DE102004024825B4

DE102004024825B4 - Wärmetauschrohr mit mehreren Fluidpfaden

Info

Publication number: DE102004024825B4
Application number: DE102004024825.7A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Kawakubo; Etsuo Hasegawa; Yoshiki Katoh; Ken Muto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: JP3821113B2; JP2004347267A; US20040251013A1; DE102004024825A1; US7849915B2

Abstract

Wärmetauschrohr flacher Form für einen hochdruckseitigen Wärmetauscher in einem Dampf-Verdichtungskältekreis mit CO2-Kältemittel, aufweisend: mehrere Fluidpfade (2), die einen perfekten kreisförmigen Querschnitt aufweisen und sich in Längsrichtung des Rohrs erstrecken, wobei jeder Fluidpfad (2) parallel zum anderen verläuft, wobei das Rohr bestimmte Abmessungen derart aufweist, dass eine Distanz (Wt) zwischen zwei benachbarten Fluidpfaden (2) als Wt festgelegt ist, und eine Umfangsdicke (Ht) zwischen einer Oberfläche des Rohrs und einem am weitesten außen liegenden Fluidpfad (2) mit Ht festgelegt ist, wobei die Distanz (Wt) und die Umfangsdicke (Ht) in folgender Beziehung stehen: 0,63 ≤ Ht/Wt ≤ 0,77, wobei der Fluidpfad (2) einen Durchmesser (Dp) aufweist, der als Dp festgelegt ist, wobei das Rohr aus einem Material mit einer Zugfestigkeit (S) hergestellt ist, die als S festgelegt ist, und wobei die Beziehung zwischen der Distanz (Wt), der Zugfestigkeit (S) und dem Durchmesser (Dp) definiert ist als: (0,73 – 0,0036 × S) × Dp ≤ Wt ≤ (1,69 – 0,0084 × S) × Dp,wobei das Wärmetauschrohr lediglich die Fluidpfade (2) aufweist, so dass in den Fluidpfaden (2) Fluid strömt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmetauschrohr mit mehreren Fluidpfaden. Das Wärmetauschrohr eignet sich für einen Wärmetauscher in einem Dampf-Verdichtungskältekreis.
Ein Wärmetauscher kommt für einen Dampf-Verdichtungskältekreis in Betracht. Insbesondere wird der Wärmetauscher für eine Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug genutzt. In der Klimaanlage arbeitet der Wärmetauscher als Verflüssiger. Wie in 8 und 9 gezeigt, kommt ein Mehrstrom-Wärmetauscher 10 in der Klimaanlage zum Einsatz. Der Wärmetauscher 10 umfasst ein Paar von Sammlern 3 (Verteiler, im folgenden Sammler genannt), mehrere Wärmetauschrohre 1, eine Rippe 4 und eine Seitenplatte 5. Die Sammler 3 sind entlang einer Vertikalrichtung des Wärmetauschers 10 angeordnet. Die Wärmetauschrohre 1 sind parallel zwischen den Sammlern 3 angeordnet. Beide Enden von jedem Wärmetauschrohr 1 sind mit den Sammlern 3 verbunden. Die Rippe 4 ist zwischen den Wärmetauschrohren 1 angeordnet. Die Rippe 4 ist außerdem außerhalb des am weitesten außen liegenden Wärmetauschrohrs 1 angeordnet. Die Seitenplatte 5 ist außerhalb der am weitesten außen liegenden Rippe 4 angeordnet.
Ein Trennelement 6 ist in dem Sammler 3 so angeordnet, dass die Wärmetauschrohre 1 in mehrere Teile P1–P3 unterteilt sind. Kältemittel wird in den Wärmetauscher 10 von einem Einlass 7 des Sammlers 3 zugeführt, der auf der Oberseite des Sammlers 3 angeordnet ist. Das Kältemittel strömt daraufhin durch die Teile P1–P3. Während das Kältemittel durch die Teile P1–P3 strömt, wird Wärme zwischen dem Kältemittel in den Wärmetauschrohren 1 und der Außenluft außerhalb des Wärmetauschers 10 derart getauscht, dass das Kältemittel kondensiert und verflüssigt wird. Daraufhin strömt das verflüssigte Kältemittel aus dem Wärmetauscher 10 heraus aus einem Auslass 8 des Sammlers 3, der unter dem Sammler 3 zu liegen kommt. Das Wärmetauschrohr 1 des Wärmetauschers 10 ist beispielsweise aus Aluminium hergestellt. Das Wärmetauschrohr 1 wird durch ein Extrusionsverfahren gebildet und in eine flache Form überführt. Das Wärmetauschrohr 1 umfasst mehrere Fluidpfade. Jeder Fluidpfad erstreckt sich in Längsrichtung und ist in Querrichtung parallel angeordnet, wie in 9 gezeigt.
Das Kältemittel in der Klimaanlage liegt üblicherweise zum Beispiel als Fluorchlorkohlenwasserstoff (d. h. FCKW) oder als Fluorkohlenwasserstoff (d. h. FKW) vor. Es existieren bereits Bestimmungen, die Verwendung von FCKW im Jahr 2020 zu untersagen. Dies ist deshalb der Fall, weil FCKW eines der Materialien ist, das die Ozonschicht zerstört. Das FKW-Kältemittel ist eines von zum Treibhauseffekt beitragenden Gasen. Der Austrag von FKW in die Atmosphäre ist außerdem strikt beschränkt. Zu Fluorchlorkohlenwasserstoffmaterialien, wie etwa FCKW und FKW alternative Materialien müssen noch entwickelt werden. Insbesondere muss eine neue Technik unter Verwendung der alternativen Materialien entwickelt werden.
Vor kurzem ist Kohlendioxid (d. h. CO₂) als eines von alternativen Materialien in Betracht gezogen worden. CO₂-Kältemittel kommt insbesondere in einem Dampf-Verdichtungskältekreis zum Einsatz. Beim CO₂-Gas handelt es sich um eines von in der Natur vorkommenden natürlichen Gasen. Das CO₂-Gas beeinträchtigt deshalb nicht die globale Umwelt im Vergleich zu Fluorchlorkohlenwasserstoff.
Wenn CO₂-Kältemittel jedoch als Kältemittel im dem Dampf-Verdichtungskältekreis zum Einsatz kommt, wird das CO₂-Kältemittel üblicherweise unter vergleichsweise hohem Druck verwendet. Dies ist deshalb der Fall, weil der Kältekreis ein superkritischer Kältekreis ist aufgrund spezifischer thermodynamischer Eigenschaften des CO₂-Gases. Beispielsweise wird der Druck des CO₂-Kältemittels im regulären Einsatz auf der Hochdruckseite des Kältekreises höher als 10 MPa. Der Druck des Fluorchlorkohlenwasserstoffkältemittels ist im regulären Einsatz relativ niedrig. Der Druck des Fluorchlorkohlenwasserstoffkältemittels beträgt beispielsweise 3 MPa bzw. 4 MPa. Im Fall, dass das CO₂-Kältemittel als Kältemittel im Kältekreislauf zum Einsatz kommt, ist es deshalb notwendig, eine hohe mechanische Festigkeit des Wärmetauschrohrs sicherzustellen. Insbesondere muss das Wärmetauschrohr einem Druck widerstehen, der drei Mal oder noch höher ist als der Druck im regulären Einsatz auf der Hochdruckseite. D. h., das Wärmetauschrohr muss einem Druck von etwa 30 MPa bzw. 40 MPa widerstehen.
Ein Wärmetauschrohr mit hoher Druckbeständigkeit ist beispielsweise im japanischen Patent JP 3313086 B2 (d. h. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP 2000-356488 A ) offenbart. Der Fluidpfad des Wärmetauschrohrs besitzt in diesem Fall rechteckigen Querschnitt mit verrundeter Ecke bzw. verrundeten Ecken. Die Dicke einer Seitenwand des Wärmetauschrohrs ist deshalb dicker.
Es ist jedoch bevorzugt, dass der Fluidpfad perfekten kreisförmigen Querschnitt im Hinblick auf die Druckbeständigkeit des Wärmetauschrohrs besitzt. Ferner ist es schwierig, die Druckbeständigkeit ausschließlich auf Grundlage des Verhältnisses zwischen der Dicke des Wärmetauschrohrs und der Breite des Fluidpfads festzulegen. Dies ist deshalb der Fall, weil das Wärmetauschrohr aus verschiedenen Materialien hoher Festigkeit hergestellt sein kann. Jedes Material besitzt unterschiedliche mechanische Festigkeit. Die Druckbeständigkeit des Wärmetauschrohrs ist deshalb schwer abzuschätzen. Die DE 199 06 289 A1 beschreibt einen Wärmetauscher mit mehreren flachen Rohren, durch welche Kühlmittel strömt, und ein Paar von Verteilerkanälen, die auf den Längsenden der flachen Rohre angeordnet sind. Dabei sind neben den Fluidpfaden eine Reihe von nicht mit Fluid durchströmten Durchlässen vorgesehen, die gezielt andere Querschnittsform aufweisen, um einen gewissen Gewichtsgewinn zu realisieren. Die US 2002/0 070 012 A1 beschreibt ein Flachrohr zur Verwendung in Wärmetauschern.
Angesichts des vorstehend angesprochenen Problems besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Wärmetauschrohr mit mehreren Fluidpfaden zu schaffen, die perfekten kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei das Rohr außerdem hohe Druckbeständigkeit besitzt.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 10 gelöst.
Ein Wärmetauschrohr flacher Form umfasst (erfindungsgemäss) mehrere Fluidpfade mit perfekt kreisförmigem Querschnitt, die sich in Längsrichtung des Rohrs erstrecken. Jeder Fluidpfad verläuft parallel zum andern. Das Rohr besitzt bestimmte Abmessungen derart, dass eine Distanz zwischen zwei benachbarten Fluidpfaden als Wt festgelegt ist und die Umfangsdicke zwischen einer Oberfläche des Rohrs und einem am weitesten außen liegenden Fluidpfad als Ht definiert ist. Die Distanz Wt und die Umfangsdicke Ht stehen wie folgt in Beziehung: 0,42 ≤ Ht/Wt ≤ 0,98.
In dem vorstehend genannten Wärmetauschrohr besitzen die Fluidpfade perfekt kreisförmigen Querschnitt und das Rohr besitzt ausreichende Druckbeständigkeit. Außerdem ist das Gewicht des Rohrs gering.
Bevorzugt sind die Fluidpfade in einer Linie entlang einer Querrichtung des Rohrs angeordnet. Besonders bevorzugt umfasst das Rohr eine Umfangsfläche, die Konkavität und Konvexität entsprechend dem Fluidpfad aufweist.
Bevorzugt sind die Fluidpfade in mehreren Linien entlang einer Querrichtung des Rohrs ausgerichtet, und zwei benachbarte Fluidpfade, die in zwei benachbarten Linien angeordnet sind, sind aufeinander folgend angeordnet. Insbesondere umfasst das Rohr eine Umfangsfläche mit Konkavität und Konvexität entsprechend dem Fluidpfad.
Bevorzugt kommt das Rohr für einen hochdruckseitigen Wärmetauscher in einem Dampf-Verdichtungskältekreis mit CO₂-Kältemittel zum Einsatz. Der Fluidpfad weist einen Durchmesser auf, der als Dp festgelegt ist, und das Rohr besteht aus einem Material mit einer Zugfestigkeit, die als S festgelegt ist. Die Beziehung zwischen der Distanz Wt, der Zugfestigkeit S und dem Durchmesser Dp ist wie folgt festgelegt: (0,73 – 0,0036 × S) × Dp ≤ Wt ≤ (1,69 – 0,0084 × S) × Dp. Insbesondere liegt die Zugfestigkeit S im Bereich zwischen 50 N/mm² und 130 N/mm² und das Rohr besteht aus Aluminium basiertem Material. Besonders bevorzugt liegt der Durchmesser Dp im Bereich zwischen 0,4 mm und 2,0 mm.
Bevorzugt wird das Rohr für einen niederdruckseitigen Wärmetauscher in einem Dampf-Verdichtungskältekreis mit CO₂-Kältemittel verwendet. Der Fluidpfad weist einen Durchmesser auf, der als Dp festgelegt ist, und das Rohr besteht aus einem Material mit einer Zugfestigkeit, die als S festgelegt ist. Die Beziehung zwischen der Distanz Wt, der Zugfestigkeit S und dem Durchmesser Dp ist wie folgt festgelegt: (0,34 – 0,0024 × S) × Dp + 0,06 ≤ Wt ≤ (0,80 – 0,0056 × S) × Dp + 0,14.
Die vorstehend genannte Aufgabe sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen; in diesen zeigen:
1A eine schematische perspektivische Ansicht eines Wärmetauschrohrs, und 1B eine teilweise vergrößerte Schnittansicht des Wärmetauschrohrs in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 grafisch einen Ort, an dem die maximale Spannung in dem Wärmetauschrohr in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform erzeugt wird,
3 einen Teil einer Querschnittsansicht eines Simulationsmodells des Wärmetauschrohrs zum Simulieren der Spannung in dem Wärmetauschrohr in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform,
4 eine Kurvendarstellung eines Orts, an dem die maximale Spannung in dem Wärmetauschrohr erzeugt wird, das auf der Hochdruckseite in einem CO₂-Kältekreis in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform angeordnet ist,
5 grafisch einen Ort, an dem die maximale Spannung in dem Wärmetauschrohr erzeugt wird, das auf der Niederdruckseite in dem CO₂-Kältekreis in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform angeordnet ist,
6A eine schematische perspektivische Ansicht eines Wärmetauschrohrs, und 6B eine teilweise vergrößerte Schnittansicht des Wärmetauschrohrs in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
7 eine schematische perspektivische Ansicht eines Wärmetauschrohrs in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
8 eine Draufsicht eines Mehrstromwärmetauschers in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik, und
9 eine perspektivische Explosionsansicht eines Wärmetauschrohrs und eines Sammlers in dem Wärmetauscher in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik.
(Erste Ausführungsform)
Ein Wärmetauschrohr 1 mit mehreren Fluidpfaden 2 in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1A und 1B gezeigt. Das Wärmetauschrohr 1 eignet sich für einen Wärmetauscher in einem Dampf-Verdichtungskältekreis. Insbesondere wird das Wärmetauschrohr 1 in einem Wärmetauscher in einem Dampf-Verdichtungskältekreis mit Kältemittel vergleichsweise hohen Drucks, wie etwa Kohlendioxid, verwendet. Das Wärmetauschrohr 1 kommt in dem Wärmetauscher, wie etwa einem Mehrstromwärmetauscher oder in einem Parallelstromwärmetauscher, zum Einsatz. Die Fluidpfade 2 des Wärmetauschrohrs 1, die Kältemittel hoher Temperatur führen, erstrecken sich in Längsrichtung des Rohrs 1, besitzen perfekten kreisförmigen Querschnitt und verlaufen in Querrichtung des Rohrs 1 parallel zueinander. Die Fluidpfade sind entlang einer Linie in dem Rohr 1 ausgerichtet.
Das Wärmetauschrohr 1 besteht aus Aluminium, besitzt große Länge und ist durch ein Extrusionsverfahren gebildet. Das Wärmetauschrohr 1 ist flach ausgebildet und besitzt einen Fluidpfad 2 perfekt kreisförmigen Querschnitts. Der Fluidpfad 2 erstreckt sich in Längsrichtung des Wärmetauschrohrs 1. Mehrere Fluidpfade sind in Querrichtung des Rohrs 1 parallel angeordnet.
Wie in 1B gezeigt, ist die Breite eines Trennabschnitts zwischen den Fluidpfaden 2 (d. h. die Distanz zwischen den Fluidpfaden 2) mit Wt [Millimeter] bezeichnet. Die Dicke des Rohrs 1 istmit Ht [Millimeter] bezeichnet. Die Dicke des Rohrs 1 ist auf dem Außenumfang des Rohrs 1 gemessen, d. h. die Dicke kommt zwischen dem Fluidpfad 2 und dem Umfang des Rohrs 1 zu liegen. Der Durchmesser des Fluidpfads 2 ist als Dp [Millimeter] bezeichnet. Die Gesamtdicke (d. h. die Höhe) des Rohrs 1 ist mit H [Millimeter] bezeichnet. Die Zugfestigkeit des Materials, aus dem das Rohr 1 besteht, ist mit S [N/mm²] bezeichnet.
Die Distanz Wt ist wie im Folgenden angeführt festgelegt. Im Fall des auf der Hochdruckseite angeordneten Wärmetauschers ist die optimale Distanz Wt des Rohrs 1, das auf der Hochdruckseite zu liegen kommt, definiert als: Wt = (1,21 – 0,006 × S) × Dp.
Im Fall, dass der Wärmetauscher auf der Niederdruckseite angeordnet ist, ist die optimale Distanz Wt des Rohrs 1, das auf der Niederdruckseite zu liegen kommt, definiert als: Wt = (0,57 – 0,004 × S) × Dp + 0,1.
Die optimale Beziehung zwischen der Dicke Ht des Rohrs 1 und der Distanz Wt beträgt: Ht:Wt = 0,7:1,0 (d. h. Ht/Wt = 0,7).
Die Gesamtdicke H des Rohrs 1 ist dabei festgelegt als: H = Dp + 2 × Ht.
Die vorstehend genannten, optimalen Distanzen und die optimale Beziehung werden wie folgt erhalten. Die Spannung in dem Rohr 1 unterschiedlicher Dicke Ht und unterschiedlicher Distanzen Wt wird numerisch analysiert. Die Dicke Ht und die Distanz Wt weisen deshalb die in 2 gezeigte Beziehung auf. In 2 stellt ein Bereich A das Rohr 1 dar, das einen zwischen den Fluidpfaden 2 liegenden Abschnitt aufweist, wobei in diesem Abschnitt die maximale Spannung erzeugt wird. D. h., die maximale Spannung wird in dem Abschnitt des Rohrs 1 erzeugt, der mit Wt in 1B bezeichnet ist (d. h. der Abschnitt des Rohrs 1 ist ein Trennabschnitt). Ein Bereich B stellt das Rohr 1 dar, das einen weiteren Abschnitt aufweist, der zwischen dem Fluidpfad 2 und dem Umfang des Rohrs 1 angeordnet ist, wobei in diesem anderen Abschnitt die maximale Spannung erzeugt wird. D. h., die maximale Spannung wird in dem anderen Abschnitt des Rohrs 1 erzeugt, wie in 1B mit Ht bezeichnet (d. h. der andere Abschnitt des Rohrs 1 ist ein Umfangsabschnitt). 2 zeigt damit denjenigen Abschnitt, in dem die maximale Spannung erzeugt wird. Die Spannung wird durch den Innendruck des Fluids in dem Rohr 1 erzeugt.
Selbst dann, wenn im Bereich A in 2 die Dicke Ht des Umfangsabschnitts größer bzw. dicker wird, wird die maximale Spannung in dem Trennabschnitt erzeugt. Ein Riss bzw. ein Bruch kann deshalb ausgehend von dem Trennabschnitt hervorgerufen werden. Selbst dann, wenn im Bereich B in 2 die Distanz Wt, d. h. die Dicke der Trennwand größer bzw. dicker wird, wird andererseits die maximale Spannung im Umfangsabschnitt hervorgerufen. Ein Riss oder Bruch kann deshalb ausgehend vom Umfangsabschnitt hervorgerufen werden.
Angesichts der vorstehend genannten Beziehung zwischen der Dicke Ht und der Distanz Wt ist das Rohr 1 so ausgelegt, dass es in effektiver Weise maximal druckbeständig ist. Wenn das Verhältnis Ht/Wt mit einem optimalen Wert gewählt wird, so dass die im Trennabschnitt erzeugte Spannung nahezu gleich der Spannung ist, die im Umfangsabschnitt erzeugt wird, besitzt das Rohr 1 maximale Druckbeständigkeit. Auf Grundlage des in 2 gezeigten Ergebnisses ist der optimale Wert des Verhältnisses Ht/Wt definiert als: Ht:Wt = 0,7:1,0 (d. h. Ht/Wt = 0,7).
Dieser optimale Wert ist unabhängig von dem Durchmesser Dp des Fluidpfads 2 und der Zugfestigkeit S des Materials, aus dem das Rohr 1 besteht. Bestätigt wird dies durch die Spannungsanalyse im Rohr 1, das unterschiedliche Dicken Ht und Distanzen Wt aufweist. Die Distanz Wt zwischen den Fluidpfaden 2 und die Dicke Ht des Rohrs 1 werden durch Beibehalten des optimalen Werts des Verhältnisses Ht/Wt ermittelt bzw. festgelegt, so dass das Rohr 1 ausreichende Druckbeständigkeit besitzt und geringes Gewicht aufweist.
Das Ergebnis der Spannungsanalyse wird nunmehr näher erläutert. In der Spannungsanalyse wird ein Viertel des Rohrs 1 als Simulationsmodell herangezogen, wie in 3 gezeigt. Die Parameter der Analyse sind die Zugfestigkeit S, der Durchmesser Dp, die Distanz Wt, die Dicke Ht und der Innendruck P. 4 zeigt das Ergebnis der Spannungsanalyse. 4 zeigt Ähnliches wie 2. In 4 ist an das Rohr 1 ein Innendruck von 40 MPa angelegt. In 4 stellt die durchgezogene Linie a7 beispielsweise die Beziehung zwischen der Dicke Ht und der Distanz Wt in dem Rohr 1 mit dem Durchmesser Dp von 2,0 mm und der Zugfestigkeit S von 130 N/mm² dar, wenn der Innendruck von 40 MPa an das Rohr 1 angelegt ist. Wenn die Dicke Ht und die Distanz Wt auf einem Teil der durchgezogenen Linie a7 zu liegen kommen, die außerhalb der Linie L mit optimalem Verhältnis liegt, wird der Riss bzw. der Bruch ausgehend von dem Trennabschnitt erzeugt, der zwischen den Fluidpfaden 2 zu liegen kommt. D. h. selbst dann, wenn die Dicke Ht des Umfangsabschnitts größer wird, wird der Riss bzw. der Bruch ausgehend vom Trennabschnitt erzeugt. Wenn andererseits die Dicke Ht und die Distanz Wt auf einem anderen Teil der durchgezogenen Linie a7 zu liegen kommen, die unterhalb der Linie L mit optimalem Verhältnis zu liegen kommt, wird der Riss bzw. Bruch ausgehend vom Umfangsabschnitt erzeugt, der zwischen dem Fluidpfad 2 und dem Umfang des Rohrs 1 zu liegen kommt. D. h., selbst dann, wenn die Distanz Wt zwischen den Fluidpfaden 2 größer wird, wird der Riss bzw. Bruch ausgehend vom Umfangsabschnitt erzeugt.
Insbesondere dann, wenn die Distanz Wt gleich oder größer als 0,9 mm in dem Fall ist, in dem die Dicke Ht etwa 0,63 mm beträgt, wird der Riss ausgehend vom Umfangsabschnitt erzeugt. Wenn die Dicke Ht gleich oder größer als 0,63 mm in dem Fall ist, dass die Distanz Wt etwa 0,9 mm beträgt, wird der Riss ausgehend vom Trennabschnitt erzeugt.
Die durchgezogene Linie a7 stellt deshalb eine Grenzlinie für die Druckbeständigkeit dar. D. h. wenn das Rohr 1 die Dicke Ht und die Distanz Wt aufweist, die auf der rechten oberen Seite ausgehend von der Linie a7 zu liegen kommen, kann das Rohr 1 den Innendruck von 40 MPa aushalten.
Dadurch wird der Schnittpunkt zwischen dem Teil und dem anderen Teil der durchgezogenen Linie a7 erhalten. Der Schnittpunkt gibt wieder, dass die Dicke Ht 0,63 mm beträgt und die Distanz Wt 0,9 mm beträgt. Wenn das Rohr 1 die Dicke Ht von 0,63 mm und die Distanz Wt von 0,9 mm aufweist, wird der Riss ausgehend vom Trennabschnitt bzw. dem Umfangsabschnitt erzeugt, d. h. die Druckbeständigkeit des Trennabschnitts ist im Wesentlichen gleich derjenigen des Umfangsabschnitts. Jeder Schnitt bzw. Schnittpunkt von Linien a1 bis a9 wird miteinander verbunden, so dass die Linie L mit optimalem Verhältnis erhalten wird. Die Linie mit optimalem Verhältnis stellt das optimale Verhältnis Ht/Wt = 0,7 dar. Selbst dann, wenn der Durchmesser Dp und/oder die Zugfestigkeit S geändert werden, ist deshalb die Druckbeständigkeit des Trennabschnitts im Wesentlichen gleich derjenigen des Umfangsabschnitts in dem Fall, dass das optimale Verhältnis Ht/Wt 0,7 beträgt.
In 4 stellen die punktierten Linien a1 bis a3 das Rohr 1 mit dem Durchmesser Dp von 0,4 mm dar. Die strichpunktierten Linien a4 bis a6 stellen das Rohr 1 mit dem Durchmesser Dp von 1,0 mm dar. Die durchgezogenen Linien a7 bis a9 stellen das Rohr 1 mit dem Durchmesser Dp von 2,0 mm dar. In 4 stellt außerdem der offene Kreis das Rohr 1 mit der Zugfestigkeit S von 50 N/mm² dar. Das geschlossene Quadrat stellt das Rohr 1 mit der Zugfestigkeit S von 80 N/mm² dar. Das geschlossene Dreieck stellt das Rohr 1 mit der Zugfestigkeit S von 130 N/mm² dar.
5 zeigt ein weiteres Ergebnis der Spannungsanalyse. In 5 ist an das Rohr 1 ein Innendruck von 30 MPa angelegt. Selbst in diesem Fall ist die Druckbeständigkeit des Trennabschnitts im Wesentlichen gleich derjenigen des Umfangsabschnitts in dem Fall, dass das optimale Verhältnis Ht/Wt 0,7 beträgt.
Wenn die Dicke Ht größer als das optimale Verhältnis Ht/Wt = 0,7 wird, wird dabei das Gewicht des Rohrs 1 größer, obwohl die Druckbeständigkeit des Rohrs 1 nicht geändert wird. Die Gewichtseinsparung des Rohrs 1 wird dadurch unmöglich. Wenn andererseits die Distanz Wt größer als das optimale Verhältnis Ht/Wt = 0,7 wird, wird das Gewicht des Rohrs 1 größer, obwohl die Druckbeständigkeit des Rohrs 1 nicht geändert wird. Die Gewichtseinsparung des Rohrs 1 wird dadurch unmöglich.
Nunmehr werden die mit der Erfindung erzielbaren Eigenschaften bzw. Vorteile erläutert. Die tatsächliche Beziehung zwischen der Distanz Wt und der Dicke Ht ist wie folgt gewählt: 0,42 ≤ Ht/Wt ≤ 0,98.
In diesem Fall liegt das tatsächliche Verhältnis Ht/Wt innerhalb von nahezu ±40% (d. h. im Bereich zwischen +40% und –40%) des optimalen Verhältnisses Ht/Wt = 0,7. Das Rohr 1 wird deshalb leichtgewichtig und besitzt ausreichende Druckbeständigkeit.
Die tatsächliche Beziehung zwischen der Distanz Wt und der Dicke Ht ist gewählt als 0,56 ≤ Ht/Wt ≤ 0,84. In diesem Fall liegt das tatsächliche Verhältnis von Ht/Wt innerhalb von nahezu ±20% (d. h. im Bereich zwischen +20% und –20%) des optimalen Verhältnisses Ht/Wt = 0,7. Das Gewicht des Rohrs 1 wird dadurch deutlich geringer und das Rohr 1 besitzt ausreichend hohe Druckbeständigkeit.
Bevorzugt wird die tatsächliche Beziehung zwischen der Distanz Wt und der Dicke Ht mit 0,63 ≤ Ht/Wt ≤ 0,77 gewählt. In diesem Fall liegt das tatsächliche Verhältnis von Ht/Wt innerhalb von nahezu ±10% (d. h. in einem Bereich zwischen +10% und –10%) des optimalen Verhältnisses Ht/Wt = 0,7.
Die optimale Distanz Wt des Rohrs 1, das auf dem hochdruckseitigen Wärmetauscher angeordnet ist und definiert ist als Wt = (1,21 – 0,006 × S) × Dp wird wie folgt erhalten. Wenn das Rohr 1 die Dicke Ht und die Distanz Wt mit dem optimalen Verhältnis Ht/Wt = 0,7 aufweist, ist die Bruchfestigkeit des Rohrs 1 sowohl durch den Durchmesser Dp wie die Distanz Wt oder durch sowohl die Dicke Ht wie die Zugfestigkeit S festgelegt. Die Bruchfestigkeit für das Rohr 1, das in dem hochdruckseitigen Wärmetauscher in dem CO₂-Kältekreis angeordnet ist, muss 40 MPa betragen. Im Hinblick auf die in 4 gezeigte Spannungsanalyse wird die optimale Distanz Wt erhalten als: Wt = (1,21 – 0,006 × S) × Dp.
Wenn beispielsweise in 4 die Zugfestigkeit S 50 N/mm² beträgt und der Durchmesser Dp 0,4 mm beträgt, beträgt die minimale Distanz Wt 0,364 mm, wobei es sich hier um den Schnittpunkt der strichpunktierten Linie a3 in 4 handelt. Die Dicke Ht wird durch die vorstehend angegebene Formel erhalten und aus der Beziehung des optimalen Verhältnisses Ht/Wt = 0,7.
Die tatsächliche Beziehung zwischen der Distanz Wt, dem Durchmesser Dp und der Zugfestigkeit S in dem Rohr 1, das auf der Hochdruckseite des CO₂-Kältekreises angeordnet ist, ist gewählt als: (0,73 – 0,0036 × S) × Dp ≤ Wt ≤ (1,69 – 0,0084 × S) × Dp.
In diesem Fall liegt die tatsächliche Distanz Wt innerhalb von nahezu ±40% (d. h. im Bereich zwischen +40% und –40%) der optimalen Distanz Wt, die als Wt = (1,21 – 0,006 × S) × Dp festgelegt ist. Das Rohr 1 wird dadurch leichtgewichtig und besitzt hohe Druckbeständigkeit. Insbesondere besitzt das Rohr 1 ausreichende Druckbeständigkeit auf der Hochdruckseite des CO₂-Kältekreises.
Bevorzugt ist die tatsächliche Beziehung zwischen der Distanz Wt, dem Durchmesser Dp und der Zugfestigkeit S mit (0,97 – 0,0048 × S) × Dp ≤ Wt ≤ (1,45 – 0,0072 × S) × Dp gewählt. In diesem Fall liegt die tatsächliche Distanz Wt innerhalb von nahezu ±20% (d. h. im Bereich zwischen +20% und –20%) der optimalen Distanz Wt von Wt = (1,21 – 0,006 × S) × Dp. Das Gewicht des Rohrs 1 wird dadurch deutlich geringer und das Rohr 1 besitzt ausreichend hohe Druckbeständigkeit.
Die tatsächliche Beziehung zwischen der Distanz Wt, dem Durchmesser Dp und der Zugfestigkeit S wird stärker bevorzugt gewählt mit (1,09 – 0,0054 × S) × Dp ≤ Wt ≤ (1,33 – 0,0066 × S) × Dp. In diesem Fall liegt die tatsächliche Distanz Wt innerhalb von nahezu ±10% (d. h. in einem Bereich zwischen +10% und –10%) der optimalen Distanz Wt von Wt = (1,21 – 0,006 × S) × Dp.
Die optimale Distanz Wt des Rohrs 1, das auf dem niederdruckseitigen Wärmetauscher angeordnet ist, und die definiert ist als Wt = (0,57 – 0,004 × S) × Dp + 0,1 wird wie folgt erhalten. Wenn das Rohr 1 die Dicke Ht und die Distanz Wt mit dem optimalen Verhältnis Ht/Wt = 0,7 aufweist, ist die Bruchfestigkeit des Rohrs 1 sowohl durch den Durchmesser Dp wie die Distanz Wt oder sowohl durch die Dicke Ht wie die Zugfestigkeit S festgelegt. Die Bruchfestigkeit muss 30 MPa aufweisen wenn das Rohr 1 in dem niederdruckseitigen Wärmetauscher in dem CO₂-Kältekreis angeordnet ist. Im Hinblick auf die Spannungsanalyse, die in 5 gezeigt ist, wird die optimale Distanz Wt erhalten als: Wt = (0,57 – 0,004 × S) × Dp + 0,1.
Wenn beispielsweise in 5 die Zugfestigkeit S 50 N/mm² beträgt und der Durchmesser Dp 0,4 mm beträgt, beträgt die minimale Distanz Wt 0,248 mm, wobei es sich hierbei um den Schnittpunkt der strichpunktierten Linie b3 in 5 handelt. Die Dicke Ht wird durch die vorstehend genannte Formel erhalten und aus der Beziehung des optimalen Verhältnisses Ht/Wt = 0,7.
Die tatsächliche Beziehung zwischen der Distanz Wt, dem Durchmesser Dp und der Zugfestigkeit S in dem Rohr 1, das auf der Niederdruckseite des CO₂-Kältekreises angeordnet ist, wird gewählt mit: (0,34 – 0,0024 × S) × Dp + 0,06 ≤ Wt ≤ (0,80 – 0,0056 × S) × Dp + 0,14.
In diesem Fall liegt die tatsächliche Distanz Wt innerhalb von nahezu ±40% (d. h. im Bereich zwischen +40% und –40%) der optimalen Distanz Wt, die als Wt = (0,57 – 0,004 × S) × Dp + 0,1 festgelegt ist. Das Rohr 1 wird deshalb leichtgewichtig und besitzt ausreichende Druckbeständigkeit. Insbesondere weist das Rohr 1 ausreichende Druckbeständigkeit auf der Niederdruckseite des CO₂-Kältekreises auf.
Bevorzugt werden die tatsächliche Beziehung zwischen der Distanz Wt, dem Durchmesser Dp und der Zugfestigkeit S gewählt mit (0,46 – 0,0032 × S) × Dp + 0,08 ≤ Wt ≤ (0,68 – 0,0048 × S) × Dp + 0,12. In diesem Fall liegt die tatsächliche Distanz Wt innerhalb von nahezu ±20% (d. h. im im Bereich zwischen +20% und –20%) der optimalen Distanz Wt von Wt = (0,57 – 0,004 × S) × Dp + 0,1. Das Gewicht des Rohrs 1 wird dadurch deutlich geringer und das Rohr 1 besitzt ausreichende Druckbeständigkeit.
Die tatsächliche Beziehung zwischen der Distanz Wt, dem Durchmesser Dp und der Zugfestigkeit S wird stärker bevorzugt gewählt mit (0,51 – 0,0036 × S) × Dp + 0,09 ≤ Wt ≤ (0,63 – 0,0044 × S) × Dp + 0,11. In diesem Fall liegt die tatsächliche Distanz Wt innerhalb von nahezu ±10% (d. h. in einem Bereich zwischen +10% und –10%) der optimalen Distanz Wt von Wt = (0,57 – 0,004 × S) × Dp + 0,1.
Wenn das Rohr 1 für die Praxis ausgelegt wird, muss dem Rohr 1 eine zusätzliche Dicke verliehen werden, um Herstellungstoleranzen zu kompensieren und/oder die Druckbeständigkeit zu erhöhen, so dass das Rohr 1 ausreichende Druckbeständigkeit selbst dann aufweist, wenn das Rohr 1 korrodiert. Die zusätzliche Dicke des Rohrs 1 wird der berechneten Dicke mit der minimalen Druckbeständigkeit hinzu addiert. Die zusätzliche Dicke des Rohrs 1 liegt üblicherweise im Bereich zwischen +0,05 mm und +0,25 mm. Insbesondere sind die verbesserte Dicke Ht' und die verbesserte Distanz Wt' definiert als: Ht + 0,05 ≤ Ht' ≤ Ht + 0,25 und Wt + 0,05 ≤ Wt' ≤ Wt + 0,25.
Das optimale Verhältnis des Verhältnisses Ht/Wt beträgt 0,7. Durch Zusammenfassen der vorstehend genannten Beziehungen der verbesserten Distanz Wt' und der verbesserten Dicke Ht' ergibt sich folgende Beziehung: 0,7 × (Wt' – 0,25) + 0,05 ≤ Ht' ≤ 0,7 × (Wt' – 0,05) + 0,25.
Das verbesserte Verhältnis Ht'/Wt' ist deshalb definiert als: 0,7 – 0,125/Wt' ≤ Ht'/Wt' ≤ 0,7 + 0,215/Wt'.
Wenn beispielsweise die Distanz Wt' 1 mm beträgt, beträgt das Verhältnis Ht'/Wt' 0,575 ≤ Ht'/Wt' ≤ 0,915.
Das Rohr 1 ist aus Aluminium basiertem Material mit einer Zugfestigkeit S im Bereich zwischen 50 N/mm² und 130 N/mm² hergestellt. Der Durchmesser Dp des Fluidpfads 2 ist in einem Bereich zwischen 0,4 mm und 2,0 mm gewählt. Wenn das Rohr 1 die vorstehend genannte Zugfestigkeit S und den Fluidpfad 2 aufweist, besitzt das Rohr 1 ausreichende Druckbeständigkeit in dem CO₂-Kältekreis.
In der ersten Ausführungsform sind die Distanz Wt, die Dicke Ht, der Durchmesser Dp, die Zugfestigkeit S und die Gesamtdicke H mit bestimmten Werten festgelegt, oder wenn der Querschnitt des Rohrs 1 so ermittelt wird, dass er einem bestimmten Querschnitt entspricht, wird das Rohr 1 leichtgewichtig und besitzt ausreichend hohe Druckbeständigkeit durch Verwendung der vorstehend genannten Beziehung.
Das Wärmetauschrohr 1 mit mehreren Fluidpfaden 2, die perfekten kreisförmigen Querschnitt besitzen, besitzt deshalb hohe Druckbeständigkeit. Das Gewicht des Rohrs 1 ist außerdem gering.
(Zweite Ausführungsform)
Ein weiteres Wärmetauschrohr 11 in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 6A und 6B gezeigt. Das Rohr 11 weist mehrere Fluidpfade 2 auf, die in Dickenrichtung (d. h. Höhenrichtung) des Rohrs 11 ausgerichtet sind. Benachbarte zwei Linien des Fluidpfads 2 benachbart in Dickenrichtung sind abwechselnd in der Querrichtung des Rohrs 11 angeordnet. Die Formbarkeit des Rohrs 11 ist dadurch verbessert. Wenn die Druckbeständigkeit des Rohrs 11 konstant ist, kann der Querschnitt des Fluidpfads 2 größer gemacht werden, obwohl der Gesamtquerschnitt des Rohrs 11 minimal wird. Das Rohr 11 besitzt deshalb minimale Abmessungen, ist leichtgewichtig, hochgradig leistungsfähig und mit geringen Kosten herstellbar.
(Dritte Ausführungsform)
Ein weiteres Wärmetauschrohr 21 in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 7 gezeigt. Der Umfang des Rohrs 21 ist so gebildet, dass er eine Konkavität und eine Konvexität in Übereinstimmung mit dem Fluidpfad 2 aufweist. Das Gewicht des Rohrs 21 kann dadurch deutlich verringert werden, ohne die Druckbeständigkeit herabzusetzen. Das Material, aus dem das Rohr 21 besteht, kann dadurch stark mengenmäßig verringert werden.
Derartige Abwandlungen und Modifikationen fallen sämtliche in den Umfang der vorliegenden Erfindung, die in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

Wärmetauschrohr flacher Form für einen hochdruckseitigen Wärmetauscher in einem Dampf-Verdichtungskältekreis mit CO₂-Kältemittel, aufweisend: mehrere Fluidpfade (2), die einen perfekten kreisförmigen Querschnitt aufweisen und sich in Längsrichtung des Rohrs erstrecken, wobei jeder Fluidpfad (2) parallel zum anderen verläuft, wobei das Rohr bestimmte Abmessungen derart aufweist, dass eine Distanz (Wt) zwischen zwei benachbarten Fluidpfaden (2) als Wt festgelegt ist, und eine Umfangsdicke (Ht) zwischen einer Oberfläche des Rohrs und einem am weitesten außen liegenden Fluidpfad (2) mit Ht festgelegt ist, wobei die Distanz (Wt) und die Umfangsdicke (Ht) in folgender Beziehung stehen: 0,63 ≤ Ht/Wt ≤ 0,77, wobei der Fluidpfad (2) einen Durchmesser (Dp) aufweist, der als Dp festgelegt ist, wobei das Rohr aus einem Material mit einer Zugfestigkeit (S) hergestellt ist, die als S festgelegt ist, und wobei die Beziehung zwischen der Distanz (Wt), der Zugfestigkeit (S) und dem Durchmesser (Dp) definiert ist als: (0,73 – 0,0036 × S) × Dp ≤ Wt ≤ (1,69 – 0,0084 × S) × Dp, wobei das Wärmetauschrohr lediglich die Fluidpfade (2) aufweist, so dass in den Fluidpfaden (2) Fluid strömt.
Rohr nach Anspruch 1, wobei die Fluidpfade (2) in einer Linie entlang einer Querrichtung des Rohrs ausgerichtet sind.
Rohr nach Anspruch 2, wobei das Rohr eine Umfangsfläche mit einer Konkavität und einer Konvexität entsprechend dem Fluidpfad (2) aufweist.
Rohr nach Anspruch 1, wobei die Fluidpfade (2) in mehreren Linien entlang einer Querrichtung des Rohrs angeordnet sind, und wobei zwei benachbarte Fluidpfade (2), die in zwei benachbarten Linien angeordnet sind, abwechselnd angeordnet sind.
Rohr nach Anspruch 4, wobei das Rohr eine Umfangsfläche mit einer Konkavität und einer Konvexität entsprechend dem Fluidpfad (2) aufweist.
Rohr nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beziehung zwischen der Distanz (Wt), der Zugfestigkeit (S) und dem Durchmesser (Dp) definiert ist als: (0,97 – 0,0048 × S) × Dp ≤ Wt ≤ (1,45 – 0,0072 × S) × Dp.
Rohr nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beziehung zwischen der Distanz (Wt), der Zugfestigkeit (S) und dem Durchmesser (Dp) definiert ist als: (1,09 – 0,0054 × S) × Dp ≤ Wt ≤ (1,33 – 0,0066 × S) × Dp.
Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zugfestigkeit (S) in einem Bereich zwischen 50 N/mm² und 130 N/mm² liegt, und wobei das Rohr aus Aluminium-basiertem Material hergestellt ist.
Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Durchmesser (Dp) in einem Bereich zwischen 0,4 mm und 2,0 mm liegt.
Wärmetauschrohr flacher Form für einen niederdruckseitigen Wärmetauscher in einem Dampf-Verdichtungskältekreis mit CO₂-Kältemittel, aufweisend: mehrere Fluidpfade (2), die einen perfekten kreisförmigen Querschnitt aufweisen und sich in Längsrichtung des Rohrs erstrecken, wobei jeder Fluidpfad (2) parallel zum anderen verläuft, wobei das Rohr bestimmte Abmessungen derart aufweist, dass eine Distanz (Wt) zwischen zwei benachbarten Fluidpfaden (2) als Wt festgelegt ist, und eine Umfangsdicke (Ht) zwischen einer Oberfläche des Rohrs und einem am weitesten außen liegenden Fluidpfad (2) mit Ht festgelegt ist, wobei die Distanz (Wt) und die Umfangsdicke (Ht) in folgender Beziehung stehen: 0,63 ≤ Ht/Wt ≤ 0,77, wobei der Fluidpfad (2) einen Durchmesser (Dp) aufweist, der als Dp festgelegt ist, wobei das Rohr aus einem Material hergestellt ist, das eine Zugfestigkeit (S) aufweist, die als S festgelegt ist, und wobei die Beziehung zwischen der Distanz (Wt), der Zugfestigkeit (S) und dem Durchmesser (Dp) definiert ist als: (0,34 – 0,0024 × S) × Dp + 0,06 ≤ Wt ≤ (0,80 – 0,0056 × S) × Dp + 0,14, wobei das Wärmetauschrohr lediglich die Fluidpfade (2) aufweist, so dass in den Fluidpfaden (2) Fluid strömt.
Rohr nach Anspruch 10, wobei die Beziehung zwischen der Distanz (Wt), der Zugfestigkeit (S) und dem Durchmesser (Dp) definiert ist als: (0,46 – 0,0032 × S) × Dp + 0,08 ≤ Wt ≤ (0,68 – 0,0048 × S) × Dp + 0,12.
Rohr nach Anspruch 10, wobei die Beziehung zwischen der Distanz (Wt), der Zugfestigkeit (S) und dem Durchmesser (Dp) definiert ist als: (0,51 – 0,0036 × S) × Dp + 0,09 ≤ Wt ≤ (0,63 – 0,0044 × S) × Dp + 0,11.
Rohr nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Zugfestigkeit (S) in einem Bereich zwischen 50 N/mm² und 130 N/mm² liegt, und wobei des Rohr aus Aluminium-basiertem Material hergestellt ist.
Rohr nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Durchmesser (Dp) in einem Bereich zwischen 0,4 mm und 2,0 mm liegt.
Rohr nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Fluidpfaden (2) den gleichen Querschnitt aufweist.
Rohr nach Anspruch 10, wobei die Mehrzahl von Fluidpfaden (2) den gleichen Querschnitt aufweist.