DE10110828A1

DE10110828A1 - Wärmeübertrager für eine CO2-Fahrzeugklimaanlage

Info

Publication number: DE10110828A1
Application number: DE10110828A
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2001-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem von einem hochdruckseitigen Kältemittelstrom in einer ersten Richtung durchströmten ersten Kanal und einem von niederdruckseitigem Kältemittel in eine zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durchströmten, vom ersten Kanal getrennten zweiten Kanal, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste und zweite Kanal jeweils eine Vielzahl von in oder auf einzelnen Wärmeübertragungsblechen (1, 2, 3, ...) gebildeten kleinen Kanälen (11, 12, 13, ...) aufweisen, und dass mehrere Lagen der Wärmeübertragungsbleche miteinander verlötet oder verschweißt sind.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem von einem hochdruckseitigen Kältemittelstrom durchströmten er sten Kanal und einem von niederdruckseitigem Kältemittel durchströmten, vom ersten Kanal getrennten zweiten Kanal.

Ein derartiger Wärmeübertrager ist in einer Verwendung als innerer Wärmeübertrager einer CO₂-Fahrzeugklimaanlage aus dem Statusbericht Nr. 20 des Deutschen Kälte- und Klima technischen Vereins: Kohlendioxid - Besonderheiten und Ein satzchancen als Kältemittel, Seite 137 (November 1998) be kannt.

Ausgehend von den Vorschriften und Regelungen für den Aus stieg aus der Anwendung von FCKW nimmt das Interesse an na türlichen Kältemitteln als Alternative zu FCKW zu.

Zur Palette der natürlichen Kältemittel gehört auch das nicht brennbare und nicht toxische Kohlendioxid. Forschungen zum Kohlendioxid, das 1866 erstmalig als Kältemittel verwen det wurde und in den Fünfziger Jahren aus der Anwendung ver schwand, erlebten Ende der Achtziger Jahre durch Arbeiten von Lorentzen und Mitarbeitern eine Renaissance. Zukünftige Einsatzgebiete liegen bei der Fahrzeugklimatisierung, Wärme pumpen, transportablen Klimageräten kleiner Leistung, Luft entfeuchtungsgeräten und Trocknern.

Um die Leistung und Effizienz des CO₂-Prozesses zu erhöhen, wurde ein sogenannter innerer oder interner Wärmeübertrager vorgeschlagen. Der interne Wärmeübertrager wird vom Käl temittel (CO₂) durchströmt. Einmal auf dem Weg vom Gaskühler zum Verdampfer, das zweite Mal zwischen Verdampfer und Ver dichter. Die Hauptaufgabe des internen Wärmeübertragers ist in Zeiten, in denen hohe Umgebungstemperaturen vorliegen, während denen der Gaskühler also nicht in der Lage ist, das Kältemittel vor der Expansion genügend abzukühlen, durch den internen Wärmeübertrager eine zusätzliche Abkühlung zu er möglichen. Der Wärmestrom wird von der Hochdruckseite nach dem Gaskühler an die Niederdruckseite nach dem Verdampfer (vor Eintritt in den Verdichter) abgegeben. Das teilweise noch flüssige Kältemittel an der Saugseite verdampft dann komplett, bevor es den Verdichter erreicht. Der interne Wär meübertrager ist sinnvollerweise als Gegenstromwärmeübertra ger ausgeführt.

Der aus dem oben erwähnten Statusbericht des Deutschen käl te- und klimatechnischen Vereins bekannte interne Wärmeüber trager wird momentan z. B. als Gegenstrom- Doppelrohrwärmeübertrager hergestellt. Dabei wird das Rohr profil aus extrudiertem Aluminium hergestellt. Der hoch druckseitige Kältemittelstrom wird aus Festigkeitsgründen im inneren Rohr geführt. Schwierig hierbei ist die Dimensionie rung der saugseitigen Wärmeübertragungsfläche bzw. der saug seitig durchströmten Querschnittsfläche, um einen befriedi genden Wärmeübergangskoeffizient bei akzeptablem Druckabfall des Kältemittels zu erzielen.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen kleinen kompakten Wärme übertrager, bei dem in einem kleinen Volumen eine sehr große wärmeübertragende Fläche realisiert werden kann, anzugeben, der sich für eine Verwendung als innerer Wärmeübertrager in einer CO₂-Klimaanlage eignet.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Dadurch, dass gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung der erste und zweite Kanal jeweils gebildet aus einer Viel zahl von in oder auf einzelnen Wärmeübertragungsblechen an geordneten kleinen Kanälen aufweisen und dass mehrere Lagen der Wärmeübertragungsbleche miteinander verbunden, z. B. ver lötet oder verschweißt, sind, lässt sich ein solcher Wärme übertrager sehr kompakt, d. h. mit einem kleinen Volumen und gleichzeitig großer wärmeübertragender Fläche herstellen. Durch die Vielzahl der kleinen Kanäle und die Auslegung und Betriebsweise des Wärmeübertragers im Gegenstromprinzip kann der Wärmeübergang bei vertretbarem Druckabfall gegenüber der bekannten Lösung verbessert werden.

Durch die große Anzahl der kleinen Kanäle kann die wärme übertragende Fläche deutlich vergrößert werden.

Es ist zu bevorzugen, dass der hydraulische Durchmesser der kleinen Kanäle so gewählt ist, dass das Produkt aus Wärme übertragungskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Hochdruckseite dem Produkt aus Wärmeübertragungskoeffi zient und wärmeübertragender Fläche auf der Niederdruckseite entspricht.

Alternativ oder zusätzlich kann auch die Strömungsführung, z. B. durch eine Zickzackführung der kleinen Kanäle so ge wählt sein, dass das Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizi ent und wärmeübertragender Fläche auf der Hochdruckseite dem Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizient und wärmeübertra gender Fläche auf der Niederdruckseite entspricht.

Dadurch, dass die Kanäle auf bzw. in den Blechen mittels ei nes abtragenden oder auftragenden Fertigungsverfahrens her gestellt werden, lassen sich die Kanäle, d. h. die Kanal durchmesser in Anpassung an die Betriebsdruckverhältnisse sehr klein ausführen.

Durch seine kompakte Bauweise ist der vorgeschlagene Wärme übertrager für hohe Drücke bis etwa 150 bar einsetzbar.

Zeichnung

Weitere vorteilhafte Merkmale eines erfindungsgemäßen Wärme übertragers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele.

Die Fig. 1 zeigt die Struktur und Strömungsbedingungen bei einem Ausführungsbeispiel eines aus einzelnen Blechlagen aufgebauten erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, Fig. 2 eine erste, Fig. 3 eine zweite sowie Fig. 4 eine dritte Anord nung eines kompakten Wärmeübertragers.

Ausführungsbeispiel

Das in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist sehr kompakt dadurch, dass einzelne plattenförmige Wärmeübertragungsbleche 1, 2, 3, die untereinander verlötet oder verschweißt und zwischen zwei Deckelplatten 8, 9 gepackt sind, mit kleinen Kanälen 11, 12, 13 und Strömungsöffnungen 4, 5, 6, 7 versehen sind. An einer Eintrittsöffnung 14 der linken Deckelplatte 8 ein strömendes CO₂ hohen Drucks (Pfeil EH) strömt durch die Strömungsöffnung 4 des linken Wärmeübertragungsbleches hin durch zum mittleren Wärmeübertragungsblech 2, durch dessen Kanäle 12 in Pfeilrichtung nach unten und strömt von dort wieder nach links durch die Strömungsöffnung 6 des ersten Wärmeübertragungsbleches 1 und die Austrittsöffnung 16 der Deckelplatte 8 aus (Pfeil AH). Weiterhin strömt, wie die schraffierten Pfeile angeben, CO₂ niederen Drucks (Pfeil EN) in eine Eintrittsöffnung 15 der linken Deckelplatte 8, durch die Kanäle 11 des ersten Wärmeübertragungsblechs 1 von unten nach oben, weiterhin durch die Strömungsöffnung 5 des zwei ten Wärmeübertragungsblechs 2 hindurch zum dritten Wärme übertragungsblech 3 und dort ebenfalls durch dessen kleine Kanäle 13 von unten nach oben und durch die entsprechenden Strömungsöffnungen 7 des dritten, zweiten und ersten Wärme übertragungsblechs 3, 2, 1 und dann durch die Austrittsöff nung 17 der linken Deckelplatte 8 aus (Pfeil AN).

Auf diese Weise wird der dargestellte Wärmeübertrager vom hochdruckseitigen Kältemittel (schwarze Pfeile) in einer er sten Richtung und im Gegenstrom vom niederdruckseitigen Käl temittel (schraffierte Pfeile) durchströmt.

Selbstverständlich ist die Struktur des in der Figur darge stellten Wärmeübertragers mit nur drei Wärmeübertra gungsblechen 1, 2, 3 nur beispielhaft.

Der in der Fig. 1 gezeigte Wärmeübertrager besteht somit aus einzelnen, durch die Wärmeübertragungsbleche definierten Lagen, die im Gegenstrom von CO₂, das sich auf der einen Seite auf hohem Druck (bis annähernd 150 bar) bei hoher Tem peratur und auf der anderen Seite bei niedrigem Druck (bis annähernd 60 bar) und niedriger Temperatur befindet, durch strömt werden.

Um den Wärmeübertrager ideal an die auftretenden Wärmeüber gangsbedingungen anzupassen, ist zu berücksichtigen, dass der Wärmeübergang durch die Stoffeigenschaften des Fluids und den Strömungszustand bestimmt werden. Der Wärmeüber gangskoeffizient auf der Niederdruckseite ist jedoch im all gemeinen wesentlich kleiner als derjenige auf der Hochdruck seite. Um das Volumen des Wärmeübertragers am effizientesten zu nutzen, ist daher anzustreben, das Produkt aus Wärmeüber gangskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Hoch druckseite demjenigen Produkt aus Wärmeübergangskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Niederdruckseite anzu passen. Dies kann bei dem gezeigten, kompakten Wärmeübertra ger, der aus einzelnen Profilen, d. h. den Wärmeübertra gungsblechen 1, 2, 3 besteht, in die die kleinen Kanäle 11, 12, 13 eingearbeitet sind, durch entsprechende Anpassung des hydraulischen Durchmessers der kleinen Kanäle 11, 12, 13 er folgen.

Des weiteren besteht die Möglichkeit, die wärmeübertragende Fläche bzw. den Wärmeübergangskoeffizienten durch eine ent sprechende Strömungsführung der kleinen Kanäle, beispiels weise in Zickzackform, zu vergrößern.

Ein solcher kompakter Wärmeübertrager, wie er in der Figur dargestellt ist, lässt sich vorteilhafterweise aus Kupfer- oder Kupferlegierung, Edelstahl, Aluminium und weiteren Werkstoffen herstellen.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Wärmeübertragers lässt sich vorteilhaft als in nerer Wärmeübertrager in einer CO₂-Klimaanlage in Fahr zeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen verwenden.

Für diesen Fall lässt sich ein innerer Wärmeübertrager mit der oben beschriebenen Struktur und den dargelegten Strö mungsbedingungen für hohe Drücke bis annähernd 150 bar aus legen.

Dabei liegt der erste in der Fig. 1 durch schwarze Pfeile markierte (Hochdruck) Strömungskanal in einem ersten Strö mungsweg von einem Gaskühler zu einem Verdampfer und der zweite in der Figur durch schraffierte Pfeile markierte (Niederdruck) Strömungskanal in einem zweiten Strömungsweg vom Verdampfer zu einem Verdichter der Fahrzeugklimaanlage.

Im ersten Strömungsweg kann ein hoher Druck bis annähernd 150 bar und hohe Temperatur und im zweiten Strömungsweg ein niedriger Druck bis annähernd 60 bar und relativ niedrige Temperatur herrschen.

Dem einschlägigen Fachmann ist anhand der obigen Beschrei bung deutlich geworden, dass der in der Fig. 1 dargestellte Wärmeübertrager lediglich schematisch und beispielhaft ist und dass auch eine andere von einer plattenförmigen Form der Wärmeübertragungsbleche abweichende Geometrie z. B. ein zy linderförmiger Aufbau realisiert werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 befinden sich in dem ersten Wärmeübertragungsblech 1 exemplarisch zwei kleine Kanäle 11, die niederdruckseitig von dem Kühlmittel durch strömt werden. Der in etwa U-förmige Querschnitt der kleinen Kanäle 11 wird durch das zweite Wärmeübertragungsblech 2 ge schlossen, so dass das Kühlmittel nicht entweichen kann. Zur gegenseitigen Befestigung der beiden Wärmeübertragungsbleche 1, 2 ist eine Verbindung 20 vorgesehen, beispielsweise eine Lötverbindung. Die hochdruckseitig von dem Kühlmittel durch strömten kleinen Kanäle 12 befinden sich jeweils genau ober halb zu den niederdruckseitigen kleinen Kanälen 11, aller dings an der von dem ersten Wärmeübertragungsblech 1 abge wandten Seite des zweiten Wärmeübertragungsblechs 2. Die Längsseite der hochdruckseitigen kleinen Kanäle 12 könnten durch ein in Fig. 2 nicht dargestelltes weiteres Wärmeüber tragungsblech 3 geschlossen werden. Die kleinen Kanäle 11, 12 werden im Gegenstromprinzip von dem Kühlmittel durch strömt.

Der Wärmeübertrager der Fig. 2 kann gemäß der Anordnung der Fig. 3 noch kompakter hergestellt werden, indem die Öffnun gen der niederdruckseitigen kleinen Kanäle 11 versetzt ange ordnet werden zu den Öffnungen der hochdruckseitig durch flossenen kleinen Kanälen 12. Ein zwischen den beiden Öff nungen der kleinen Kanäle 11 liegender erster Steg 22 des ersten Wärmeübertragungsblechs 1 liegt nun genau der Öffnung eines hochdruckseitig durchflossenen kleinen Kanals 12 in der Weise gegenüber, dass er die durch die Druckdifferenz in den Kanälen 11, 12 erzeugten Kräfte aufnimmt. Durch den Ver satz der niederdruckseitigen kleinen Kanäle 11 gegenüber den hochdruckseitigen kleinen Kanälen 12 in Ebenen mit unter schiedlichen Druckniveaus läßt sich die erforderliche Dicke der Wärmeübertragungsbleche 1, 2 reduzieren. Dies wird da durch erreicht, dass die durch die Druckdifferenz in den Ka nälen 11, 12 erzeugten Kräfte vermehrt durch den Steg 22 zwischen den Öffnungen aufgenommen wird. Durch diese Maßnah me kann das Volumen und insbesondere die Masse des Wärme übertragers deutlich gesenkt werden. Dies ist insbesondere für Werkstoffe mit großer Dichte, die auch eine große Fe stigkeit aufweisen, wichtig. Durch diese Masse reduzierende Maßnahme können nun auch Werkstoffe mit großer Dichte einge setzt werden, da die Masse des Wärmeübertragers dann nicht mehr allein durch die Dichte des Werkstoffs, sondern auch durch die Dichte des Fluids, das sich in den kleinen Kanälen 11, 12 befindet, bestimmt wird. Insbesondere Werkstoffe mit großer Festigkeit wie Edelstahl oder Kupfer finden Verwen dung.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist der zweite Steg 24 gegenüber dem ersten Steg 22 des Ausführungsbei spiels gemäß Fig. 3 soweit reduziert, dass die durch die Druckdifferenzen in den Stegen hervorgerufenen Spannungen genauso groß sind, dass die zulässigen Spannungen des jewei ligen Werkstoffs nicht überschritten werden. Wiederum sind die Öffnungen der kleinen Kanäle 11 gegenüber den Öffnungen der kleinen Kanäle 12 versetzt zueinander angeordnet. Durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 kann der Wärmeübertra ger noch kompakter ausgeführt werden.

Die Dicke der Wärmeübertragungsbleche 1, 2 könnte sich in der Größenordnung zwischen 600 bis 1000 µm, die Abmessungen der kleinen Kanäle 11, 12 zwischen 400 bis 1400 µm und die Breite der Stege 22, 24 zwischen 350 bis 800 µm bewegen bei einer Druckdifferenz von δp bis 225 bar und Kupfer als Werk stoff. Die Größenverhältnisse können jedoch in geeigneter Weise nach oben oder unten variieren und stellen in jedem Fall keine Einschränkung dar.

Claims

1. Wärmeübertrager mit einem von einem hochdruckseitigen Kältemittelstrom durchströmten ersten Kanal und einem von niederdruckseitigem Kältemittel durchströmten, vom ersten Kanal getrennten zweiten Kanal, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Kanal jeweils eine Vielzahl von in oder auf einzelnen Wärmeübertragungsblechen (1, 2, 3, . . .) gebil deten kleinen Kanälen (11, 12, 13, . . .) aufweisen, und dass mehrere Lagen der Wärmeübertragungsbleche miteinander ver bunden sind.

2. Wärmübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Strömungsführung der kleinen Kanäle so gewählt ist, dass der hochdruckseitige Kältemittelstrom und der niederdruckseitige Kältemittelstrom den Wärmeübertrager im Gegenstromprinzip durchströmen.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsbleche plattenförmig sind.

4. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hochdruckseitige und niederdruckseitige Kältemittel CO₂ ist.

5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser der kleinen Kanäle (11, 12, 13, . . .) so gewählt ist, dass das Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizient und wärme übertragender Fläche auf der Hochdruckseite dem Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Niederdruckseite entspricht.

6. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung der kleinen Kanäle so gewählt ist, dass das Produkt aus Wär meübertragungskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Hochdruckseite dem Produkt aus Wärmeübertragungskoeffi zient und wärmeübertragender Fläche auf der Niederdruckseite entspricht.

7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die kleinen Kanäle im Zickzackmuster in oder auf den Wärmeübertragungsblechen geführt sind.

8. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Wärme übertragungsbleche (1, 2, 3) aus einer Gruppe gewählt ist, die Kupfer und Kupferlegierung, Edelstahl, Aluminium und weitere Werkstoffe umfasst.

9. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen Kanäle mittels eines abtragenden oder aufbauenden Fertigungsprozesses in bzw. auf den Wärmeübertragungsblechen hergestellt sind.

10. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Wärme übertragungsbleche zwischen zwei gegenüberliegenden Deckel platten (8, 9) eingeschlossen sind, von denen die erste Dec kelplatte (8) Eintritts- und Austrittsöffnungen (14, 15, 16, 17) jeweils für hochdruckseitiges und für niederdruckseiti ges Kältemittel aufweist.

11. Verwendung des Wärmeübertragers nach einem der voran gehenden Ansprüche als innerer Wärmeübertrager in einer CO₂- Klimaanlage in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen.

12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärmeübertrager für hohe Drücke des CO₂- Kältemittels bis annähernd 150 bar ausgelegt ist.

13. Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge kennzeichnet, dass der erste Kanal des inneren Wärmeüber tragers in einem ersten Strömungsweg von einem Gaskühler zu einem Verdampfer und der zweite Kanal in einem zweiten Strö mungsweg vom Verdampfer zu einem Verdichter der Fahrzeugkli maanlage von CO₂ durchströmt wird.

14. Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da durch gekennzeichnet, dass im ersten Strömungsweg ein hoher Druck bis annähernd 150 bar und hohe Temperatur und im zwei ten Strömungsweg ein niederer Druck bis annähernd 60 bar und eine niedrigere Temperatur herrschen.

15. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen Kanäle (11) des ersten Wärmeübertragungsblechs (1) versetzt angeordnet sind zu den kleinen Kanälen (12) des zweiten Wärmeübertra gungsblechs (2).