EP2638351A1 - Aus einem einstückigen blech gefalteter wärmetauscher mit zwei getrennten kammern - Google Patents
Aus einem einstückigen blech gefalteter wärmetauscher mit zwei getrennten kammernInfo
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- EP2638351A1 EP2638351A1 EP11784942.2A EP11784942A EP2638351A1 EP 2638351 A1 EP2638351 A1 EP 2638351A1 EP 11784942 A EP11784942 A EP 11784942A EP 2638351 A1 EP2638351 A1 EP 2638351A1
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- EP
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- heat exchanger
- sheet
- ribs
- regions
- region
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D9/0025—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being formed by zig-zag bend plates
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
- F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
- F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
- F28F3/027—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements with openings, e.g. louvered corrugated fins; Assemblies of corrugated strips
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
- B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools
- B21D22/027—Stamping using rigid devices or tools for flattening the ends of corrugated sheets
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
Definitions
- the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1 and to a method for producing a heat exchanger.
- the refrigerator has two in-plane inlets communicating with two separate chambers.
- the two chambers are in fluid communication with channels on the top and bottom of the plate, the plate having at least one Peltier element.
- This refrigerator is a compact device that can be used as a cassette in a control cabinet
- CONFIRMATION COPY trained, which is also adapted to standard cabinets with 19-inch rails.
- a heat exchanger is known in which a thin-walled sheet is deformed so as to give a plurality of parallel ribs with a flat top and bottom. Subsequently, the sheet is deformed transversely to the longitudinal direction of the ribs so that their upper and lower sides each form a closed plane, wherein abutting edges are joined together, for example by soldering. Between the flat upper and lower sides so that triangular, separate channels are formed. With this construction, the need for a base plate is to be avoided, protrude from the cooling fins.
- DE 102 33 736 B3 shows a heat exchanger with a substrate having a plurality of regularly ⁇ arranged, to which through the substrate extending channels, and protruding from an upper surface of the substrate webs, whose height at most a half of the length of the channels in Direction of flow corresponds. Both sides of the substrate are flowed tangentially through a directed fluid flow. The webs are aligned transversely to the direction of flow and serve as flow obstacles for generating Verwirbelungszonen that improve heat transfer.
- DE 10 2008 013 850 B3 shows an air-conditioning device for components arranged in a control cabinet.
- the air conditioning device has three channels.
- the first channel acts as an outer channel.
- a partition wall separates the outer channel from a central channel and a Peltier element provided on both sides with heat exchanger elements separates the central channel from an inner channel.
- a first fluid may be directed through the outer channel in a first mode and through the central channel in a second mode, with a second fluid flowing through the central channel in the first mode and through the inner channel in the second mode , In one operating mode there is an air / heat exchange and in the second operating mode active cooling by the Peltier elements.
- the object of the invention is to improve the heat exchanger of the type mentioned in that it is simple and inexpensive to produce with reduced weight. Next, a method for producing such a heat exchanger is to be specified, which requires few steps with low material usage.
- Fig. 1 is a plan view of a sheet used to manufacture the heat exchanger after a few processing steps
- Fig. 2 is an end view of the sheet of Fig. 1;
- Fig. 3 sections of ends of the sheet of Figure 1 for explaining deformation steps.
- Fig. 4 is a side view of the sheet for further
- Fig. 5 is a perspective view of the sheet
- Fig. 6 is a plan view of a second sheet used in the manufacture of the heat exchanger
- Fig. 7 is a plan view of the sheet of Fig. 6 after deformation
- Fig. 8 is a side view of the sheet of Fig. 7;
- Figs. 7 and 8; Fig. 10 is a perspective view of the heat exchanger, in which the two sheets of Figures 5 and 9 are interconnected; 11 is a cross-section of the assembled heat exchanger according to an embodiment of the invention;
- Fig. 12 end views of portions of the first
- Fig. 13 is an end view of the heat exchanger for explaining the deformation steps; 14 shows a cross section through a part of the heat exchanger for explaining various parameters;
- Fig. 15 is a section along the line A-A of FIG.
- Fig. 16 is a schematic side view of an arrangement of two heat exchangers according to an embodiment of the invention.
- Fig. 17 is a schematic side view of an arrangement of two heat exchangers according to another embodiment of the invention.
- FIG. 1 shows a plan view of a metal sheet 1, the egg ⁇ NEN middle deformed region 2 and on both sides adjoining flat side regions 3 and 4 has.
- the central region of the sheet is deformed so that it has a plurality of mutually parallel ribs 5, which are prepared for example by ei ⁇ ne rib forming machine according to US 2009/0266127 AI.
- the ribs 5 may have different shapes, which will be explained in more detail in connection with FIG. 12.
- the ribs and their geometry can be produced by means of standardized bending, folding, folding, rolling or related shaping production techniques, which make it possible to realize the bends for producing the ribs 5 only in the intended middle region 2 and do not affect the remaining space of the page areas 3 and 4.
- the planar side region 3 has near a first edge 6 a plurality of parallel recesses 7, which are produced for example by punching or laser cutting.
- the side region 4 near the edge 8 corresponding recesses 9, which are in principle double-mirror symmetry to the recesses 7.
- the recesses 7 and 9 are used in the finished heat exchanger as an air inlet or air outlet.
- an incision 10 can be seen in each case.
- a thin dashed line on both sides of the central region 2 indicates a bending line 11, along which the two side regions 3 and 4 are later bent relative to the central region 2.
- the length of the four incisions 10 is determined by the geometric relationships and will be explained in connection with FIGS. 4 and 5.
- the central region 2 forms the separation or heat exchange surface in the finished heat exchanger. It has such a structure that the area is maximized and in forced overflow a minimum
- the material thickness of the sheet 1 is dependent on the selected material, which may be, for example, aluminum, copper or other heat good conductive material as well as of the overall stability, which is required for the respective application.
- the middle region is bent in each case near the edges 6 and 8, namely at kinks 16 and 17.
- the two side regions 3 and 4 are not deformed. It follows that the length of the incisions 10 is selected so that they extend straight to the kinks 16 and 17.
- the sheet 1 has the shape shown in perspective in Fig. 5, wherein the two side portions 3 and 4 are still undeformed flat.
- FIGS. 6 to 9 show a second sheet 20 which, as a result, is intended to form a lattice support structure.
- the sheet 20 is also a flat sheet, which is preferably made of the same material as the sheet 1. It has a plurality of punched or cut-out windows 21, which are preferably rectangular.
- the second sheet 20 is bent in accordance with the side view of FIG. 8 in such a way that the windows 21 protrude obliquely or perpendicularly from the sheet plane and are surrounded by webs 22 and 23 around.
- the webs 22 and 23 act fluidically as flow obstacles, the turbulence of a flowing medium, such. Air, to generate what improves the heat transfer.
- the lattice support structure formed from the sheet 20 according to FIGS. 8 and 9 is produced twice. One is applied to the top 12 and the other to the bottom 13 of the deformed central region 2 corresponding to the semifinished product shown in FIG. 5, with flat closed bottom surfaces 24u joined to flat surfaces of the ribs 5. Plane upper surfaces 24o of the sheet 20 are later brought into contact with the side areas 3 or 4 and preferably connected. This can be done by gluing, soldering, welding or other known joining techniques, where a good heat transfer at these locations is desired.
- the two side regions 3 and 4 are bent in opposite directions corresponding to the bending lines 11, 26 and 27 shown in dashed lines in FIG. 10 so that they completely cover the middle region 2, as is the case in the sectional view 11 is to be recognized.
- the outer side edge 28 of the side portion 3 is connected to the inner side edge at the bending line 11 of the side portion 4 and the outer side edge 30 of the side portion 4 is connected to the inner side edge at the bending line 11 of the side portion 3, for example, again by soldering, so that one opposite a flowing fluid, such as Air, tight connection is created.
- the pressed end region 14 is connected to the side region 4 and the compressed end region 15 to the side region 3, for example by soldering, so that an air-tight connection is also created there.
- the heat exchanger is open to the top 12. Accordingly, it is open at the adjoining the end portion 15 slope to the bottom 13. From the upper side 12, air can escape via the opening 7 after flowing through the heat exchanger and from the lower side via the openings 9.
- Fig. 11 shows again clearly that the heat exchanger has two separate chambers or flow paths 31 and 32, through the deformed central region. 2 of the first sheet 1 are separated from each other, wherein the two side regions 3 and 4 form a housing after appropriate bending, whose stability is enhanced by the two formed from the second sheet 20 structures, which are firmly connected to the central region 2 and the Support side walls 3 and 4 formed walls of the housing.
- the webs 22 and 23, which frame the windows 21, form turbulence zones, which improve the heat transfer.
- the heat exchanger has two completely separate chambers or flow paths 31 and 32.
- the first flow path 31 is open at one end face formed by the edge 6, while its other end face is closed at the edge 8, since the part of the side portion 4, with the compressed end portion 15 is connected, there forms a tight seal.
- the second flow path 32 is open at the end face of the edge 8 and closed at the front side of the edge 6, since the side region 3 is connected in the region of the edge 6 with the compressed end region 14, wherein in this area through the recesses 7 a Outlet opening is created.
- the heat exchanger can be used for any cooling media, for example for air / air,
- the heat exchanger can be realized as a flat cassette-like component and, for example, also form a wall of a control cabinet. It can also be used as a slide-in cassette in control cabinets to cool or air-condition specific areas.
- FIG. 12 shows various variants of the shape of the ribs 5 of the middle region 2 of the first sheet 1.
- the ribs are designed according to a triangular function, in FIG. 12b as a trapezoid, in FIG. 12c as a sine or cosine function and in FIG. 12d as an alternating step function, which can also be regarded as a special form of the trapezoid function.
- the alternating step function of FIG. 12d is considered as a preferred embodiment, since it exhibits a very low flow resistance at maximum heat exchange surface.
- Fig. 13 illustrates once again the process of kinking or Abkantens the first sheet 1 at the bending lines 11, 25 and 26th
- Fig. 14 shows the dimensioning of the ribs 5, each measured from the center of material have a width Bl. Since the ribs 5 alternately in the one and In the opposite direction, one can see a rib pointing in one direction as the groove or furrow of the other flow channel. In this sense, ribs and furrows preferably have the same width Bl.
- the total height of both channels together is Hl
- the height of the fins H2 and the distance of the fins to the more distant channel wall is H3 or H4.
- H3 and H4 are the same size, which is useful if the media flowing through the two channels are the same, such as air / air.
- Fig. 15 is a section along the line A-A of Fig. 14 and additionally shows the flow profile in the two chambers 31 and 32, i. the flow rate depending on the location. The flow obstacles are omitted here.
- FIGS. 16 and 17 schematically show two variants for bending the middle region 2.
- the ends of the middle region 2 are bent in opposite directions, as also shown in FIGS. 5 and 10.
- Fig. 17 the two ends are bent in the same direction.
- the variant of FIG. 16 is particularly suitable for an air / air heat exchanger, while that of FIG. 17 on the one hand makes it possible to produce a passive heat exchanger without fan, which can be designed so that it has a complete side wall of a switching can replace cabinet and still ensures the high degree of protection of the cabinet.
- the variant of FIG. 17 is also suitable as an insert for an air / water heat exchanger with suitable openings for entry and exit. By closing the one cavity on both sides, it is possible to use a liquid there instead of gases without much effort.
- the invention provides a thin-walled three-dimensional hollow body which can be manufactured from simple sheets and can be flexibly adapted to the desired dimensions with regard to its dimensioning by simple production steps in order to create an optimum heat exchanger even in confined spaces.
- the heat exchanger can be used as a cassette at the desired locations.
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Abstract
Der Wärmetauscher mit zwei durch eine Trennplatte getrennten Kammern (31, 32) wird aus einem einstückigen Blech (1) durch Umfalten gebildet. Die Trennplatte wird aus einem mittleren Bereich (2) des Bleches gebildet, in dem eine Vielzahl von abwechselnden parallel verlaufenden Rippen (5) und Furchen (5a) durch Umbiegen oder Umfalten erzeugt werden. An den mittleren Bereichen (2) beidseitig anschließende Seitenbereiche (3, 4) des Bleches (1) werden längs Knicklinien (11, 25, 26) zur Bildung eines geschlossenen Gehäuses umgefaltet. Zwischen dem mittleren Bereich und den nach dem Umfalten gegenüberliegenden Seitenbereichen (3, 4) ist ein Gittertragwerk aus einem zweiten Blech (20) eingesetzt, das Fenster (21) und diese umgebenden Stege (22, 23) aufweist. Die Rippen und Furchen (5, 5a) an den Enden des mittleren Bereiches sind zu flachen Endbereichen (14, 15) verpreßt und mit je einem der Seitenbereiche (3, 4) fluiddicht verbunden.
Description
AUS EINEM EINSTÜCKIGEN BLECH GEFALTETER WÄRMETAUSCHER MIT ZWEI GETRENNTEN KAMMERN
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher ge- mäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf ein Verfahren zu Herstellung eines Wärmetauschers.
Ein solcher Wärmetauscher ist aus der DE 20 2008 003
516 Ul bekannt. Sie zeigt ein Kühlgerät für elektroni- sehe Bauelemente mit einer beidseitig mit Wärmetauscherelementen versehenen Platte, längs deren Oberfläche zwei getrennte Luftströmungswege angeordnet sind, von denen einer Außenluft und einer Innenluft führt.
Das Kühlgerät hat zwei in einer Ebene liegende Einläs- se, die mit zwei getrennten Kammern in Strömungsverbindung stehen. Die beiden Kammern stehen mit Kanälen an der Ober- und Unterseite der Platte in Strömungsverbindung, wobei die Platte mindestens ein Peltiere- lement aufweist.
Dieses Kühlgerät ist ein kompaktes Gerät, das als Kassette in einen Schaltschrank eingesetzt werden kann
und kühle Außenluft durch Schlitze oder Öffnungen eines Schaltschrankes ansaugt. Es ist als Einschubele-
BESTÄTIGUNGSKOPIE
ment ausgebildet, das auch an Norm-Schaltschränke mit 19 Zoll Schienen angepaßt ist.
Aus der US 4,926,935 A ist ein Wärmetauscher bekannt, bei dem ein dünnwandiges Blech so verformt wird, dass sich eine Vielzahl von parallel verlaufenden Rippen mit ebener Ober- und Unterseite ergeben. Anschließend wird das Blech quer zur Längsrichtung der Rippen so verformt, dass ihre Ober- und Unterseiten jeweils eine geschlossene Ebene bilden, wobei Stoßkanten miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Löten. Zwischen den ebenen Ober- und Unterseiten sind damit dreieckförmige, voneinander getrennte Kanäle gebildet. Mit dieser Konstruktion soll die Notwendigkeit einer Grundplatte vermieden werden, von der Kühlrippen abstehen.
Die Herstellung von Rippenblechen ist beispielsweise der US 2009/0266127 AI zu entnehmen.
Die US 5,372,187 zeigt einen doppelt gewellten Wärmetauscher aus einem durchgehenden Blech. Durch die doppelte Wellung soll die wirksame Oberfläche vergrößert werden .
Die DE 102 33. 736 B3 zeigt einen Wärmetauscher mit einem Substrat, das eine Vielzahl von regelmäßig ange¬ ordneten, sich durch das Substrat hindurch erstreckenden Kanälen aufweist sowie von einer Oberseite des Substrats abstehende Stege, deren Höhe maximal der Hälfte der Länge der Kanäle in Anströmungsrichtung entspricht. Beide Seiten des Substrates werden durch einen gerichteten Fluidstrom tangential angeströmt.
Die Stege sind quer zur Anströmrichtung ausgerichtet und dienen als Strömungshindernisse zur Erzeugung von Verwirbelungszonen, die einen Wärmeübergang verbessern .
Die DE 10 2008 013 850 B3 zeigt eine Klimatisierungseinrichtung für in einem Schaltschrank angeordnete Bauelemente. Die Klimatisierungseinrichtung weist drei Kanäle auf. Der erste Kanal fungiert als Außenkanal. Eine Trennwand trennt den Außenkanal von einem Mittelkanal und ein beidseitig mit Wärmetauscherelementen versehenes Peltierelement trennt den Mittelkanal von einem Innenkanal. Durch umschaltbare Klappen an den Enden der Kanäle kann ein erstes Fluid in einer ersten Betriebsart durch den Außenkanal und in einer zweiten Betriebsart durch den Mittelkanal geleitet werden, wobei ein zweites Fluid in der ersten Betriebsart durch den Mittelkanal und in der zweiten Betriebsart durch den Innenkanal strömt. In der einen Betriebsart findet ein Luft/Wärmetausch und in der zweiten Betriebsart eine aktive Kühlung durch die Peltierelemente statt.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmetauscher der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass er bei verringertem Gewicht einfach und kostengünstig herstellbar ist. Weiter soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers angegeben werden, das bei geringem Materialeinsatz wenige Arbeitsschritte benötigt.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmale gelöst.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Draufsicht eines Bleches, das zur Herstellung des Wärmetauschers verwendet wird, nach einigen Bearbeitungsschritten;
Fig. 2 eine Stirnansicht des Bleches der Fig. 1;
Fig. 3 Abschnitte von Enden des Bleches der Fig. 1 zur Erläuterung von Verformungsschritten;
Fig. 4 eine Seitenansicht des Bleches nach weiteren
Verformungsschritten;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Bleches
nach den Verformungsschritten der Fig. 4; Fig. 6 eine Draufsicht eines zweiten Bleches, das bei der Herstellung des Wärmetauschers verwendet wird;
Fig. 7 eine Draufsicht des Bleches der Fig. 6 nach einer Verformung;
Fig. 8 eine Seitenansicht des Bleches der Fig. 7;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Bleches der
Fig. 7 und 8;
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschers, bei dem die beiden Bleche der Fig. 5 und 9 miteinander verbunden sind; Fig. 11 einen Querschnitt des fertig montierten Wärmetauschers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 12 Stirnansichten von Abschnitten des ersten
Bleches mit verschiedenen Verformungen;
Fig. 13 Eine Stirnansicht des Wärmetauschers zur Erläuterung der Verformungsschritte; Fig. 14 einen Querschnitt durch einen Teil des Wärmetauschers zur Erläuterung verschiedener Parameter;
Fig. 15 einen Schnitt längs der Linie A-A der Fig.
13;
Fig. 16 eine schematische Seitenansicht einer Anordnung von zwei Wärmetauschern nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 17 eine schematische Seitenansicht einer Anordnung von zwei Wärmetauschern nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung .
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht eines Bleches 1, das ei¬ nen mittleren verformten Bereich 2 und beidseitig daran anschließende ebene Seitenbereiche 3 und 4 auf-
weist. Im mittleren Bereich ist das Blech so verformt, dass es eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Rippen 5 aufweist, die beispielsweise durch ei¬ ne Rippenformmaschine gemäß US 2009/0266127 AI herge- stellt werden. Die Rippen 5 können verschiedene Formen haben, was im Zusammenhang mit Fig. 12 noch ausführlicher erläutert wird. Generell können die Rippen und ihre Geometrie über standardisierte Biege-, Falt-, Falz-, Roll- oder verwandte formgebende Fertigungs- techniken erzeugt werden, welche es erlauben, nur in dem vorgesehenen mittleren Bereich 2 die Biegungen zur Herstellung der Rippen 5 zu realisieren und den restlichen Platz der Seitenbereiche 3 und 4 nicht beeinflussen .
Der ebene Seitenbereich 3 hat nahe einer ersten Kante 6 eine Vielzahl von parallelen Ausnehmungen 7, die beispielsweise durch Stanzen oder Laserschneiden erzeugt werden. In analoger Weise hat der Seitenbereich 4 nahe der Kante 8 entsprechende Ausnehmungen 9, die im Prinzip doppel-spiegelsymmetrisch zu den Ausnehmungen 7 liegen. Die Ausnehmungen 7 und 9 dienen beim fertigen Wärmetauscher als Lufteinlass bzw. Luftauslaß .
Weiter ist im Übergangsbereich zwischen dem mittleren Bereich 2 und den beiden Seitenbereichen 3 nahe beider Kanten 6 und 8 jeweils ein Einschnitt 10 zu sehen. Eine dünne gestrichelte Linie auf beiden Seiten des mittleren Bereiches 2 deutet eine Biegelinie 11 an, längs der die beiden Seitenbereiche 3 und 4 gegenüber dem mittleren Bereich 2 später gebogen werden.
Die Länge der vier Einschnitte 10 ist durch die geometrischen Verhältnisse bestimmt und wird im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 erläutert. Der mittlere Bereich 2 bildet beim fertigen Wärmetauscher die Trenn- oder Wärmeaustauschfläche. Sie hat eine solche Struktur, dass die Fläche maximiert ist und bei erzwungener Überströmung einen minimalen
Luftwiderstandsbeiwert aufweist.
Die Materialstärke des Bleches 1 ist abhängig vom gewählten Material, das beispielsweise Aluminium, Kupfer oder sonstiges Wärme gut leitendes Material sein kann sowie auch von der Gesamtstabilität, die für den je- weiligen Einsatzzweck gefordert wird.
Das gemäß den Fig. 1 und 2 geformte Blech 1 wird in weiteren Arbeitsschritten gebogen und verformt.
In einem Arbeitsschritt werden die Enden der Rippen 5 nahe den Kanten 6 und 8 entsprechend Fig. 3 und den durch Pfeile angedeuteten Kraftrichtungen so
zusammengepresst, dass sie - wie ganz rechts in Fig. 3 gezeigt - flach zusammengedrückt sind. Diese
verpressten Endbereiche sind in der Fig. 4 mit den Be- zugszeichen 14 und 15 gekennzeichnet.
In einem weiteren Arbeitsschritt wird der mittlere Bereich jeweils nahe den Kanten 6 und 8 gebogen und zwar an Knickstellen 16 und 17. Die beiden Seitenbereiche 3 und 4 werden dabei nicht verformt. Daraus ergibt sich, dass die Länge der Einschnitte 10 so gewählt ist, dass sie sich gerade bis zu den Knickstellen 16 und 17 erstrecken .
Nach diesen Arbeitsschritten hat das Blech 1 die in Fig. 5 perspektivisch abgebildete Form, wobei die beiden Seitenbereiche 3 und 4 noch unverformt eben sind.
Die Fig. 6 bis 9 zeigen ein zweites Blech 20, das im Ergebnis ein Gittertragwerk bilden soll. Das Blech 20 ist ebenfalls ein ebenes Blech, das vorzugsweise aus demselben Material wie das Blech 1 ist. Es hat eine Vielzahl von ausgestanzten oder ausgeschnittenen Fenstern 21, die vorzugsweise rechteckig sind.
In einem Bearbeitungsschritt wird das zweite Blech 20 entsprechend der Seitenansicht der Fig. 8 gebogen und zwar so, dass die Fenster 21 schräg oder senkrecht von der Blechebene abstehen und ringsum von Stegen 22 und 23 eingefasst sind. Die Stege 22 und 23 wirken strömungstechnisch als Strömungshindernisse, die Turbulenzen eines strömenden Mediums, wie z.B. Luft, erzeugen sollen, was den Wärmeübergang verbessert.
Das aus dem Blech 20 gemäß Fig. 8 und 9 gebildete Gittertragwerk wird zweifach hergestellt. Eines wird auf die Oberseite 12 und das andere auf die Unterseite 13 des verformten mittleren Bereiches 2 entsprechend dem in Fig. 5 dargestellten Halbzeug aufgebracht, wobei ebene geschlossene untere Flächen 24u mit ebenen Flächen der Rippen 5 verbunden werden. Ebene obere Flächen 24o des Bleches 20 werden später mit den Seiten- bereichen 3 oder 4 in Kontakt gebracht und vorzugsweise verbunden. Dies kann durch Kleben, Löten, Schweißen oder sonstige bekannte Verbindungstechniken erfolgen,
wobei ein guter Wärmeübergang an diesen Stellen erwünscht ist.
Nachdem die Gittertragwerke am mittleren Bereich 2 be- festigt sind, werden die beiden Seitenbereiche 3 und 4 gegenläufig abgebogen entsprechend den in Fig. 10 gestrichelt dargestellten Biegelinien 11, 26 und 27, so dass sie den mittleren Bereich 2 vollständig ummanteln, wie aus der Schnittansicht der Fig. 11 zu erken- nen ist. Die äußere Seitenkante 28 des Seitenbereiches 3 wird mit der inneren Seitenkante an der Biegelinie 11 des Seitenbereiches 4 verbunden und die äußere Seitenkante 30 des Seitenbereiches 4 wird mit der inneren Seitenkante an der Biegelinie 11 des Seitenbereiches 3 verbunden und zwar beispielsweise wiederum durch Löten, so dass eine gegenüber einem strömenden Fluid, wie z.B. Luft, dichte Verbindung geschaffen wird.
Weiter wird der verpresste Endbereich 14 mit dem Sei- tenbereich 4 und der verpresste Endbereich 15 mit dem Seitenbereich 3 verbunden, beispielsweise durch Löten, damit auch dort eine luftdichte Verbindung geschaffen wird. An der an den verpressten Endbereich 14 anschließenden Schräge ist der Wärmetauscher offen zur Oberseite 12. Entsprechend ist er an der an den Endbereich 15 anschließenden Schräge zur Unterseite 13 hin offen. Von der Oberseite 12 kann Luft nach Durchströmen des Wärmetauschers über die Öffnung 7 austreten und von der Unterseite über die Öffnungen 9.
Fig. 11 zeigt noch einmal deutlich, daß der Wärmetauscher zwei getrennte Kammern bzw. Strömungswege 31 und 32 hat, die durch den verformten mittleren Bereich 2
des ersten Bleches 1 voneinander getrennt sind, wobei die beiden Seitenbereiche 3 und 4 nach entsprechender Umbiegung ein Gehäuse bilden, dessen Stabilität durch die beiden aus dem zweiten Blech 20 gebildeten Tragwerke verstärkt wird, die mit dem mittleren Bereich 2 fest verbunden sind und die von den Seitenbereichen 3 und 4 gebildeten Wände des Gehäuses abstützen. Die Stege 22 und 23, die die Fenster 21 umrahmen, bilden Turbulenzzonen, die den Wärmeübergang verbessern.
Durch die feste Verbindung der Stege 23 mit dem mittleren Bereich 2 sind auch die Tragwerke thermisch mit dem mittleren Bereich 2 gekoppelt, so daß auch von ihnen Wärme abgeführt wird.
Der Wärmetauscher hat zwei vollständig voneinander getrennte Kammern bzw. Strömungswege 31 und 32. Der erste Strömungsweg 31 ist an einer von der Kante 6 gebildeten Stirnseite offen, während seine andere Stirnseite an der Kante 8 verschlossen ist, da der Teil des Seitenbereiches 4, der mit dem verpressten Endbereich 15 verbunden ist, dort einen dichten Verschluß bildet. Ein Austritt von Fluid, wie z.B. Luft, erfolgt in diesem Bereich durch die Ausnehmungen 9.
In spiegelsymmetrischer Weise ist der zweite Strömungsweg 32 an der Stirnseite der Kante 8 offen und an der Stirnseite der Kante 6 verschlossen, da der Seitenbereich 3 im Bereich der Kante 6 mit dem verpressten Endbereich 14 verbunden ist, wobei in diesem Bereich durch die Ausnehmungen 7 eine Austrittsöffnung geschaffen ist.
Der Wärmetauscher kann für beliebige Kühlmedien eingesetzt werden, beispielsweise für Luft/Luft,
Luft/Wasser, wobei durch geeignete Mittel, wie Ventilatoren oder Pumpen, eine Strömung durch die Strö- mungswege 25 und 26 erzwungen wird. Der Wärmetauscher kann als flaches kassettenartiges Bauteil realisiert werden und beispielsweise auch eine Wand eines Schalt- schrankes bilden. Auch kann er als Einschubkassette in Schaltschränke eingesetzt werden, um spezifische Be- reiche zu kühlen bzw. zu klimatisieren.
Fig. 12 zeigt verschiedene Varianten für die Form der Rippen 5 des mittleren Bereiches 2 des ersten Bleches 1.
In Fig. 12a sind die Rippen nach einer Dreiecksfunktion ausgebildet, in Fig. 12b als Trapez, in Fig. 12c als Sinus- bzw. Cosinusfunktion und in Fig. 12d als alternierende Treppenfunktion, die auch als Sonderform der Trapezfunktion angesehen werden kann. Unter Berücksichtigung des Strömungswiderstandes wird die alternierende Treppenfunktion der Fig. 12d als bevorzugtes Ausführungsbeispiel angesehen, da sie bei maximaler Wärmetauschfläche einen sehr geringen Strömungswi- derstand zeigt.
Fig. 13 verdeutlicht noch einmal den Vorgang des Abknickens bzw. Abkantens des ersten Bleches 1 an den Biegelinien 11, 25 und 26.
Fig. 14 zeigt die Dimensionierung der Rippen 5, die jeweils von der Materialmitte aus gemessen eine Breite Bl haben. Da die Rippen 5 alternierend in die eine und
die entgegengesetzte Richtung weisen, kann man eine Rippe, die in eine Richtung weist, auch als Rille oder Furche des anderen Strömungskanals ansehen. In diesem Sinne haben Rippen und Furchen vorzugsweise dieselben Breite Bl . Die Gesamthöhe beider Kanäle zusammen beträgt Hl, die Höhe der Rippen H2 und der Abstand der Rippen zur entfernter liegenden Kanalwand beträgt H3 bzw. H4. Bei symmetrischer Anordnung sind H3 und H4 gleich groß, was dann zweckmäßig ist, wenn die die beiden Kanäle durchströmenden Medien gleich sind, wie z.B. Luft/Luft.
Um das Verpressen der Endbereiche 14 und 15 ideal gestalten zu können, wählt man Bl gleich H2.
Fig. 15 ist ein Schnitt längs der Linie A-A der Fig. 14 und zeigt zusätzlich das Strömungsprofil in den beiden Kammern 31 und 32, d.h. die Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Ort. Die Strömungshinder- nisse sind hierbei fortgelassen.
Die Fig. 16 und 17 zeigen schematisch zwei Varianten für das Abknicken des mittleren Bereiches 2. In Fig. 16 sind die Enden des mittleren Bereiches 2 entgegen- gesetzt abgeknickt, wie auch in den Fig. 5 und 10 dargestellt. In Fig. 17 sind die beiden Enden dagegen gleichsinnig abgeknickt.
Die Variante der Fig. 16 eignet sich besonders für ei- nen Luft/Luft-Wärmetauscher, während die der Fig. 17 es einerseits ermöglicht, einen passiven Wärmetauscher ohne Lüfter herzustellen, der so ausgeführt werden kann, daß er eine komplette Seitenwand eines Schalt-
schrankes ersetzen kann und trotzdem die hohe Schutzart des Schrankes gewährleistet. Auch eignet sich die Variante der Fig. 17 bei geeigneten Öffnungen für Ein- und Austritt auch als Einsatz für einen Luft/Wasser- Wärmetauscher. Durch das Verschließen des einen Hohlraumes auf beiden Seiten ist es möglich, ohne großen Aufwand dort anstelle von Gasen eine Flüssigkeit zu verwenden . Kurz zusammengefaßt schafft die Erfindung einen dünnwandigen dreidimensionalen Hohlkörper, der aus einfachen Blechen hergestellt werden kann und hinsichtlich seiner Dimensionierung durch einfache Fertigungsschritte flexibel an die gewünschten Dimensionen ange- paßt werden kann, um auch bei beengten Platzverhältnissen einen optimalen Wärmetauscher zu schaffen. Der Wärmetauscher kann als Kassette an den gewünschten Stellen eingesetzt werden.
Claims
Patentansprüche
Wärmetauscher mit einem Gehäuse, das zwei durch eine Trennplatte getrennte Kammern (31, 32) aufweist, wobei jede Kammer (31, 32) eine Einlaßöffnung (37, 39) und eine Auslaßöffnung (7, 9) für Fluide aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und die Trennplatte aus einem einstückigen Blech (1) gebildet sind,
daß die Trennplatte aus einem mittleren Bereich (2) des Bleches (1) gebildet ist, der eine Vielzahl von abwechselnden parallel verlaufenden Rippen (5) und Furchen (5a) aufweist und
daß das Gehäuse durch Seitenbereiche (3, 4) des Bleches (1) gebildet ist, die längs Knicklinien (11, 25, 26) gefaltet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in beide Kammern (31, 32) je ein Gittertragwerk aus einem zweiten Blech (20) eingesetzt ist, das mit dem mittleren Bereich (2) des ersten Bleches (1) und dem jeweils gegenüberliegenden Seitenbereich (3, 4) des ersten Bleches (1) verbunden ist und eine Vielzahl von Fenstern (21) und diese umgebenden Stege (22, 23) aufweist .
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (5) und Furchen (5a) an den Enden des mittleren Bereiches (2) zu flachen Endbereichen (14, 15) verpreßt sind und daß
diese Endbereiche (14, 15) fluiddicht mit einem der Seitenbereiche (3, 4) verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (2) nahe seiner Enden (6, 8) abgewinkelte Übergangsbereiche (35, 36) aufweist, die in die verpreßten Endbereiche (14, 15) münden, wobei diese Übergangsbereiche (35, 36) eine der Einlaß- oder Auslaßöffnungen (7, 9; 37, 39) bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit folgende Schritten :
Bereitstellen eines ebenen ersten Bleches (1) ; Ausschneiden oder Ausstanzen mehrerer Öffnunge (7, 9);
Verformen eines mittleren Bereiches (2) des Bleches (1) zur Ausbildung einer Vielzahl paralleler Rippen (5) und Furchen (5a) ;
Falten von an den mittleren Bereich (2) beidseitig anschließenden Seitenbereichen (3, 4) längs parallelen Faltlinien (11, 25, 26) und dichtes Verbinden von Endkanten (28, 30) der beiden Seitenbereiche (3, 4) mit Kanten an den Knicklinien (11), die unmittelbar an den mittleren Bereich (2) angrenzen.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Bereitstellen von zwei ebenen zweiten Blechen
(20) ;
Ausschneiden oder Ausstanzen mehrerer Fenster
(21) , derart, daß rings um die Fenster Stege (22, 23) stehen bleiben;
mehrfaches Falten der zweiten Bleche (20) , der art, daß die Fenster (21) und deren seitliche Stege (22) von der Ebene der zweiten Bleche (20) abstehen;
Verbinden der so geformten zweiten Bleche (20) mit den Rippen (5) des mittleren Bereiches (2) des ersten Bleches (1) an dessen Ober- und Unterseite (12, 13) .
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Verpressen der Rippen und Furchen (5a) an den Enden des mittleren Bereiches (2) zu flachen Endbereichen (14, 15) und fluiddichtes Verbinden dieser Endbereiche (14, 15) mit einem der Seitenbereiche (3, 4 ) .
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Abwinkein des mittleren Bereiches (2) nahe seiner Enden (6, 8) .
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