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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für einen
Hochdruckkühlkreislauf,
insbesondere auf einen Hochdruckkühler, im speziellen einen Hochdruckgaskühler, und/oder Hochdruckzuheizer.
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Unter
einem Hochdruckkühlkreislauf
ist im Folgenden ein Kühlkreislauf
zu verstehen, bei welchem ein den Kühlkreislauf durchströmendes Fluid zumindest
abschnittsweise unter einem Betriebsdruck von ungefähr 110 bar
bis 130 bar, insbesondere von ungefähr 125 bar, steht und/oder
welcher Kühlkreislauf
nach geltenden Sicherheitsbestimmungen für Berstdrücke in einem Bereich von 270
bar bis 360 bar ausgelegt sein muss.
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Derartige
Wärmetauscher
in Hochdruckkühlkreisläufen, im
Folgenden kurz als Hochdruckwärmetauscher
bezeichnet, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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10 zeigt
einen Ausschnitt eines solchen, in diesem Fall zweireihigen, Hochdruckwärmetauschers
bzw. zweireihigen Hochdruckgaskühlers
aus dem Stand der Technik.
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Bei
dem zweireihigen Hochdruckwärmetauscher
bzw. Hochdruckgaskühler
im Stand der Technik sind Rohre 1000 in zwei parallelen
Ebenen angeordnet. Die jeweils in einer Ebene angeordneten Rohre
sind ihrerseits ebenfalls parallel zueinander ausgerichtet.
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Die
Rohre 1000 weisen im Stand der Technik eine flachrohrartige
Form auf, die im Querschnitt 1001 eine lange Seite 1002 und
eine gegenüber
dieser langen Seite 1002 wesentlich kürzere Seite 1003 aufweist.
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Das
(Flach-)Rohr 1000 wird in einer Längsrichtung 1004,
von einem Kühlmittel
durchflossen, wozu in dem Flachrohr 1000 in der Regel mehrere Durchflusskanäle 1005 im
wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 1004 bzw.
zu einer Längsachse des
Flachrohrs 1000 vorgesehen sind.
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Das
Kühlmittel
steht zumindest in diesem Abschnitt unter einem Betriebsdruck von
ungefähr 125
bar. Nach geltenden Sicherheitsbestimmungen ist der Hochdruckwärmetauscher
bzw. Hochdruckgaskühler
allerdings für
Berstdrücke
im Bereich von 270 bar bis 360 bar ausgelegt.
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In
Endabschnitten 1009 an beiden Enden 1008 des Flachrohrs 1000 weist
das Flachrohr 1000 gemäß dem Stand
der Technik jeweils eine kontinuierliche Verdrehung bzw. Verdrillung
(Torsion) um seine Längsachse
bis zu 90° auf.
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Beide
solchermaßen
um 90° verdrehten
Enden 1007 des Flachrohrs 1000 im Stand der Technik sind
mit hohlkörperartigen
Sammel- und/oder Verteilungseinrichtungen 1008 flüssigkeits-
und/oder gasdicht verbunden.
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Unter
einem miteinander Verbinden wird ein Verbinden in der Weise verstanden,
dass durch diese Verbindung ein flüssiges und/oder gasförmiges Fluid, wie
beispielsweise das Kühlmittel,
flüssigkeits- und/oder
gasdicht strömen
kann.
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An
einer Verbindungsstelle zwischen einem Ende des Flachrohrs 1000 und
der hohlkörperartigen Sammel-
und/oder Verteilungseinrichtung 1008 verläuft die
lange Seite 1002 des Querschnitts 1001 des Flachrohrs 1000 im
wesentlichen parallel zu einer Längsachse
(Hauptausdehnungsrichtung) der hohlkörperartigen Sammel- und/oder
Verteilungseinrichtung 1008.
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Aufgrund
der Verdrehung der Flachrohrenden 1007 kann eine innere
Abmessung der hohlkörperartigen
Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung 1008, d.h. ein
Innenquerschnitt der hohlkörperartigen Sammel-
und/oder Verteilungseinrichtung 1008, und damit eine Materialdicke
reduziert werden. Dadurch können
die gemäß den Sicherheitsbestimmungen geforderten
Berstdrücke
sowie die herrschenden Betriebsdrücke bei reduzierten Materialdicken
und Materialaufwendungen für
die hohlkörperartigen
Sammel- und/oder
Verteilungseinrichtung 1008 erzielt werden.
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Allerdings
reduziert die Verdrehung der Flachrohrenden 1007 in nachteiliger
Weise eine zu einem Wärmeaustausch,
insbesondere eine zu einer Kühlung,
nutzbare Oberfläche
des Flachrohrs 1000 und damit eine zur Kühlung nutzbare
Stirnfläche
des Hochdruckwärmetauschers.
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Darüber hinaus
schränkt
die Verdrehung der Flachrohrenden 1007 in nachteiliger
Weise eine freie Wahl eines Abstands 1010 bei der parallelen
Beabstandung 1010 der Flachrohre 1000 zueinander
ein. Eine Wellrippenhöhe
bei dem Wärmetauscher
bzw. Gaskühler
ist dadurch in einer Mindesthöhe
begrenzt.
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Auch
wird durch die Verdrehung der Flachrohrenden 1007 in nachteiliger
Weise eine Querteilung einer Wärmetauschermatrix
des Gaskühlers
beschränkt.
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Auch
erhöht
die Verdrehung der Flachrohrenden 1007 für eine Herstellung
der Flachrohre aufzuwendende Herstellkosten.
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Entsprechendes
bzw. entsprechend Nachteiliges gilt im Speziellen auch für aus dem
Stand der Technik bekannte Hochdruckzuheizer wie auch für aus dem
Stand der Technik bekannte Hochdruckwärmetauscher im Allgemeinen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen gegenüber dem
Stand der Technik in der Herstellung kostengünstigeren und in seiner Geometrie
auch bei geringen Materialdicken weniger eingeschränkten Hochdruckwärmetauscher zu
schaffen.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch
die Vorrichtung zum Austausch von Wärme sowie durch das Verfahren
zur Herstellung einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme mit
den Merkmalen gemäß dem jeweiligen
unabhängigen
Patentanspruch gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Austausch von Wärme
weist auf wenigstens eine Durchflusseinrichtung und wenigstens eine
mit der wenigstens einen Durchflusseinrichtung an einer Anschlussstelle
verbundene Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung.
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Unter
einem miteinander Verbinden wird ein Verbinden in der Weise verstanden,
dass durch diese Verbindung ein flüssiges und/oder gasförmiges Fluid, wie
beispielsweise ein Kühlmittel,
insbesondere Kohlendioxid, flüssigkeits-
und/oder gasdicht unter Hochdruck, beispielsweise einem Betriebsdruck
von ungefähr
110 bar bis 130 bar, insbesondere von ungefähr 125 bar, strömen kann.
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Die
erfindungsgemäße Durchflusseinrichtung
weist eine vorgegebene Länge
(Durchflusseinrichtungslänge)
sowie einen flachrohrartigen Querschnitt auf.
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Unter
einem flachrohrartigen Querschnitt (Flachrohr) wird im Rahmen der
Erfindung eine Querschnittsform verstanden, welche eine lange Seite (Tiefe)
und eine gegenüber
dieser langen Seite wesentlich kürzere
Seite (Höhe)
aufweist.
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Die
Durchflusseinrichtung und die Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung
sind von einem unter einem Hochdruck, beispielsweise einem Betriebsdruck
von ungefähr
110 bar bis 130 bar, insbesondere von ungefähr 125 bar, stehenden Fluid
durchströmbar.
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Die
erfindungsgemäße Durchflusseinrichtung
weist einen über
die gesamte Durchflusseinrichtungslänge, entlag einer Längsachse
der Durchflusseinrichtung geraden Verlauf auf.
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Dabei
wird unter einem entlang der Längsachse
geraden Verlauf ein Verlauf verstanden, bei dem die Durchflusseinrichtung
bzw. der flachrohrartige Querschnitt der Durchflusseinrichtung weder
um die Längsachse
verdreht bzw. verdrillt oder tordiert ist noch die Längsachse
selbst einen gebogenen oder verkrümmten Verlauf aufweist.
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Die
lange Seite des flachrohrartigen Querschnitts der Durchflusseinrichtung,
im Folgenden auch als (Durchflusseinrichtungs-)Tiefe bezeichnet, weist
eine Länge
von ungefähr
5 mm bis 6,1 mm, insbesondere von 5 mm bis 5,9 mm, auf.
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An
der Anschlussstelle weist die lange Seite des flachrohrartigen Querschnitts
der Durchflusseinrichtung einen in Bezug auf eine Hauptausdehnungsrichtung
der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung Winkel von ungefähr 90° auf.
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Der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Wärmeaustausch
bzw. der erfindungsgemäßen Durchflusseinrichtung
liegt die nicht triviale Erkenntnis zugrunde, dass bei Querschnittstiefen
der Durchflusseinrichtung von ungefähr 5 mm bis 6,1 mm, insbesondere
von 5 mm bis 5,9 mm, auf Querschnittsverdrehungen an Enden der Durchflusseinrichtung verzichtet
werden kann.
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Wird
die nun gerade Durchflusseinrichtung derart mit einer Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung
verbunden, dass die lange Seite des flachrohrartigen Querschnitts
der Durchflusseinrichtung einen in Bezug auf die Hauptausdehnungsrichtung der
Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung Winkel von ungefähr 90° aufweist,
können
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch bei reduzierten Materialdicken Berstdrücke oberhalb der geforderten 270
bar erreicht bzw. erzielt und/oder kann diese auch bei reduzierten
Materialdicken in einem Hochdruckbereich betrieben werden.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Austausch von
Wärme wird
an einer Anschlussstelle zwischen mindestens einer Durchflusseinrichtung
und mindestens einer Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung eine
Verbindung hergestellt wird, welche Verbindung einer Gruppe entnommen
wird, welche Löt-,
Schweiß-
oder Klebeverbindungen enthält.
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Bevorzugt
wird die mindestens eine Durchflusseinrichtung in die mindestens
eine Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung gesteckt und/oder verlötet.
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Unter
einer Verbindung wird ein Verbinden in der Weise verstanden, dass
durch diese Verbindung ein flüssiges
und/oder gasförmiges
Fluid, wie beispielsweise ein Kühlmittel,
flüssigkeits-
und/oder gasdicht unter Hochdruck, wie einem Betriebsdruck von ungefähr 125 bar,
strömen
kann.
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Die
Durchflusseinrichtung sowie die Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung
weisen die im obigen genannten Spezifiktionen auf.
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Gerade
durch den bei der Erfindung möglichen
Entfall der Querschnittsverdrehung der Durchflusseinrichtung; im
Folgenden kurz als Rohrverdrehung oder Flachrohrverdrehung bezeichnet,
im Hochdruckbereich weisen diese sowie die Ausführungsformen und Weiterbildungen
von dieser Vorteile auf.
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So
kann durch die erfindungsgemäße, gerade
Durchflusseinrichtung eine größere berippte,
für einen
Wärmeaustausch
relevante Stirnfläche
realisiert werden als bei einer vergleichbaren, verdrehten Durchflusseinrichtung.
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Auch
muss bei einer parallelen Anordnung von mehreren erfindungsgemäßen Durchflusseinrichtungen,
insbesondere (Flach-)Rohren, in einer Ebene kein Mindestabstand
zwischen jeweils zwei von den Durchflusseinrichtungen eingehalten
werden. Wellrippen zwischen benachbarten Durchflusseinrichtungen
mit geringeren Gesamthöhen
sind damit realisierbar.
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Ferner
sind die für
die Herstellung aufzuwendenden Kosten bei den erfindungsgemäßen Durchflusseinrichtungen
geringer als bei vergleichbaren, verdrehten Durchflusseinrichtungen.
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Ebenso
ergibt sich durch die Erfindung ein geringerer Materialeinsatz und
demzufolge geringere Materialkosten im Vergleich zu herkömmlichen
mehrreihigen Wärmetauschern.
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Auch
eine Handhabung der geraden Durchflusseinrichtungen bei einer Herstellung
von Hochdruckwärmetauschern,
insbesondere Hochdruckkühlern
und/oder Hochdruckzuheizern, und dort im Speziellen bei einer Rohrzuführung bei
einem Kassetieren ist vereinfacht.
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Darüber hinaus
sind geometrisch einfachere Sammel- und/oder Verteilungseinrichtungen,
welche an den unverdrehten Enden der Durchflusseinrichtungen mit
diesen verbunden sind, realisierbar.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Durchflusseinrichtung, beispielsweise ein Flachrohr, eine
Höhe bzw.
Querschnittshöhe
von ungefähr 1
mm bis 2 mm und/oder eine Länge
von ungefähr 200
mm bis 800 mm auf. Unter der Höhe
ist dabei die oben bezeichnete, gegenüber der langen Seite, d.h. der
Tiefe, wesentlich kürzere
Seite des flachrohrartigen Querschnitts zu verstehen. Eine Innendurchlaßhöhe eines
Kanals innerhalb des Flachrohrs liegt dabei bevorzugt zwischen 0,4
mm und 1 mm.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Durchflusseinrichtung mindestens einen inneren Strömungskanal
im wesentlichen parallel zu der Längsachse der Durchflusseinrichtung,
bevorzugt mehrere innere Strömungskanäle im wesentlichen
parallel zu der Längsachse,
auf.
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Im
Querschnitt kann der mindestens eine Strömungskanal eine Form aufweisen,
welche im wesentlichen kreis- oder ellipsenförmig, polygonartig oder rechteckig
ist, oder Mischformen hieraus aufweist, beispielsweise rechteckig
mit mehr oder wenig stark abgerundeten Ecken.
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Der
mindestens eine Strömungskanal
wird von wenigstem einem strömungsfähigen Medium (Fluid),
wie einem Kühlmittel,
wenigstens abschnittsweise unter einem Betriebsdruck von ungefähr 125 bar
durchströmt.
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Unter
strömungsfähigen Medien
beziehungsweise Fluiden werden im Rahmen der Erfindung flüssige und/oder
gasförmige
Medien beliebiger Viskosität
verstanden, wie insbesondere, aber nicht ausschließlich Öle, Flüssigkeiten,
insbesondere hoher Verdampfungswärme,
Wasser, Luft oder Gase, beispielweise Kohlendioxid, sowie Kältemittel,
die verdampfen oder kondensieren können. Die strömungsfähigen Medien
können
dabei auch Zusätze beispielsweise
zur Korrosionshemmung enthalten.
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An
der Anschlussstelle kann seitens der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung
eine Ausnehmung für
einen Anschluss der Durchflusseinrichtung vorgesehen werden. Ein
Querschnitt der Ausnehmung ist dabei dem flachrohrartigen Querschnitt der
Durchflusseinrichtung angepasst. Daneben kann die Ausnehmung zusätzliche
Ausformungen aufweisen, welche beispielsweise als Einführschräge für Flachrohre
dienen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung einen rohrförmigen Querschnitt
auf. Vorzugsweise ist ein Innendurchmesser des rohrförmigen Querschnitts
der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung ungefähr gleich
der (Querschnitts-)Tiefe der Durchflusseinrichtung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist insbesondere geeignet für
einen Hochdruckwärmetauscher,
insbesondere einem Hochdruckkühler,
im Speziellen einem Hochdruckgaskühler, und/oder einem Hochdruckzuheizer.
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Eine
solcher Wärmetauscher
weist mehrere, in der Regel eine Vielzahl, erfindungsgemäße Durchflusseinrichtungen,
wie Flachrohre, auf, welche in mindestens einer Ebene, im wesentlichen
parallel zueinander in einem vorgebbaren Abstand angeordnet sind.
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Zwischen
jeweils zwei benachbarten Durchflusseinrichtungen einer Ebene können Rippen
bzw. Wellrippen, vorzugsweise in Reihe, angeordnet sein. Eine Wellrippenhöhe kann
ungefähr
2 mm bis 8 mm betragen. Auch können
die Wellrippen einer Ebene separate Wellrippen sein.
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Alternativ
kann eine über
mehrere Ebenen durchgehende Wellrippe vorgesehen werden.
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Bei
dem Wärmetauscher
sind weiter die mehreren Durchflusseinrichtungen jeweils mindestens
an einem Ende an einer Anschlussstelle mit einer Sammel- und/oder
Verteilungseinrichtung im wesentlichen gas- und/oder flüssigkeitsdicht
verbunden.
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Bevorzugt
sind die mehreren Durchflusseinrichtungen in zwei Ebenen angeordnet,
wobei jeweils die Enden der Durchflusseinrichtungen in einer Ebene
mit einer Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung verbunden sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können die
Durchflusseinrichtungen zweier benachbarter Ebenen auch versetzt
zueinander sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform,
einem Kühler
und/oder einem Zuheizer gemäß obigem
Wärmetauscher,
sind die Rippen jeweils zwischen zwei benachbarten Durchflusseinrichtungen, beispielsweise
zwischen benachbarten Flachrohren angeordnet. Ein Kühlmittel
unter Hochdruck durchströmt
die mehreren Flachrohre, wobei ein Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel
und einer die mehreren Flachrohre umgebenen Luft gefördert wird.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform, eine
Vorrichtung zum Klimatisieren einer in einen Fahrzeuginnenraum eines
Kraftfahrzeugs geleiteten Luft, weist auf wenigstens einen Verdichter,
einen Zuheizer und/oder Verdampfer gemäß obiger bevorzugter Ausführungsform,
ein Expansionsventil und einen Kühler
gemäß obiger
Ausführungsform.
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Der
Verdichter und das Expansionsventil sind aus dem Stand der Technik
bekannt. Weiter ist bekannt, dass in Hochdruckkühlkreisläufen das Kühlmittel zumindest in einem
Abschnitt des Kühlkreislaufes,
welcher sich von einem Ausgang des Verdichters über den Hochdruckwärmetauscher
zu dem Expansionsventil erstreckt, unter Hochdruck steht.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen.
Darin zeigen:
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1 eine
Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austausch
von Wärme, eines
Wärmetauschers
eines Gaskühlers;
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2 eine
Darstellung, welche einen Zusammenhang zwischen geometrischen Abmessungen
von Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austausch
von Wärme,
eines Wärmetauschers
eines Gaskühlers,
zeigt;
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3 eine
graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Blocktiefe
eines zweireihigen Gaskühlers
mit erfindungsgemäßen Flachrohren
und einer Flachrohrtiefe eines erfindungsgemäßen Rohres für zwei Berstdrücke;
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4 eine
graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Flachrohrtiefe
eines erfindungsgemäßen Rohres
und einer Blocktiefe eines zweireihigen Gaskühlers mit erfindungsgemäßen Flachrohren
für zwei
Berstdrücke;
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5 eine
graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Luftanströmgeschwindigkeit
und einer Gaskühlerleistung
für einen Gaskühler mit
erfindungsgemäßen Flachrohren
und für
einen vergleichbaren Gaskühler
mit verdrehten Flachrohren gemäß einer
ersten Gaskühlermatrix;
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6 eine
graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Luftanströmgeschwindigkeit
und einer Gaskühlerleistung
für einen Gaskühler mit
erfindungsgemäßen Flachrohren
und für
einen vergleichbaren Gaskühler
mit verdrehten Flachrohren gemäß einer
zweiten Gaskühlermatrix;
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7 eine
graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Flachrohrbreite
und einem Gewicht einer Gaskühlermatrix
für verschiedenen
Gaskühlermatrizen;
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8 eine
graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Luftanströmgeschwindigkeit
und einer gewichtsbezogenen Gaskühlerleistung
für einen
Gaskühler
mit erfindungsgemäßen Flachrohren
und für
einen vergleichbaren Gaskühler
mit verdrehten Flachrohren gemäß einer ersten
Gaskühlermatrix;
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9 eine
graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Luftanströmgeschwindigkeit
und einer gewichtsbezogenen Gaskühlerleistung
für einen
Gaskühler
mit erfindungsgemäßen Flachrohren
und für
einen vergleichbaren Gaskühler
mit verdrehten Flachrohren gemäß einer zweiten
Gaskühlermatrix;
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10 eine
Teildarstellung eines herkömmlichen
Wärmetauschers
eines Gaskühlers
mit mehreren herkömmlichen
verdrehten Flachrohren gemäß dem Stand
der Technik.
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1 zeigt
einen Ausschnitt eines zweireihigen Hochdruckgaskühlers, kurz
Gaskühler, 110.
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Der
ausführungsgemäße zweireihige
Gaskühler 110 weist
eine Rohrverschaltung von 29/31–31/29
sowie eine Gesamtabmessung einer Wärmetauschermatrix von ungefähr B × H = 462,0 × 660 mm2
auf. Eine Blocktiefe des zweireihigen Gaskühlers 110 beträgt ungefähr 16 mm.
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In 1 bezieht
sich das Bezugszeichen 100 jeweils auf ein erfindungsgemäßes (Flach-)Rohr des
zweireihigen Gaskühler 110.
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Das
Flachrohr 100 weist eine Rohrlänge von ungefähr 670 mm
sowie einen flachrohrartigen Querschnitt 101 mit einer
langen Seite, einer Flachrohrtiefe, von 5,8 mm und einer gegenüber dieser
langen Seite wesentlich kürzeren
Seite, einer Flachrohrbreite, von 1,5 mm auf.
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Ferner
weist das Flachrohr 100 einen über die gesamte Rohrlänge, entlag
einer Rohrlängsachse
geraden Rohrverlauf auf.
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Bei
dem ausführungsgemäßen, zweireihigen Gaskühler sind
die Rohre 100 in zwei zueinander parallelen Ebenen 102, 103 angeordnet.
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Innerhalb
jeder Ebene 102, 103 sind die Flachrohre 100 in
einem Abstand von ungefähr
2 mm bis 10 mm, bevorzugt zwischen 4 mm und 8 mm und im besonderen
von ca. 6 mm ebenfalls parallel zueinander angeordnet.
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Zwischen
jeweils zwei parallel in einer Ebene 102, 103 benachbart
angeordneten Flachrohren 100 sind entlang der Rohrlänge bzw.
in Längsrichtung 104 der
Rohre 100 Wellrippen 106 mit jeweils einer Wellrippenhöhe von ungefähr 6 mm
angeordnet.
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Der
ausführungsgemäße zweireihige
Gaskühler 110 weist
insgesamt eine Rippendichte von 75 Rippen/dm auf. Ein Vorzugsbereich
für die
Rippendichte ist von 65 bis 85 Rippen/dm.
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Die
Flachrohre 100 werden in der Längsrichtung 104 von
einem Kühlmittel
unter Hochdruck durchflossen, wozu in dem Flachrohr 100 mehrere Durchflusskanäle 105 im
wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 104 bzw.
der Längsachse
des Flachrohrs 100 vorgesehen sind.
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Ein
Paar von Sammeltanks 120, aufweisend zwei Sammelrohre 123, 124,
ist mit jedem Flachrohrende 121 an einer dafür vorgesehenen
Anschlussstelle verbunden, um sich in einer Richtung, einer Hauptausdehnungsrichtung,
senkrecht zur Längsrichtung 104 jedes
Rohres 100 zu erstrecken. Auch diese werden vom Kühlmittel
unter Hochdruck durchströmt.
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Demzufolge
weist der flachrohrartige Querschnitt 101 bzw. die lange
Seite des flachrohrartigen Querschnitts 101 des Rohres 100 an
der jeweiligen Anschlussstelle einen in Bezug auf die Hauptausdehnungsrichtung
der Sammeltanks 120 einen vorgegebenen Winkel von ungefähr 90° auf.
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An
der Anschlussstelle ist seitens der Sammeltanks 120 eine
Ausnehmung für
den Anschluss des Flachrohres 100 vorgesehen. Ein Querschnitt der
Ausnehmung ist dabei dem Querschnitt 101 des Flachrohres 100 angepasst.
Daneben weist die Ausnehmung eine zusätzliche Ausformung, eine Einführschräge für die Flachrohre 100,
auf.
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Unter
einem miteinander Verbinden wird ein Verbinden in der Weise verstanden,
dass durch diese Verbindung ein flüssiges und/oder gasförmiges Fluid, wie
in diesem Fall das Kühlmittel,
flüssigkeits- und/oder
gasdicht strömen
kann.
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Entsprechende
Verfahren zur Herstellung einer solchen dichten Verbindung, wie
Löten,
Schweißen
und/oder Kleben oder Kombinationen hieraus, sind aus dem Stand der
Technik bekannt.
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Die
Sammeltanks 120 bzw. die Sammelrohre 123, 1124 weisen
jeweils einen rohrförmigen
Querschnitt 122 auf, wobei ein Innendurchmesser 200 des rohrförmigen Querschnitts 122 ungefähr gleich
ist der Rohrtiefe des Flachrohres 100. Eine Sammelrohrwandstärke 201 ist
abhängig
von einem geforderten Berstdruck.
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2 zeigt
geometrische Zusammenhänge zur
Bestimmung der Blocktiefe.
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Die
Blocktiefe T(Ges) bestimmt sich nach: T(Ges)
= 2·T(FI)
+ 2 × d(Wand,
Sammelrohr) + b(Spalt),wobei mit T(FI) die Flachrohrtiefe,
mit d(Wand, Sammelrohr) eine Wandstärke eines Sammelrohrs und mit
d(Spalt) ein Spalt zwischen den zwei Sammelrohren bezeichnet wird.
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3 zeigt
eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer
Blocktiefe eines zweireihigen Gaskühlers mit erfindungsgemäßen Flachrohren
und einer Flachrohrtiefe eines erfindungsgemäßen Flachrohres für zwei Berstdrücke, nämlich 270
bar und 360 bar.
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Dem
dargestellten graphischen Zusammenhang liegt weiter zugrunde, dass
b(Spalt)= 0,8 mm beträgt
und sich d(Wand, Sammelrohr) nach d(Wand, Sammelrohr)
= 0,1·P(Berst)·T(FI)/(2·s)bestimmt,
wobei P(Berst) den Berstdruck und s eine Streckgrenze eines Sammelrohrwerkstoffes
bezeichnet. s wird vorliegend mit 50N/mm2 (AA 3003 mod) angenommen.
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3 ist
zu entnehmen, dass für
eine Blocktiefe von 16 mm und einem Berstdruck von 270 bar die maximale
Flachrohrtiefe T(FI) = 5,9 mm betragen darf. Bei einem Berstdruck
von 360 bar beträgt
die maximale Flachrohrtiefe T(FI) = 5,5 mm.
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Somit
ist die Flachrohrtiefe T(FI) < 6
mm bei geraden Flachrohren bei zweireihigen Hochdruckgaskühlern mit
einer Blocktiefe von 16 mm ausreichend für einen Berstdruck von 270
bar.
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Weiterhin
ist hier zu berücksichtigen,
dass mit abnehmenden Flachrohrtiefen T(FL) sich eine Kontaktfläche zwischen
einer Wellrippe und dem Flachrohr bei konstanter Blocktiefe verringert.
Aus diesem Grund sollte bei einer Blocktiefe von 16 mm die einzelne
Flachrohrtiefe auch nicht kleiner als un gefähr 5 mm sein. Entsprechendes
ist auch für
andere Gesamtblocktiefen zu berücksichtigen.
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Weiter
ist 3 zu entnehmen, dass bei einer Blocktiefe von
14 mm bei zweireihigen Gaskühlern
die Flachrohrtiefe T(FI) < 5,20
mm bei geraden Flachrohren für
einen Berstdruck von 270 bar ausreichend ist.
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4 zeigt
eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer
Flachrohrtiefe eines erfindungsgemäßen Rohres und einer Blocktiefe
eines zweireihigen Gaskühlers
mit erfindungsgemäßen Flachrohren
für zwei
Berstdrücke,
nämlich 270
bar und 360 bar.
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4 ist
beispielweise zu entnehmen, dass bei einem Berstdruck von 270 bar
(360 bar) und einer Blocktiefe von 15 mm eine Flachrohrtiefe von
ungefähr
5,2 mm (5,6 mm) bei geraden Flachrohren ausreichend ist.
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5 und 6 zeigen
eine Gaskühlerleistung über einer
Luftanströmgeschwindigkeit
bei vorgegebenen Randbedingungen.
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In 5 werden
2 zweireihige Hochdruckgaskühler
mit einer Rippendichte von 75 Rippen/dm, einer Rippenhöhe von 6
mm, einer Blocktiefe von 16 mm und gleicher Rohrverschaltung 29/31–31/29 miteinander
verglichen.
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Gaskühler 1 weist
herkömmliche
Flachrohre mit verdrehten Flachrohrenden und mit einer Flachrohrtiefe
von 7 mm auf. Die Abmessungen der Wärmetauschermatrix dieses Gaskühlers 1
betragen B × H
= 462,0 × 650,0
mm2 bei einer Stirnfläche
F(St) = 30,0 dm2.
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Gaskühler 2 weist
die erfindungsgemäßen Flachrohre
mit geradem Rohrverlauf und mit einer Flachrohrtiefe von 5,8 mm
auf. Die Abmessungen der Wärmetauschermatrix
des Gaskühlers
2 betragen B × N
= 462,0 × 664,0
mm2 bei einer Stirnfläche
von 30,7 dm2.
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Durch
die größere Stirnfläche des
Gaskühlers
2 kann der Nachteil der geringeren Flachrohrtiefe und somit verkleinerten
Kontaktfläche
zwischen Wellrippe und Flachrohr in etwa egalisiert werden. Der Gaskühler 2 weist
bei ei nem gleichen Massenstrom einen höheren kältemittelseitigen Druckabfall
auf.
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In 6 werden
2 zweireihige Hochdruckgaskühler
mit einer Rippendichte von 75 Rippen/dm, einer Rippenhöhe von 4,5
mm, einer Blocktiefe von 16 mm und gleicher Rohrverschaltung 37/40–40/37 miteinander
verglichen.
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Gaskühler 1 weist
herkömmliche
Flachrohre mit verdrehten Flachrohrenden und mit einer Flachrohrtiefe
von 7mm auf. Die Abmessungen der Wärmetauschermatrix dieses Gaskühlers 1
betragen B × N
= 458,8 × 650,0
mm2 bei einer Stirnfläche
F(St) = 29,8 dm2.
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Gaskühler 2 weist
die erfndungsgemäßen Flachrohre
mit geradem Rohrverlauf und mit einer Flachrohrtiefe von 5,8 mm
auf. Die Abmessungen der Wärmetauschermatrix
des Gaskühlers
2 betragen B × H
= 458,0 × 664,0
mm2 bei einer Stirnfläche
von 30,5 dm2.
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Durch
die größere Stirnfläche des
Gaskühlers
2 kann der Nachteil der geringeren Flachrohrtiefe und somit verkleinerten
Kontaktfläche
zwischen Wellrippe und Flachrohr in etwa egalisiert werden. Der Gaskühler 2 weist
bei einem gleichen Massenstrom einen höheren kältemittelseitigen Druckabfall
auf.
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7 zeigt
eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer
Flachrohrbreite und einem Gewicht einer Gaskühlermatrix für verschiedene
Gaskühlermatrizen.
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Dargestellt
sind in 7 die Zusammenhänge für ein erfindungsgemäßes Flachrohr
mit einer Flachrohrtiefe von T(FI) < 6 mm sowie für ein herkömmliches Flachrohr mit größerer Flachrohrtiefe, nämlich T(FI)
= 7 mm.
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Die
Zusammenhänge
sind dargestellt jeweils für
die Flachrohrbreiten von 1,4 mm und 1,6 mm und zwei Wellrippenhöhen von
4,5 mm und 6 mm bei einer Rippendichte von 75 Rippen/dm. Eine Wellrippendicke
beträgt
0,1 mm.
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7 kann
ein deutlich geringeres Gewicht bei Gaskühlern mit einer erfindungsgemäßen Flachrohrtiefe
T(FI) < 6 mm entnommen
werden.
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8 und 9 zeigen
eine gewichtsbezogene Gaskühlerleistung,
welche sich durch Division der Gaskühlerleistung durch das Gewicht
der Wärmetauschermatrix
ergibt, über
der Luftanströmgeschwindigkeit
bei vorgegebenen Randbedingungen.
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Die
dargestellte Gaskühlerleistung
bezieht sich auf die bereits in 5 und 6 behandelten Gaskühler.
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8 und 9 ist
zu entnehmen, dass die gewichtsbezogene Gaskühlerleistung für die beiden Gaskühler mit
den erfindungsgemäßen Flachrohren mit
einer Flachrohrtiefe T(FI) < 6,1
mm deutlich größer ist
im Vergleich zu den beiden Gaskühlern
mit herkömmlichen
Flachrohren mit einer Flachrohrtiefe von 7 mm.
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Die
vorliegende Erfindung kann insbesondere auf Kühler oder Zuheizer eines Hochdruckkühlkreislaufs
angewendet werden. Eine Ausgestaltung der jeweiligen Wärmetauschermatrix
ist nicht auf im obigen beschriebene Geometrien beschränkt. Sie kann
im Rahmen der erfinderischen Flachrohrgeometrie und der Berstdruckanforderungen
beliebig gewählt
werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen vollständig erläutert wurde,
erschließen
sich dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen, die
sämtlich
im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen, die in den anliegenden
Ansprüchen
festgelegt ist.