkante» 24 wie der Inrtan-

- 10 -

4)4 <il *

durchmesser D. zum Außendurchmesser D verhalten. In Formeln

1 3.

ausgedruckt:	r -■	^Di
(2)	r η	^Da

Kb₂
η b 1

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sieht man an der radialen Außenkante 24 des Bands 11 ein im wesentlichen rechteckiges Stufenprofil vor. Diese Bauform erlaubt es in vorteilhafter Weise, bei der Formung des Bands 11 von einem Rechteckstufenprofil auszugehen und dieses in geringstmöglichem Maße zu biegen. In einem Bausatz mit mehreren Rotorlagen erzielt man überdies den Vorteil, daß der Außenmantel des Rotors immer gleich aussieht. Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Band 11 mit einem Trapezprofil an der radialen Innenkante 22 und einem Rechteckprofil an der radialen Außenkante 24. Der Winkelt zwischen Profilrücken und Flanken 21 nimmt an der radialen Außenkante 24 also einen maximalen Werte*, = 90° ein, und er verringert sich zur radialen Innenkante 22 hin. Der Profilrücken 20 weist über die volle radiale Erstreckung B des Bands 11 dieselbe Breite r auf, und die lichte Weite b₂ der Profilöffnung 23 an der radialen Innenkante 22 ist gegenüber der lichten Weite b- auf folgenden Wert verringert:

1
(3) b₂ = — [ (2 D₁ - D_a) b₁ - 2 (D_a - D₁) d ]

■a
wobei:

- 11 -

b₁: lichte Weite der Profilöffnung des Rechteckprofils

an der radialen Außenkante; b₂: lichte Weite der Profilöffnung des Trapezprofils an

der radialen Innenkante; D.: Innendurchmesser der Rotorlage; D₂: Außendurchmesser der Rotorlage; d: Materialdicke des Bands

Nimmt man näherungsweise an, daß die Höhe h des Bands, d.h die maximale Amplitude der Wellenstruktur, über die volle Breite B des Bands konstant bleibt, so erhält man für den Winkelet ₂ zwischen dem Profilrücken 20 und den Flanken 21 an der radialen Innenkante 22 einen Wert, der folgende Beziehung erfüllt:

D_a h - d

(4 ) tan ei _ = a

2 D - D. ' b- + d

ei 1 I

h: Höhe der Wellenstruktur

Die sich über die Breite B des Bands 11 erstreckenden, die Profilöffnung 23 begrenzenden Stufenkanten 25 des Bandprofils laufen von der radialen Außenkante 24 zur radialen Innenkante 22 hin aufeinander zu. Sie schließen einen Winkel β ein, der der folgenden Gleichung genügt:

(5) tan 4 - I" ⁽V ^d)

2 ^a

Die genannten Größen b^'¹^ ' ß können in vorteilhafter Weise dazu dienen, ein bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Profilbands 11 verwendetes Formwerkzeug einzurichten. Sie lassen sich leicht für die verschiedensten Rechteckprofile an der radialen Außenkante 24 berechnen. Bevorzugt wird eine Wellenstruktur, deren Rechteckprofil an der radialen Außenkante 24 eine Wellenlänge (r + b.. ) zwischen 3 mm und 12 mm, und vorzugsweise ca. 6,5 mm beträgt. Die Höhe der Wellenstruktur sollte zwischen 1,5 mm und 5 mm, und insbesondere bei ca. 2,5 mm liegen. Die Dicke des Blechbands 11 beträgt großenordnungsgemaßig ca. 0,1 mm. Mit diesen Abmessungen erhält man für handelsübliche Rotorgrößen eine Anordnung von Strömungskanälen, die den durchtretenden Medien»· strömen einerseits einen nicht zu großen Strömungswiderstand bieten, und andererseits für einen wirkungsvollen Wärmeübergang sorgen.

Hinsichtlich der Breite B des Bands 11 ergeben sich vielseitige Gestaltungsmöglichkeiten. Man muß allerdings beachten, daß in jeder gewickelten Rotorlage der Außendurchmesser D des Bands 11 höchstens etwas weniger als doppelt so groß

sein kann wie sein Innendurchmesser D.. Die genaue Grenzbedingung erhält man, indem man b₂ in Formel (3) = 0 setzt. Weiterhin sind die technischen Probleme zu beachten, die die Verformung sehr breiter Bänder 11 bieten. Erfindungsgemäß sollte die Breite B des Bands 11 daher zwischen 2,5 und 10 cm, und vorzugsweise bei ca. 6 cm liegen. Mit einem solchen

Band 11 läßt sich ein Bausatz von gewickelten Rotorelementen erstellen, deren Außendurchmesser beispielsweise zwischen

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40 cm und 220 cm in Schritten von 12 cm variiert. Jedes dieser Rotorelemente kann für sich allein als Rotor 1 verwendet werden; der kleinste Rotor dieser Art hat also beispielsweise einen Innendurchmesser von 28 cm und einen Außendurchmesser von 40 cm, während der größte Rotor einen Innendurchmesser von 208 cm und einen Außendurchmesser von 220 cm hat. Man kann aber auch mehrere Rotorelemente in konzentrischer Anordnung übereinanderwickeln, bzw. mehrere vorgefertigte Rotorelemente teleskopartig ineinanderstecken, um einen Rotor 1 mit mehreren Lagen und einer entsprechend größeren Wandstärke aufzubauen. Es ergeben sich so vielseitige Kombinationsmöglichkeiten; im Rahmen der obengenannten Bemaßung kann beispielsweise aus drei Rotorelementen mittlerer Größe ein Rotor 1 aufgebaut werden, dessen Innendurchmesser 124 cm und dessen Außendurchmesser 160 cm beträgt.

Bezugnehmend auf Fig. 4 bis Fig. 6, wird im folgenden ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bandprofils beschrieben. Man geht von einem Flachband- oder Folienmaterial aus, wie es in einer Vielzahl von Längen, Breiten und Dicken im Handel erhältlich ist; das Material wird üblicherweise auf Spulen, Trommeln oder sog. Coils aufgewickelt geliefert. Dem Flachband wird in einem ersten, in Fig. 4 nicht näher dargestellten Verfahrensschritt ein Rechteckstufenprofil verliehen, das der an der radialen Außenkante 24 des Bands gewünschten Wellenstruktur entspricht. Am einfachsten erzeugt mnn das Rcchteckstufenprofil durch Prägen. Das Flachband kann hierzu eine Prägestelle kontinuierlich oder taktweise durchlaufen und z.B. zwischen ineinandergreifenden Zahnradwalzen

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oder geeignet konturierten Prägestempeln geformt werden.Nach Abschluß dieses Verfahrensschritts verlaufen die seitlichen Bandkanten 26 parallel zueinander, und die Stufenkanten 25 des Profils sind untereinander parallel und quer zu den seitlichen Bandkanten 26 orientiert.

Das geprägte Rechteckstufenprofil wird anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt verformt, um das beschriebene Trapezprofil an der radialen Innenkante 22 herzustellen und so das Band 11 an der radialen Innenkante 22 zu raffen. Man fährt hierzu mit stiftartigen Formwerkzeugen 27 bis 29 in die Profilwellen des Rechteckprofils ein. Die Formwerkzeuge 27 bis 29 führen eine hin- und hergehende Hubbewegung aus, die mit einem Vorschub des Bands synchronisiert ist; der Bandvorschub kann dabei kontinuierlich oder stufenweise erfolgen. Wenigstens ein Teil der Formwerkzeuge 27 bis 29 arbeitet gegen die Flanken 21 des Rechteckprofils, die hierdurch im Bereich der Profilöffnung 23 aufeinander zu gebogen werden. Durch eine geeignete Gestaltung der Formwerkzeuge 27 bis 29 erreicht man, daß im Bereich der radialen Innenkante 22 des Bands 11 eine maximale Verformung eintritt, während die Wellenstruktur an der radialen Außenkante 24 ungeändert bleibt.

Die schematische Darstellung der Fig. 4 zeigt zwei mögliche Anordnungen von Formwerkzeugen 27 bis 29 in einem. Man kann die Formwerkzeuge 27, 28 beispielsweise von der radialen Außenkante 24 in die Profilwellen einfahren lassen, wie dies im unteren Teil von Fig. 4 illustriert ist. Man erkennt

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zwei Formstifte 27, die synchron verfahren werden und zusammen eine Halbwelle der Profilstruktur formen. Wie man insbesondere in Fig. 5 erkennt, kommen die Formstifte 27 im Bereich der radialen Außenkante 24 des Bands 11 an der Außenseite der Flanken 21 zu liegen, die der Profilöffnung 23 abgewandt ist. Die Formstifte 27 können dabei auf der Höhe der Profilöffnung 23 an den Flanken 21 angreifen. Sie sind in ihrer Vorschubrichtung 30 um einen Winkel zueinander geneigt, der im wesentlichen dem zu erstellenden Winkel β zwischen den Stufenkanten 25 des Bandprofils entspricht; gegebenenfalls kann man die Formstifte auch etwas stärker neigen, um das Rückfedern des Bands nach dem Formungsprozeß zu kompensieren. Die Formstifte 27 tauchen in das Rechteckprofil ein, wobei sie das Band 11 auf seiner vollen Breite B durchsetzen. Hierdurch wird das Band 11 an seiner radialen Innenkante gerafft und das gewünschte Profil erzeugt.

Es kann sich empfehlen, zwischen den auf die Flanken 21 arbeitenden Formstiften 27 ein drittes Formwerkzeug 28 vorzusehen, das synchron mit den Formstiften 27 bewegt wird. Das Formwerkzeug 28 kann beispielsweise auf der Höhe des Profilrückens 23 in das Bandprofil eintauchen (vgl. Fig.5) und die zu biegende Halbwelle, insbesondere den Profilrücken 20, stabilisieren, während die Flanken 21 abgewinkelt werden. Es ist aber auch möglich, das dritte Formwerkzeug 28 gleichfalls auf die Flanken 21 einwirken zu lassen, die dann zwischen je zwei Formwerkzeugen 27, 28 deformiert werden.

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In einer alternativen Anordnung kann man den Formungsprozeß aber auch von der radialen Innenkante 22 des Rechteckprofils her durchführen. Der obere Teil von Fig. 4 zeigt insofern zwei Formstifte 29, die eine parallele, synchrone Bewegung quer zu der Längsrichtung des Bands 11 ausführen. Die Bewegungsrichtung ist durch Pfeile 31 verdeutlicht; sie entspricht der des mittleren Formwerkzeugs 28 in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Formwerkzeuge 29 haben eine Keilform mit aufeinander zu laufenden, wirksamen Kanten 32. Die Kanten 32 sind unter einem Winkel gegeneinander geneigt, der wiederum in etwa dem gewünschten Winkel zwischen den Stufenkanten 25 des Profils entspricht, bzw. etwas größer gewählt ist, um der Federelastizität des Bandmaterials Rechnung zu tragen. Wie man in Fig. 6 erkennt, greifen die Formstifte 29 im Bereich der radialen Innenkante 22 an der Außenseite der zu deformierenden Flanken 21 an, und zwar vorzugsweise auf der Höhe der Profilöffnung 23. Bei einem Eintauchen der Formstifte 29 in das Rechteckprofil wird dieses in der gewünschten Weise verformt. Ein besonderes, den Profilrücken 20 stabilisierendes Formwerkzeug ist im oberen Teil von Fig. 4 nicht gezeigt. Es kann aber selbstverständlich vorhanden sein, genauso wie es in einem Formungsprozeß von der radialen Außenkante 24 her auch entfallen kann.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel arbeiten in einer nähmaschinenartigen Bewegung zwei bzw. drei Formwerkzeuge gleichzeitig auf je eine Halbwelle des Rechteckprofils, so daß pro Arbeitstakt eine Wellenlänge des Bands 11 her-

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gestellt wird. Es können aber natürlich auch mehr stiftartige Formwerkzeuge oder Gruppen solcher Werkzeuge hintereinander vorgesehen sein, die synchron oder zeitlich versetzt zueinander arbeiten, um mehrere Wellenlängen des Bands 11 gleichzeitig zu formen.

Bandlagen bzw. Rotorelemente unterschiedlichen Durchmessers weisen verschiedene Winkelß zwischen den Stufenkanten 25 auf (vgl. Formel 5). Man kann sich dem durch eine Änderung der Vorschubrichtung 30 der Formwerkzeuge 27 anpassen, bzw. die keilförmigen Formstifte 29 austauschen, um den Winkel zwischen den wirksamen Kanten 32 zu ändern. Die auftretenden Winkel variieren nur wenig; in dem oben beschriebenen Bausystem mit Rotor-Außendurchmessern D zwischen 40 cm und

el

220 cm und einer Wellenlänge des Rechteckprofils von ca. 6,5 mm beträgt P beispielsweise durchweg weniger als 2 .

Der Winkel o(. zwischen dem Profilrücken 20 und den Flanken 21 ändert sich proportional mit der Eindrücktiefe der Formwerkzeuge 27 bis 29. Diese können praktisch unverändert auch dazu verwendet werden, ein Bandprofil zu erzeugen, das an beiden Bandkanten ein trapezförmiges Profil besitzt. Es empfiehlt sich aber, das Rechteckprofil an der radialen Außenkante zu belassen, da in diesem Fall der Materialbedarf und Verformungsaufwand am geringsten ist.

Bezugnehmend auf Fig. 7 und Fig. 8, ist ein praktisches Ausführungsbeispiel von Formwerkzeugen 33-35 gezeigt, die in ein rechteckstufenförmig profiliertes Band 11 ein-

greifen. Die Formwerkzeuge 33 - 35 greifen von der radialen Außenkante 24 her in die Profilöffnungen 23 des Bands 11 ein. Es sind drei Formwerkzeuge 33-35 vorgesehen, und je ein Paar von Formwerkzeugen 33, 34 bzw. 34, 35 nimmt eine Flanke 21 des Band zwischen sich auf. Das Band 11 wird also bei jedem Arbeitshub der Formwerkzeuge 33 - 35 im Bereich einer Wellenlänge geformt. Die Formwerkzeuge 33 - 35 sind in ihrer' Arbeitsrxchtung unter einem Winkel gegeneinander angestellt, der dem Winkel der zu erstellenden Stufenkanten 25 entspricht; wie man in Fig. 7 erkennt, schließen hierzu die äußeren Formwerkzeuge 33, 35 größenordnungsmäßig den Winkel ρ ein.

Die Formwerkzeuge 33 - 35 wirken über die volle Höhe des Bandprofils auf die Flanken 21. Sie sind als Form-Negativ des zu erstellenden Bandprofils konturiert, und sie weisen insbesondere an ihrem einen Ende einen trapezförmigen und an ihrem anderen Ende einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Seitenwände 36 der Formwerkzeuge 33 - 35 sind verwunden, so daß ein stetiger Übergang des Profils von der Trapezform zur Rechteckform geschaffen wird; insbesondere kann sich der Winkel zwischen den Seitenwänden 36 und dem Rücken 37 der Formwerkzeuge 33 - 35 proportional über ihre Länge ändern-Die Formwerkzeuge 33 - 35 fahren mit ihrem trapezförmigen Ende voran in das Band 11 ein.

Fig. 8 zeigt eine Führungsanordnung für die Formwerkzeuge 33 - 35, die sich durch ein hohes Maß an Stabilität und

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Präzision auszeichnet. Die Formwerkzeuge 33 - 35 tragen auf ihrem Rücken 37, der dem Profilrücken 20 des zu prägenden Bands 11 abgewandt ist, einen Führungsansatz 38, der z. B. rechteckförmig oder schwalbenschwanzförmig profiliert sein, kann. Die Führungsansätze 38 greifen in passende Nuten 39 einer Oberplatte 40 bzw. Unterplatte 41 ein. Die Nuten 39 bilden eine Schienenführung für die Formwerkzeuge 33 - 35, und sie geben deren Arbeitsrichtung vor. Während des Verformungsprozesses läuft das Band 11 vorzugsweise zwischen Oberplatte 40 und Unterplatte 41 hindurch. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Formwerkzeuge 33, 35 in der Unterplatte 41 und das dazwischen arbeitende Formwerkzeug 34 in der Oberplatte 40 geführt, doch kann man diese Anordnung selbstverständlich auch umkehren.

Wie bereits angedeutet, federt das Band 11 beim Ausfahren der Formwerkzeuge 27 bis 29 um einen gewissen Betrag zurück. Dies kann es erforderlich machen, das Band 11 in einem dritten Verfahrensschritt nachzuverformen. Die Erfindung sieht insbesondere vor, das Band 11 zu pressen. Man läßt die Backen einer Presse auf die Profilrücken 20 des Bands 11 einwirken, so daß das Bandprofil etwas zusammengedrückt wird. Die Backen der Presse können dabei an das Bandprofil angepaßt sein und insbesondere eine Anzahl keilförmiger Rippen besitzen, die in die Profilöffnung 23 des Bands passen und während des Preßvorgangs formstabilisierend darin eingreifen.

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Eine weitere Möglichkeit der Nachverformung des Bands 11 ist in Fig. 9 skizziert. Man fährt mit einem keilförmigen Stößel 50 quer zu der Längsrichtung des Bands 11 in die Profilöffnung 23 ein und beaufschlagt dabei die Flanken 21, so daß diese gespreizt werden. Der Stößel 50 kann insbesondere ein trapezförmiges Profil haben. Er arbeitet im Bereich der radialen Außenkante 24 auf das Band 11 und erzeugt dort einen Winkel &₁ zwischen Profilrücken 20 und Flanken 21, der großer ist als 90°. Die erhaltene Spreizung der Flanken 21 stellt einen Korrekturbetrag dar, mit dem Abweichungen vom Sollprofil kompensiert werden. Das Ausmaß der Korrektur läßt sich auf einfache und flexible Weise anhand der Eintauchtiefe des Stößels 50 bestimmen. In der Praxis sieht man eine Korrekturstelle vor, die den Formwerkzeugen 27-29, 33 - 35 im Bandlauf nachgeordnet ist. Nach dem Passieren dieser Formwerkzeuge kann es infolge unterschiedlicher Materialhärten zu einem Zurückfedern der Flanken 21 des Bands 11 kommen, so daß der gewünschte Durchmesser der Rotorlage nicht eingehalten wird und sich ein größerer Durchmesser ergibt. Entsprechend der Abweichung vom Solldurchmesser wird dann die Eindrücktiefe des Stößels 50 geregelt, und das Band 11 wird durch Spreizung an seiner radialen Außenkante 24 auf den gewünschten Durchmesser der Rotorlage gebracht. Wie bereits erwähnt, verformt der Stößel 50 das Band 11 an seiner radialen Außenkante 24. Seine Eingriff sbreite kann insbesondere ca. 20 - 30 % der Bandbreite betragen.

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Das beschriebene Formgebungsverfahren für das Band 11 läßt sich ohne weiteres automatisieren, z. B. in einem Halbautomaten.

Zur Herstellung von Rotoren 1 bzw. Rotorelementen wird das Band 11 anschließend auf einen Kern 15 aufgewickelt. Der Kern 15 kann hierzu auf einen Dorn aufgezogen .sein, der um seine Längsachse rotiert und zugleich eine Vorschubbewegung in Richtung dieser Längsachse ausführt. Das radial orientierte Band 11 legt sich hierdurch in spiraligen Windungen um den Kern 15.

Liste der Bezugszeichen

1 Rotor

2 Wärmetaucher

3 Pfeil

4 Mantel

5 Trennwand

6 Kammer

7 Pfeil

8 Trennwand

9 Eintrittsbereich

10 Austrittsbereich

11 Band

12 innere Lage

13 äußere Lage 15, 16 Kern

20 Profilrücken

21 Flanke

22 radiale Innenkante

23 Profilöffnung

24 radiale Außenkante

25 Stufenkante

26 seitliche Bandkante - 29 Formwerkzeug 30,31 Pfeil

32 wirksame Kante 33-35 Formwerkzeug

36 Seitenwand

37 Rücken

38 Führungsansatz

39 Nut

4 0 Oberplatte 41 leiterplatte 50 Stößel

-Ä5-

- Leerseite

Claims

Wilhelm Gebhardt GmbH, 7112 Waidenburg.

Hohlzylindrischer Rotor für einen regenerativen Wärmetauscher und Verfahren zu seiner Herstellung

Ansprüche

1 .J Hohlzylindrischer Rotor (1) für einen regenerativen Wärmetauscher (2) mit einem die Wärme aufnehmenden und abgebenden, für den radialen Durchtritt von Medienströmen geeigneten Mantel (4), der aus einer oder mehreren Lagen (12, 13) eines in Radialrichtung hochkant orientierten, spiralförmig gewickelten Bands (11) besteht, das in einer stufenförmigen Wellenstruktur profiliert und an seiner radialen Innenkante (22) gerafft ist, nach Patent (Patentanmeldung P 33 08 445.9), dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenstruktur aus einer Folge von im wesentlichen ebenen Profilrücken (20) und davon abgewinkelten Flanken (21) besteht, wobei der zwischen dem Profilrücken (20) und den Flanken

(21) eingeschlossene Winkel (c*) maximal etwas mehr als 90°, maximal

z. B./100°, beträgt und von der radialen Außenkante (24) zur radialen Innenkante des Bands hin abnimmt.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wellenlänge (r + b~) des Bandprofils an der radialen Innenkante (22) zu der (r + b.. ) an der radialen Außenkante (24) wie der Innendurchmesser (D.) zum Außendurchmesser (D ) der Rotorlage verhält.

ei
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenstruktur an der radialen Außenkante (24) des Bands (11) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt (d.— 90°) und an der radialen Innenkante (22) des Bands (11) einen trapezförmigen Querschnitt hat.
4„ Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (21) der Wellenstruktur an der radialen Außenkante (24) des Bands (11) etwas gespreizt sind, so daß dort das Profil um einen kleinen Korrekturbetrag von der Rechteckform abweicht.
5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (r) des Profilrückens (20) über die volle radiale Erstreckung (B) des Bands (11) konstant und die lichte Weite (b-) der Profilöffnung (23) an der radialen Innenkante (22) des Bands (11) gegenüber der lichten Weite (b-) an der radialen Außenkante (24) verringert ist.
6. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Profilöffnung (23) begrenzenden, von radial außen nach innen aufeinander zu laufenden Stufen-

kanten (25) der Wellenstruktur einen Winkel (ß>) einschließen, der folgende Beziehung erfüllt:

tan (- ) = - (b, + d) ²

wobei:

D : Außendurchmesser der Rotorlage

1: Profilöffnung des Rechteckprofils an der radialen

Außenkante (24)
d: Materialdicke des Bands (11).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Wellenstruktur an der rechteckig profilierten, radialen Außenkante (24) zwischen 3 mm und 12 mm, und vorzugsweise ca. 6,5 mm beträgt.
8. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) der Wellenstruktur zwischen 1,5 mm und 5 mm, vorzugsweise ca. 2,5 mm beträgt.
9. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) des Bands (11) zwischen 2,5 und 10 cm, vorzugsweise ca. 6 cm beträgt.
10. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß or au;} finer oder mehreren Rotor lagen eines Bausatzes besteht, deren Außendurchmesser beispielsweise zwischen 40 cm und 220 cm in Schritten von vorzugsweise ca. 12 cm variiert.
11. Verfahren zur Herstellung eines Rotors nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, .daß man das Band (11) in einem ersten Verfahrensschritt mit einem Rechteckstufenprofil versieht, was insbesondere durch kontinuierliches oder taktweises Prägen erfolgen kann, und das Rechteckstufenprofil in einem zweiten Verfahrensschritt zur Ausbildung eines trapezförmigen Querschnittsprofils verformt, indem man beispielsweise mit stiftartigen Formwerkzeugen (27 - 29) in die Profilwellen des Rechteckprofils einfährt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die Formwerkzeuge (27 - 29) in einer hin- und hergehenden Hubbewegung im Takt mit einem z. B. stufenweisen Vorschub des Bands (11) in das Bandprofil eintauchen.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch wenigstens zwei synchron arbeitende Formwerkzeuge (27, 29), die paarweise einander gegenüberliegende Flanken (21) des Bandprofils ergreifen und aufeinander zu drücken.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Formwerkzeuge (27) in ihrer Vorschubrichtung (30) in einem Winkel relativ zueinander angestellt sind, der im wesentlichen dem Winkel (ß) (Anspruch 6) entspricht, und von der radialen Außenseite her in das Bandprofil einfahren.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Formwerkzeuge (29) quer zu der Längsrichtung des Bands (11) bewegen, von der radialen Innenseite in das Bandprofil eintauchen und wirksame Kanten (32) besitzen, die unter einem im wesentlichen dem Winkel ((^) (Anspruch 6) entsprechenden Winkel gegeneinander geneigt sind.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Formwerkzeuge (29) als Form-Negativ des zu erstellenden Bandprofils konturiert sind, und insbesondere verwundene Seitenflächen haben.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig wenigstens drei Formwerkzeuge (27, 28, 29) in das Rechteckprofil einfahren und zwei dazwischen befindliche Flanken (21) formen.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß man das Band (11) nachverformt, indem man mit einer Presse auf die Profilrücken (23) des Bands (11) arbeitet und das Bandprofil zusammendrückt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Backen der Presse an das Bandprofil angepaßt, und insbesondere mit keilförmigen Rippen versehen sind, die während des Preßvorgangs in die Profilöffnungen (23) des Bands (11) eingreifen.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß man das Band (11) nachverformt, indem man mit einem keilförmigen Stößel (50) im Bereich der radialen Außenkante (24) quer zu der Längsrichtung des Bands (11) in die Profilöffnung (23) einfährt und die Flanken (21) spreizt.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß man das Ausmaß der Spreizung anhand der Eintauchtiefe des Stößels (50) bestimmt.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingriffsbreite des Stößels (50) ca. 20 - 30 % der Bandbreite beträgt.