DE102004056557A1

DE102004056557A1 - Dimensionsoptimierte Vorrichtung zum Austausch von Wärme und Verfahren zur Optimierung der Dimensionen von Vorrichtungen zum Austausch von Wärme

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Publication number: DE102004056557A1
Application number: DE102004056557A
Authority: DE
Inventors: Mourad Ben-Salha; Gottfried Dipl.-Ing. Dürr; Michael Dipl.-Ing. Kranich; Wolfgang Seewald; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Staffa; Christoph Dipl.-Ing. Walter
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2006-05-24
Also published as: WO2006056360A1; BRPI0518471A2; EP1831632A1; JP2008520489A; CN101065635A; US20080029242A1; CN101065635B

Abstract

Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl von Druchflussrohren zur Weiterleitung eines Fluids, wobei die Vorrichtung eine vorgegebene Tiefe T aufweist und einige Durchflussrohre wenigstens abschnittsweise mit einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Tiefe und der vorgegebene Abstand in einem Verhältnis V zueinander stehen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme. Die Vorrichtung wird in Bezug auf eine Klimaanlage, insbesondere in Kraftfahrzeugen, beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in anderen Klimaanlagen bzw. Kältekreisläufen Anwendung finden kann.
Aus dem Stand der Technik sind Klimaanlagen bzw. Vorrichtungen zum Austausch von Wärme bekannt, welche zur Kühlung das Kältemittel R 134a einsetzen. Daneben sind auch solche Klimaanlagen bekannt, welche anstelle dieses Kältemittels das Kältemittel R 744, bei dem es sich um Kohlendioxid (CO₂) handelt, einsetzen. Der Vorteil des Einsatzes von CO₂ gegenüber den früheren Kältemitteln liegt unter anderem an dessen besserer Umweltverträglichkeit, da dieses Kältemittel nicht zu einer Erhöhung des Treibhauseffektes führt.
Die Verwendung von CO₂ für Kältekreisläufe ist jedoch im Stand der Technik mit zum Teil erheblichen Mehrkosten gegenüber herkömmlichen Kältemitteln verbunden, da dieses Kältemittel unter im Vergleich zu R 134a wesentlich höheren Druck in der Vorrichtung steht. So wird beispielsweise, wenn die gleiche Geometrie bzw. die gleichen Dimensionen des Kältekreislaufs verwendet werden, wie bei der Verwendung von herkömmlichen Kältemitteln, ein sehr hohes Gewicht und auch hohe Herstellungskosten verursacht, welche dazu führen, dass die Herstellung der Vorrichtungen unwirtschaftlich ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einzelne Vorrichtungen zum Austausch von Wärme hinsichtlich ihren Dimensionen derart auf die Verwendung von CO₂ als Kältemittel anzupassen, dass eine kostengünstigere und gewichtsarme Herstellung möglich wird.
Durch aufwendige Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass sich durch Modifikationen am Verdampfer eine besonders effiziente Einsparung an Gewicht und Herstellkosten erreichen lässt. Dabei ist es auch denkbar, eine moderate Leistungsreduzierung beim Verdampfer hinzunehmen, da diese, wie sich durch die umfangreichen Analysen ergeben hat, den geringsten Einfluss auf die erreichbare Abkühlung im Fahrzeug hat.
Die Aufgabe besteht darin, die Vorrichtungen durch Anpassung bestimmter Dimensionen dahingehend anzupassen, dass insbesondere bei Verwendung des Kältemittels CO2 eine Verbesserung der Vorrichtung, insbesondere aber nicht ausschließlich hinsichtlich deren Herstellungskosten, Leistung, Gewicht usw. erzielt wird.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, auch Vorrichtungen zum Austausch von Wärme, welche als Kältemittel R 134a verwenden, zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Verdampfer als Komponente in seiner spezifischen Kälteleistung in der Größenordnung reduziert wird, in der die Rückwirkung im Kältekreislauf in der Fahrzeugkabine noch akzeptiert werden kann. Dabei kann in Kauf genommen werden, dass das Leistungsniveau eines Kältemittelkreislaufs unter Verwendung von herkömmlichem Kältemittel (R143a) nicht mehr wie bisher deutlich überboten wird, sondern auf vergleichbarem Niveau liegt. Genauer soll der Verdampfer so ausgelegt werden, dass er hinsichtlich seiner Kälteleistung seines Gewichts und seiner Herstellkosten vergleichbar im Vergleich zu Verdampfern mit herkömmlichen Kältemitteln liegt.
Erfindungsgemäß werden wesentliche geometrische Größen des Verdampfers so optimiert, dass im Rahmen des gesamten Systems ein möglichst günstiges Kosten/Nutzen-Verhältnis entsteht.
Im einzelnen wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme weist eine Vielzahl von Durchflussrohren zur Weiterleitung eines Fluids auf, wobei die Vorrichtung eine vorgegebene Tiefe – im folgenden auch als Bautiefe bezeichnet – aufweist und einige Durchflussrohre wenigstens abschnittsweise in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet sind. Dadurch ist erfindungsgemäß das Verhältnis zwischen der Tiefe und dem vorgegebenen Abstand kleiner als 7. Die Tiefe der Vorrichtung zum Austausch von Wärme ergibt sich im wesentlichen aus der Tiefe der einzelnen Durchflussrohre, wie im einzelnen unter Verweis auf die Figuren erläutert wird.
Unter dem Rohrabstand der einzelnen Durchflussrohre wird dabei, wie sich genauer unter Bezug auf die Figuren ergibt, derjenige Abstand verstanden, in welchem die jeweils aufeinander zugerichteten Seiten der Durchflussrohre voneinander beabstandet sind. Dieser Rohrabstand bestimmt auch die Höhe der bevorzugt zwischen den Rohren angeordneten Rippen. Daher wird der Rohrabstand im folgenden auch als Rippenhöhe bezeichnet.
Dabei wird unter dem Abstand der kürzeste geometrische Abstand zwischen den Durchflussrohren verstanden. Unter dem wenigstens abschnittsweise vorgegebenen Abstand wird verstanden, dass die Rohre nicht zwingend entlang ihrer gesamten Länge voneinander den gleichen Abstand haben müssen.
Auch ist es möglich, dass eine erste Gruppe von Rohren einen ersten Abstand zueinander aufweist und eine zweite Gruppe von Rohren einen zweiten Abstand zueinander. Auch dies wird im Zusammenhang mit den Figuren eingehend erläutert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis V kleiner als 6,5, bevorzugt kleiner als 6,3 und besonders bevorzugt kleiner als 5,9. Durch Untersuchungen und Analysen konnte ermittelt werden, dass die genannten Verhältnisse bei der Verwendung von CO₂ als Kältemittel zu einer besonders günstigen Kosten/Nutzen-Relation führen, wobei als Kriterien zur Bewertung der Kosten/Nutzen-Relation insbesondere die spezifische Kälteleistung, der luftseitige und kältemittelseitige Druckabfall sowie die Herstellungskosten und das Gewicht in Betracht kommen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Durchflussrohre wenigstens abschnittsweise parallel zueinander angeordnet. Auf diese Weise kann ein im wesentlichen konstanter Abstand zwischen den einzelnen Durchflussrohren gewährleistet werden.
Bevorzugt sind die Durchflussrohre im wesentlichen entlang ihrer gesamten Länge zueinander parallel und weisen auf diese Weise entlang im wesentlichen ihrer gesamten Länge einen konstanten, vorgegebenen ersten Abstand zueinander auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Durchflussrohre einen flachrohrartigen Querschnitt auf. Unter einem flachrohrartigen Querschnitt wird ein Querschnitt verstanden, bei dem eine Seite hinsichtlich ihrer Länge eine weitere Seite bei weitem übertrifft, wie beispielsweise ein langgezogenes Rechteck, ein langgezogenes Rechteck mit abgerundeten Ecken oder auch eine Ellipse, bei der der erste Halbmesser wesentlich größer ist als der zweite Halbmesser.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Fluid ein Kältemittel und bevorzugt R 744 (CO₂).
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist eine erste Vielzahl von Durchflussrohren wenigstens abschnittsweise einen ersten vorgegebenen Abstand zueinander auf, und eine zweite Vielzahl von Durchflusseinrichtungen einen zweiten, im wesentlichen vorgegebenen Abstand zueinander, wobei das Verhältnis V zwischen der Tiefe und wenigstens einem der vorgegebenen Abstände kleiner als 7 ist.
Dies bedeutet, dass einzelne Durchflusseinrichtungen einen anderen Abstand voneinander haben als andere Durchflusseinrichtungen. Dabei können die einzelnen Abstände auch innerhalb zueinander im wesentlichen paralleler Durchflusseinrichtungen variieren. Ferner kann sowohl der erste vorgegebene Abstand als auch der zweite vorgegebene Abstand so beschaffen sein, dass das Verhältnis zwischen der Tiefe und beiden vorgegebenen Abständen jeweils kleiner als 7 ist.
Bevorzugt werden in einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme, in welcher in einer ersten Vielzahl von Durchflusseinrichtungen das Fluid in einer bestimmten Richtung geleitet wird und in einer weiteren Vielzahl von Durchflusseinrichtungen, in welcher das Fluid in einer anderen Richtung geleitet wird, jeweils unterschiedliche vorgegebene Rohrabstände gewählt werden. Auf diese Weise kann unter Umständen eine kostengünstigere Bauweise, bezogen auf die erreichte Wärmeübertragungsleistung erreicht werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine erste Vielzahl von Durchflusseinrichtungen gegenüber einer zweiten Vielzahl von Durchflusseinrichtungen seitlich versetzt. Dabei können die einzelnen vorgegebenen Abstände der ersten und der zweiten Vielzahl gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Auch können die vorgegebenen Abstände innerhalb derselben Vielzahl von Durchflusseinrichtungen variieren.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwischen den Durchflussrohren Kühlrippen angeordnet. Diese Kühlrippen dienen dazu, den Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft zu verbessern. Dabei wird wie erwähnt die Höhe dieser Kühlrippen im wesentlichen durch den vorgegebenen Abstand der jeweiligen anliegenden Durchflussrohre bestimmt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Wandstärke der einzelnen Kühlrippen zwischen 0,04 und 0,2 mm, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,12 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,06 und 0,1 mm. Die Rippendichte liegt zwischen 40 und 90 Ri/dm, bevorzugt zwischen 50 und 80 Ri/dm und besonders bevorzugt zwischen 60 und 70 Ri/dm.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Tiefe zwischen 10 mm und 60 mm, bevorzugt zwischen 20 mm und 50 mm und besonders bevorzugt zwischen 25 und 45 mm auf. Diese unterschiedlichen Tiefen werden insbesondere durch den beabsichtigten Anwendungszweck bedingt, d. h. beispielsweise, ob die Vorrichtung in einem Kleinwagen, einem Mittelklassewagen oder einem Wagen der Oberklasse Anwendung finden soll.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der vorgegebene Abstand zwischen den Durchflussrohren zwischen 4 mm und 12 mm, bevorzugt zwischen 4,5 mm und 10 mm. Auch diese Abstände werden insbesondere durch die jeweiligen Anwendungen bedingt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist einer Tiefe zwischen 30 mm und 50 mm, bevorzugt einer Tiefe zwischen 35 mm und 45 mm, ein vorgegebener Abstand zwischen 5 mm und 12 mm, bevorzugt zwischen 5,5 mm und 10 mm, zugeordnet. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um eher größer dimensionierte Vorrichtungen zum Austausch von Wärme, welche insbesondere, aber nicht ausschließlich, in Klimaanlagen in Mittelklassewagen oder Wagen der Oberklasse Anwendung finden können. Dabei stellen jedoch die gewählten Dimensionen im wesentlichen sicher, dass das Verhältnis kleiner als 7 bleibt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist einer Tiefe zwischen 15 mm und 40 mm, bevorzugt einer Tiefe zwischen 20 mm und 35 mm, ein vorgegebener Abstand zwischen 3 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 4 mm und 8,5 mm, zugeordnet. Diese Dimensionen bzw. Abmessungen finden insbesondere in Klimaanlagen von Kleinwagen und Wagen der Mittelklasse Anwendung.
Auch bei diesen Dimensionen sollte ein Verhältnis von kleiner als 7 im wesentlichen gewahrt bleiben. Dabei wird jedoch unter einem Verhältnis von im wesentlichen 7 auch ein solches Verhältnis verstanden, welches den Wert 7 geringfügig überschreitet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Durchflussrohre eine Breite zwischen 1 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 1,5 mm und 2 mm und besonders bevorzugt zwischen 1,7 mm und 1,9 mm auf. Die Wandstärke der Durchflussrohre liegt zwischen 0,1 mm und 0,6 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,4 mm und besonders bevorzugt im Bereich von etwa 0,3 mm. Durch diese Dimensionen kann ein besonders vorteilhafter Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft erreicht werden.
Bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um einen Verdampfer, der ein Bestandteil eines Kältemittelkreislaufs einer Kfz-Klimaanlage ist.
Die Erfindung ist ferner auf eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gerichtet, welche wenigstens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme aufweist.
Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zur Dimensionierung von Vorrichtungen zum Austausch von Wärme gerichtet, bei welchem in einem ersten Schritt eine erste Dimension der Vorrichtung festgelegt wird, in einem weiteren Schritt eine zweite Dimension der Vorrichtung festgelegt wird, in einem weiteren Schritt wenigstens zwei erste Zielparameter der Vorrichtung ermittelt werden, in einem weiteren Schritt wenigstens eine Dimension verändert wird, aus den veränderten Dimensionen wiederum zwei zweite Zielparameter der Vorrichtung mit der veränderten Dimension ermittelt werden und schließlich aus einem Vergleich der ersten und zweiten Zielparameter die günstigeren Zielparameter ausgewählt werden.
Bevorzugt sind die ersten und zweiten Dimensionen aus einer Gruppe von Dimensionen ausgewählt, welche die Tiefe, die Rippenhöhe der Kühlrippen, den Abstand der Durchflussrohre und dergleichen enthält.
Ferner können als Dimensionen jedoch auch Größen wie die Rippendichte pro dm und dergleichen verstanden werden.
Zielparameter sind bevorzugt aus einer Gruppe von Parametern ausgewählt, die die Bauraumtiefe, die Kälteleistung, den luftseitigen Druckabfall, das Gewicht und die Herstellungskosten enthält. Wie eingangs erwähnt, wird durch die genannten Faktoren letztlich der Nutzen oder der Wert der Vorrichtung zum Austausch von Wärme für die unterschiedlichen Kältemittel, im vorliegenden Fall für R 134a und R 744 (CO₂), ermittelt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die wesentlichen Dimensionen der Vorrichtung zum Austausch von Wärme variiert werden und damit jeweils die betreffenden genannten Ausgangsgrößen ermittelt werden, um so zu einer derartig dimensionierten Vorrichtung zu gelangen, dass bei akzeptablem Herstellungsaufwand bzw. akzeptablen Kosten eine zufriedenstellende, ausreichende Kälteleistung bei akzeptablem Gewicht erreicht wird.
Bei diesem Verfahren ist zu berücksichtigen, dass bereits geringe Änderungen der einen oder anderen Dimension zu drastischen Änderungen einer Ausgangsgröße bzw. eines Zielparameters führen können.
Bevorzugt werden die Zielparameter vielfach insbesondere bei unterschiedlichen Dimensionen ermittelt und aus dieser so gewonnenen Vielzahl von gewonnenen Sätzen von Zielparametern die günstigsten Sätze von Parametern ermittelt. Durch diese vielfache Ermittlung der Zielparameter kann eine sehr genaue Analyse der zu erwartenden Leistungen bzw. Zielparameter der Vorrichtung zum Austausch von Wärme erreicht werden. Bevorzugt werden bei der Ermittlung der günstigsten Zielparametersätze die einzelnen Zielparameter nach vorgegebenen Kriterien gewichtet. So ist es beispielsweise möglich, für den Einsatz der Vorrichtung in einem Fahrzeug der Oberklasse die Zielparameter Gewicht und Herstellungskosten geringer zu gewichten als im Falle der Anwendung in einem Kleinwagen.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Figuren. Darin zeigen:
1 eine ausschnittsweise Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung;
2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Rohrabstände;
7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der erreichten Abkühlung;
8 eine Darstellung zur Analyse der einzelnen Komponenten;
9a eine grafische Darstellung des Verhältnisses zwischen Kälteleistung und Gewicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
9b eine Darstellung des luftseitigen Druckabfalls;
10 eine Darstellung der Leistung in Abhängigkeit von der Bautiefe;
11 eine Darstellung des Verhältnisses der Leistung zum Gewicht in Abhängigkeit der Bautiefe;
12 eine Darstellung der Leistung im Verhältnis zu den Kosten in Abhängigkeit von der Bautiefe;
13 eine Darstellung der Leistung in Abhängigkeit von der Bautiefe zur Rippenhöhe;
14 eine Darstellung der Leistung im Verhältnis zum Gewicht in Abhängigkeit von der Bautiefe im Verhältnis zur Rippenhöhe; und
15 eine Darstellung der Leistung im Verhältnis zu den Kosten in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Bautiefe zur Rippenhöhe.
1 zeigt eine ausschnittsweise Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme 1. Diese weist eine Vielzahl von ersten Durchflussrohren 3 und eine zweite Vielzahl von zweiten Durchflussrohren 5 auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform fließt das Kältemittel durch die Vielzahl von ersten Durchflussrohren 3 in eine Richtung, beispielsweise aus der Blattebene heraus, und in der zweiten Vielzahl von Durchflussrohren 5 in eine entgegengesetzten Richtung, d. h., in die Blattebene hinein.
Das Bezugszeichen 7 kennzeichnet eine Kammer des Durchflussrohres. Bevorzugt sind die Durchflussrohre in eine Vielzahl von Kammern bzw. Kanäle unterteilt.
Dabei sind die ersten Durchflussrohre 3 und zweiten Durchflussrohre 5 durch einen Zwischenraum 8 voneinander getrennt. Dieser Zwischenraum 8 dient der Wärmeisolierung, da in den Durchflussrohren 3 und 5 das Kältemittel eine unterschiedliche Temperatur aufweisen kann und ein Wärmeübertrag nicht stattfinden soll. Anstelle des Zwischenraums können jedoch die Durchflussrohre auch durchgehend entlang der Tiefe T angeordnet sein; d. h., nur eine Vielzahl von Flachrohren vorgesehen sein. In diesem Fall wird bevorzugt eine Kammer bzw. ein Kanal 7 blind ausgeführt, d. h. in diesem Kanal fließt kein Kältemittel.
Das Bezugszeichen 4 bezieht sich auf zwischen den Durchflussrohren 3 und 5 angeordnete Rippen, die hier in der Draufsicht von oben gezeigt sind. Die Größe H_Ri kennzeichnet die Rippenhöhe und wird im wesentlichen durch den Abstand der einzelnen Durchflussrohre 3 bzw. 5 bestimmt, genauer durch den Abstand der jeweils einander zugewandten Seiten der jeweiligen Durchflussrohre 3 und 5.
Das Bezugszeichen T kennzeichnet die Bautiefe, die, wie oben erwähnt, eine wesentliche geometrische Größe der Vorrichtung darstellt. Die Rippen 4 erstrecken sich im wesentlichen entlang der vollständigen Tiefe T und sind bevorzugt auch nicht durch Zwischenräume unterbrochen. Das oben erwähnte Verhältnis V bestimmt sich dem Verhältnis der Bautiefe T zu der Rippenhöhe H_Ri.
In 2 ist eine Seitenansicht der in 1 gezeigten ausschnittsweise Darstellung der Vorrichtung zum Austausch von Wärme gezeigt. Dabei kennzeichnet b die Rohrbreite der einzelnen Durchflussrohre. Im Falle einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme, welche als Kältemittel R 134a benutzt, beträgt die Breite der Rohre zwischen 2 und 4 mm, bevorzugt zwischen 2,5 und 3 mm.
Bei einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme, welche als Kältemittel CO₂ benutzt, liegt – wie oben erwähnt – die Breite der Rohre bevorzugt im Bereich von 1,2 bis 2 mm. Insgesamt weist die Vorrichtung eine Breite zwischen 120 und 400 mm, bevorzugt zwischen 215 und 350 mm und besonders bevorzugt zwischen 250 und 315 mm auf. Eine ebenfalls vorteilhafte Breite ist zwischen 120 und 315 mm. Die Höhe der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt zwischen 140 und 300 mm, bevorzugt zwischen 200 und 300 mm, besonders bevorzugt zwischen 220 und 250 mm. Eine ebenfalls vorteilhafte Höhe ist zwischen 140 und 270 mm. Die Vorrichtung ist in einer bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen aus Aluminium, oder einem Material, welches Aluminium enthält, hergestellt.
Das Bezugszeichen A kennzeichnet die sogenannte Querteilung, d. h. den Abstand der jeweiligen geometrischen Zentren der einzelnen Durchflusseinrichtungen zueinander. Aus dieser Querteilung A ergibt sich die Rippenhöhe R_Hi, wenn zusätzlich noch die jeweilige Rohrbreite b berücksichtigt wird, d. h., die Rippenhöhe und die Querteilung stehen in unmittelbarem Zusammenhang. Die Querteilung kann als Maß für die Rippenhöhe herangezogen werden, falls aufgrund des Querschnitts der Durchflussrohre 3, 5 keine geometrisch eindeutige und konstante Angabe der Rippenhöhe bzw. des Abstands der Durchflussrohre vorliegt, z. B. wenn sich der Abstand der Durchflussrohre in 2 in eine Richtung senkrecht zur Blattebene ändert, was beispielsweise bei einem kreisförmigen Profil der Durchflussrohre möglich ist. In diesem Fall ist das erfindungsgemäße Verhältnis auf Tiefe und Abstand der Rohre durch das Verhältnis aus Tiefe und Querteilung zu ersetzen.
In 3 ist schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Dabei beziehen sich die Bezugszeichen 3 und 5 jeweils auf Draufsichten auf die einzelnen Durchflussrohre. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungsform sind hier die Durchflussrohre 3 und die Durchflussrohre 5 gegeneinander seitlich versetzt. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen den Durchflussrohren separat für die Durchflussrohre 3 und für die Durchflussrohre 5 bestimmt werden kann. Bei den in 3 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Abstand H_Ri der Durchflussrohre 3 identisch mit dem Abstand H_Ri der Durchflussrohre 5.
In 4 ist schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In diesem Fall weisen die Durchflussrohre 3 einen größeren Abstand H_Ri voneinander auf als die Durchflussrohre 5, welche einen Abstand H_Ri2 voneinander aufweisen. Dabei ist bevorzugt wenigstens einer der beiden Abstände H_Ri1 oder H_Ri2, in diesem Fall wenigstens der Abstand H_Ri1 so gewählt, dass das Verhältnis aus der Tiefe T und dem Abstand H_Ri1 kleiner als 7 ist. Es ist jedoch auch möglich, beide Abstände so zu wählen, dass das entsprechende Verhältnis kleiner als 7 ist.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform variieren die Abstände zwischen den einzelnen Durchflussrohren nur innerhalb der Durchflussrohre 3. Es ist jedoch auch möglich, dass die Abstände nur innerhalb der Rohre 5 variieren, oder auch sowohl innerhalb der Durchflussrohre 3 als auch der Durchflussrohre 5. Auch bei dieser Ausführungsform muss gewährleistet sein, dass wenigstens einer der Abstände H_Ri das Kriterium erfüllt, dass das Verhältnis aus der Tiefe und diesem Abstand kleiner als 7 ist.
Es wäre auch möglich, zwischen den einzelnen Rohren weitere unterschiedliche Abstände bzw. mehrere unterschiedliche Abstände vorzusehen, wie beispielsweise Abstände H_Ri1, H_Ri2, H_Ri3 usw. Jedenfalls müsste für einen der Abstände H_Ri das obige Verhältnis, welches kleiner als 7 ist, gewahrt sein.
6 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Definition des Abstandes H_Ri. Während die Durchflussrohre in den 3 bis 5 jeweils geradlinige Längsseiten aufweisen, die gleichzeitig den Abstand direkt bestimmen, weisen die Durchflussrohre in der in 6 gezeigten Ausführungsform einen elliptischen Querschnitt auf. In diesem Fall wird der Abstand zwischen den Durchflussrohren definiert als der Abstand der beiden Tangenten T, die jeweils an die Durchflussrohre 3 angelegt werden.
Es ist jedoch, wie oben angemerkt, auch möglich, den Rohrabstand nicht durch den Abstand der aufeinander zuweisenden Seiten zu definieren, sondern durch den Abstand der jeweiligen geometrischen Mittellinie der einzelnen Durchflussrohre, welcher oben als Querteilung bezeichnet wurde.
Dies bietet sich, wie gesagt, vor allem dann an, falls Durchflussrohre von den hier gezeigten Geometrien abweichende Geometrien aufweisen, wie beispielsweise konkave oder konvexe Formen.
Das in 7 gezeigte Diagramm zeigt die Simulation einer Abkühlkurve für ein Oberklassefahrzeug. Dabei wurden vergleichbare Abkühlkurven für das Kühlmittel R 134a, hier durch die Kurven 11 und 12 dargestellt, und für R 744, hier durch die Kurven 14 und 15 dargestellt, jeweils im Idle-Betriebspunkt aufgetragen.
Die oberen Kurven 12 und 14 zeigen den Temperaturverlauf im Fahrzeuginnenraum, die unteren Kurven 11 und 15 zeigen die Temperaturentwicklung am Verdampfer selbst.
Des weiteren wurde für die Simulation davon ausgegangen, dass der R 744-Verdampfer eine um 25 mm geringere Bautiefe, nämlich eine Bautiefe von 40 mm aufweist, wohingegen der R 134a-Verdampfer eine Bautiefe von 65 mm aufweist.
Auf der Ordinate ist Zeit in Minuten aufgetragen, auf der Koordinate die Temperatur in Grad Celsius. Die Simulation ist in mehrere Zeitabschnitte I bis IV unterteilt, wobei sich der Abschnitt I auf eine Fahrt im 3. Gang bei 32 km/h bezieht, der Abschnitt II auf eine Fahrt im 4. Gang bei 64 km/h, der Abschnitt III auf den Leerlauf (Idle) und der Abschnitt IV auf eine Fahrt im 2. Gang bei 64 km/h.
Man erkennt, dass selbst im 3. Gang (I) der R 744-Verdampfer eine zügigere Abkühlung erreicht als der R 134a-Verdampfer. In den Bereichen II bis IV erreichen die jeweiligen Verdampfer jeweils im wesentlichen die gleichen Werte.
In 8 ist ein Leistungsvergleich unterschiedlicher Verdampferausführungen bei einem typischen Betriebspunkt dargestellt. Dabei ist dieser Betriebspunkt so definiert, dass er Vergleiche unabhängig vom Kältekreislauf ermöglicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass sich das im folgenden beschriebene Verfahren bzw. die gewonnenen Ergebnisse gleichermaßen auf die Verbesserung von R 134a- wie auf die Verbesserung von R 744(CO₂)-Verdampfern übertragen lässt.
Bei dem hier dargestellten Diagramm wurde von einem Luftmassenstrom GLV von 8 kg/min, einer Lufteintrittstemperatur tLVe = 40°C, einer relativen Feuchte φLVE von 40 % ausgegangen.
In dem Diagramm zeigen die Rauten die für das Kältemittel R 744 (CO₂) ermittelten Werte an; die Ellipsen zeigen die für das Kältemittel R 134a ermittelten Werte an.
Die Rippendichte liegt bei 70 Ri/dm für den Verdampfer mit dem Kältemittel R 744 und bei 60 Ri/dm für den Verdampfer mit dem Kältemittel R 134a.
Auf der Ordinate ist die Bautiefe in mm aufgetragen, auf der Koordinate die Gesamtleistung in kW. Die eingetragenen Wertepaare bzw. Punkte 31 bis 39 sind Funktionen der Temperatur T, der Rippenhöhe H_Ri, der Rippendichte z_ri sowie der sogenannten Querteilung s_q. Die Querteilung bezeichnet den Abstand der jeweiligen Mitten der einzelnen Durchflussrohre voneinander. Dabei wird durch die einzelnen Wertepaare bzw. Punkte 31 bis 39 ein Feld aufgespannt, welches das Leistungsniveau in Kältekreisläufen verschiedener Fahrzeugklassen abdeckt. Die obere Kurve 22 ist dabei dem Oberklasse- oder Van-Segment zugeordnet, die untere Grenzkurve 23 zeigt den Leistungsbedarf von Kleinwagen.
Für kleinere Bautiefen als 40 mm, d. h. für die Messpunkte 31 bis 35, sind die Werte für das Kältemittel R 744 aufgetragen. Für den Bautiefenbereich Σ 40 mm sind die Werte für das Kältemittel R 134a aufgetragen. Wie oben erwähnt, wurde für die Messpunkte 31 bis 35 eine einheitliche Rippendichte von 70 Ri/dm gewählt, während für die Punkte 36 bis 39 eine einheitliche Rippendichte vom 60 Ri/dm gewählt wurde.
Im Falle der Messpunkte 31 und 32 wurde eine geringere Querteilung, im Falle der Messpunkte 33 bis 35 eine höhere Querteilung angesetzt. Aus der geringeren Querteilung ergibt sich eine ebenso geringere Rippenhöhe, was durch die Linie 28 angedeutet ist. Ebenso ergibt sich für die höhere Querteilung eine höhere Rippenhöhe, was durch die Linie 27 verdeutlicht wird.
Für die Messpunkte 36 und 37 wurde eine geringere Querteilung gewählt, was zu einer geringeren Rippenhöhe H_Ri führt, wie die Linie 25 zeigt. Für die Messpunkte 38 und 39 wurde eine höhere Querteilung gewählt, was – wie die Linie 26 zeigt – zu einer höheren Rippenhöhe führt.
Aus dem Diagramm ergibt sich, dass sich die Bautiefe bei R 744 bei gleichbleibendem Leistungsniveau, welches auf der Koordinate aufgetragen ist, deutlich reduziert. Dies bedeutet, dass sich die Zuordnung der Bautiefe T zur Rippenhöhe H_Ri bzw. das Verhältnis verschiebt.
Während im Fall von R 134a eine Tiefe von 65 mm einer Rippenhöhe von 7 bis 10 mm zugeordnet wird und einer Tiefe von 40 mm eine Rippenhöhe von 4 bis 6 mm, wird bei der Verwendung des Kältemittels R 744 einer Tiefe von 40 mm eine Rippenhöhe von 7 bis 10 mm und einer Tiefe von 27 mm eine Rippenhöhe von 5 bis 8 mm zugeordnet.
Bei früheren Bauweisen wurde für das Kältemittel R 744 die Zuordnung bzw. Dimensionierung von R 134a übernommen. Dies führte zu im Vergleich zu R 134a deutlich höheren Leistungswerten, jedoch auch zu Mehrgewicht und Mehrkosten, was unter anderem durch die deutlich höheren geforderten Drücke bei R 744 bedingt wird. Diese deutlich höheren Leistungswerte sind beispielhaft durch die Punkte 41 und 42 aufgetragen. In den Punkten 41 und 42 ergeben sich Leistungen, welche um mehr als 15 % über den maximal geforderten Leistungen liegen.
Es konnte damit gezeigt werden, dass entgegen der Vorstellungen der Fachwelt kosten- bzw. gewichtsmindernde Änderungen bei der Dimensionierung möglich sind, ohne dabei gleichzeitig Einbussen in der Kühlleistung hinnehmen zu müssen.
Das deutlich höhere Potential bei R 744 liegt darin begründet, dass aufgrund der hohen spezifischen Fördermenge des R 744-Kompressors im R 744-Kreislauf schneller eine Druckabsenkung im Niederdruckteil erreicht wird. Dies führt zu einer höheren Dynamik und am Verdampfer zu einem höheren treibenden Temperaturgefälle zwischen der Luft und dem Kältemittel.
Der kältemittelseitige Druckabfall im Verdampfer liegt in vergleichbarer Größenordnung, wobei 1 bar Druckabfall bei R 134a zirka 9K Temperaturgang verursachen, und bei R 744 nur 1K. Dies führt im Mittel über die Strömungslänge im Verdampfer zu einem deutlich höheren treibenden Temperaturgefälle zwischen Luft und Kältemittel (der R 744-Verdampfer bietet im Mittel eine deutlich kältere Oberflächentemperatur).
Wie eingangs erwähnt, wird versucht, ein Kosten-/Nutzenoptimum als Funktion der Größen Bauraumtiefe, Kälteleistung, luftseitigen Druckabfalls, Gewicht und Kosten dazustellen. Dabei sind, wie eingangs erwähnt, die Variablen, die Tiefe T, die Rippenhöhe H_Ri sowie der Rohrabstand, bzw. aus diesen Größen abgeleitete Größen, wie die Querteilung.
Nach den bisherigen Überlegungen und Untersuchungen ist eine Bautiefe von 65 mm für das vorhandene Leistungsniveau eher zu groß gewählt; günstiger wäre nach Einschätzungen eine 55 mm tiefe Auslegung, welche das Niveau der 65 mm Tiefe erreicht. Allerdings führt eine derartige Ausführungsform möglicherweise zu höheren Kosten und ungünstigerem luftseitigem Druckabfall. Als im Hinblick auf die Leistung besonders günstig für das Kältemittel R 134a hat sich eine Tiefe von 40 mm herausgestellt; in diesem Fall sind jedoch Nachteile hinsichtlich der Kosten und dem luftseitigen Druckabfall zu erwarten. Diese Überlegungen zeigen das äußerst komplizierte Ineinandergreifen unterschiedlicher Aspekte bei der Beurteilung und Bewertung der herzustellenden Verdampfer.
Im Falle eines Verdampfers, der das Kältemittel R 744 nutzt, hat sich eine Bauraumtiefe zwischen 25 und 45 mm als besonders geeignet herausgestellt.
Das in 9 gezeigte Diagramm veranschaulicht einige der Vorteile der Erfindung. Dabei ist in dem mit 9a bezeichneten Teildiagramm das Gewicht des Verdampfers gegenüber der erreichbaren Kälteleistung dargestellt. Die physikalischen Randbedingungen, wie beispielsweise der Luftmassenstrom GLV, sind identisch mit denjenigen Bedingungen, die in der Beschreibung zu 8 zugrunde gelegt wurden. Ebenfalls wurden die gleichen Verdampferabmessungen gewählt.
Wie die Messpunkte 44 und 45, die sich auf Kleinwagen und Fahrzeuge der Mittelklasse beziehen, zeigen, können durch Anpassung der geometrischen Dimensionen vergleichbare Kälteleistungen erreicht werden, wobei der Messpunkt 44 für das Kältemittel R 744 und der Messpunkt 45 für das Kältemittel R 134a bestimmt wurde. Im Falle des Messpunkts 45 ist eine mittlere Bautiefe und eine Rippendichte von 60 Ri/dm zugrunde gelegt. Im Falle des Messpunkts 44 wurde eine Tiefe geringer als bei 45, eine geringere Querteilung und eine höhere Rippendichte gewählt.
Auch die beiden Messpunkte 46 und 47, die sich auf Vorrichtungen für Fahrzeuge der Oberklasse beziehen, zeigen bei gleicher Kälteleistung ein deutlich verringertes Gewicht des R 744-Verdampfers an. Für den Messpunkt 46 wurde eine höhere Bautiefe T, eine vorgegebene Rippendichte und eine höhere Querteilung s_q gewählt. Beim Messpunkt 47 wurde für den R744-Verdampfer eine geringere Tiefe T als bei Punkt 46, eine im Vergleich zu 46 gleiche Rippendichte und eine entsprechend gleiche Querteilung gewählt. Es ergibt sich daher eine deutliche Gewichtsreduzierung durch die geringere Bautiefe bei sonst gleicher Querteilung und sogar Gewichtsvorteile gegenüber dem jeweiligen leistungsgleichen R 134a-Verdampfer. Durch die geringere Bautiefe entstehen auch nur geringere Materialkosten und damit eine Kostenreduzierung.
Daneben kann für Verdampfer für die Oberklasse eine Bautiefenverringerung von 65 auf 40 mm, und bei Kleinwagen von 40 auf 25 mm erreicht werden. Dies bringt den zusätzlichen Vorteil, dass im Kraftfahrzeug weniger Bauraum beansprucht wird.
Wie das Diagramm in 9b zeigt, kann auch der auf der Koordinate dargestellte luftseitige Druckabfall reduziert werden. Die Blöcke 51 bis 53 beziehen sich auf das Kältemittel 134a, die Blöcke 54 bis 55 auf das Kältemittel R 744. Man erkennt, dass bei der Verwendung von R 744 auch eine deutliche Reduzierung des luftseitigen Druckabfalls um ca. 50 erreicht wird. Dies führt zu einer höheren Luftmenge zur Klimatisierung des Fahrzeuges, zu einer geringeren Leistungsaufnahme im Gebläse und bietet ferner Potentiale zur Reduzierung des Geräuschpegels des Klimageräts.
In 10 sind die Leistungswerte einzelner Verdampfer über der Bautiefe als Ordinate aufgetragen. Dabei liegen sowohl für die CO₂- als auch für die R 134a-Verdampfer die Verdampfer mit gleicher Rippenhöhe jeweils auf einer Linie. Das Bezugszeichen 63 kennzeichnet die Linie, die einer großen Rippenhöhe, die im Folgenden als erste Rippenhöhe bezeichnet wird, zugehört, das Bezugszeichen 62 kennzeichnet die Linie, welche einer zweiten geringeren Rippenhöhe (im Folgenden als zweite Rippenhöhe bezeichnet) zugeordnet ist, und das Bezugszeichen 61 kennzeichnet die Linie, welcher eine gegenüber der zweiten Rippenhöhe noch geringerer Rippenhöhe (im Folgenden als dritte Rippenhöhe bezeichnet) zugeordnet ist.
Wie sich aus 10 ergibt, weisen die einzelnen Linien 61 bis 63 relativ ähnliche Steigungen auf, was auf eine proportionale Abhängigkeit von Leistung und Bautiefe bei sonst gleicher Bauweise bzw. Rippenhöhe schließen lässt. Weiterhin ist erkennbar, dass Verdampfer mit kleineren Rippenhöhen, aber sonst gleicher Abmessung, höhere Leistungen aufgrund der Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche bewirken.
Die schraffierten Bereiche 60 und 70 begrenzen die geforderten bzw. sinnvollen Leistungswerte. Die Leistungsgrenzen wurde unter anderem durch Simulation einer Fahrzeugkabinenkühlung ermittelt. Während in dem oberen Bereich 60 eine weitere Leistungssteigerung keine weiteren Vorteile mehr bringt, ist unterhalb der Untergrenze in dem Bereich 70 die Kabinenabkühlung nicht mehr akzeptabel. Die Bezugszeichen 65 bis 68 zeigen Messwerte, die innerhalb des geforderten Leistungsbereichs liegen. Sie bezeichnen Vorrichtungen unterschiedlicher Bauweise.
Das Bezugszeichen 67 bezieht sich auf einen R 134a-Verdampfer mit einer großen Bautiefe und der ersten oben genannten Rippenhöhe. Das Bezugszeichen 65 bezieht sich auf einen R 134a-Verdampfer mit der dritten oben genannten Rippenhöhe und einer geringeren Bautiefe.
Das Bezugszeichen 66 bezieht sich auf einen R 134a-Verdampfer mit der zweiten Rippenhöhe und einer mittleren Bautiefe.
Das Bezugszeichen 68 bezieht sich auf einen R 134a-Verdampfer mit der ersten Rippenhöhe und einer mittleren Bautiefe. Die Bezugszeichen 71 bis 74 stellen die Messwerte solcher Verdampfer dar, welche nicht mehr in dem zwischen den Bereichen 60 und 70 liegenden tolerablen Bereich 75 liegen. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 71 einen Verdampfer mit einer geringen Bautiefe und der ersten Rippenhöhe, das Bezugszeichen 72 einen R744-Verdampfer mit der dritten Rippenhöhe und einer sehr geringen Bautiefe, das Bezugszeichen 73 einen CO₂-Verdampfer mit einer geringen Bautiefe und der dritten Rippenhöhe und das Bezugszeichen 74 einen CO₂-Verdampfer mit einer hohen Bautiefe und der ersten Rippenhöhe.
Man erkennt daher, dass die CO₂-Verdampfer bei den gegebenen Bautiefen und Rippenhöhen wesentlich höhere Leistungswerte aufweisen als die R 134a-Verdampfer. Wie sich ebenfalls aus 10 ergibt, könnte ein CO₂-Verdampfer, der eine geringe Bautiefe beispielsweise bei der zweiten Rippenhöhe aufweist, wie sich aus der Linie 76 ergibt, für die Anwendung interessant sein. Die Ellipsen 140, 141 geben Bereiche an, in denen günstige Dimensionen liegen.
In 11 ist das Verhältnis von Leistung zu Gewicht in Abhängigkeit von der Bautiefe dargestellt. Dabei wurden die bezogenen Größen Leistung/Gewicht untereinander nochmals gewichtet, um der unterschiedlichen Bedeutung der einzelnen Größen gerecht zu werden. Bei einer ferner bevorzugten Variante des Verfahrens werden die Leistung und die Kosten als gleichwertige Größen betrachtet, während das Gewicht und die Rippenhöhe eine untergeordnete Rolle spielen.
Dabei wurden bei dem in den 11 bis 15 gezeigten Diagrammen die Gewichtungen derart angesetzt, dass die Leistung im Verhältnis zu den Kosten im Verhältnis 50 : 50 gewertet wurde, die Leistung im Verhältnis zum Gewicht im Verhältnis 80 : 20 und die Bautiefe im Verhältnis zur Rippenhöhe im Verhältnis 70 : 30. Die Dreiecke beziehen sich jeweils auf CO₂-Verdampfer und die Kreise auf R 134a-Verdampfer. Da auf der Koordinate das Verhältnis Leistung/Gewicht aufgetragen ist, sind höhere Werte, d. h. ein mehr in Richtung Leistung verschobenes Verhältnis als günstiger anzusehen.
Man erkennt damit, dass sich für die R 134a-Verdampfer als besonders günstig der durch das Bezugszeichen 81 gekennzeichnete Verdampfer mit einer mittleren Bautiefe, einer oben genannten zweiten Rippenhöhe sowie der mit dem Bezugszeichen 83 gekennzeichnete Verdampfer mit einer geringen Bautiefe und der dritten Rippenhöhe erweist.
Der mit dem Bezugszeichen 84 dargestellte Verdampfer mit der ersten Rippenhöhe läge zwar auch noch günstig in Bezug auf das Verhältnis von Leistung zu Gewicht, seine Absolutleistung würde jedoch auch für die Abkühlung von Kleinwagen nicht mehr akzeptiert werden. Denkbar wäre für diesen Verdampfertyp der Einsatz beispielsweise in einer Heckanlage. Ebenso könnte beispielsweise ein Verdampfer mit gleicher Rippenhöhe im Bereich der zweiten Rippenhöhe als weitere Alternative für die Klein- und/oder Mittelwagenklasse angesehen werden.
Für das Kältemittel CO2 sind demnach die durch die Bezugszeichen 86 und 87 dargestellten Verdampfer kleiner Tiefe mit hoher Rippenhöhe und der durch das Bezugszeichen 88 dargestellte Verdampfer mit geringer Tiefe und der dritten Rippenhöhe zu favorisieren. Der durch das Bezugszeichen 89 gekennzeichnete Verdampfer mit geringerer Tiefe liegt schließlich auch noch relativ günstig, ist aber hinsichtlich seiner Leistung grenzwertig.
Schlechter fällt der Verdampfer 91 im direkten Vergleich zu der ersten Rippenhöhe aus. Darüber hinaus liegt dieser Verdampfer bereits über der derzeit geforderten Leistungsobergrenze.
Bei dem durch das Bezugszeichen 92 gekennzeichneten Verdampfer ergibt sich ein ungünstiges Verhältnis von Leistung zu Gewicht aufgrund der hohen Packungsdichte von Rohren und Rippen bei außerdem zu geringer Leistung.
Die Bezugszeilen 95 und 96 beziehen sich auf Trendlinien, welche aufgrund der gemessenen Werte festgelegt wurden. Anhand dieser Trendlinie kann bestimmt werden bzw. abgeschätzt werden, für welche Dimensionen des Verdampfers günstige Auslegungen, wie hier ein günstiges Leistungs-/Gewichts-Verhältnis, zu erwarten sind.
Im einzelnen bezieht sich die Trendlinie 95 auf CO₂-Verdampfer und die Trendlinie 96 auf R 134a-Verdampfer.
In 12 ist das Verhältnis von Leistung zu den Herstellkosten in Abhängigkeit der Bautiefe dargestellt. Dabei wurde bei dem Verhältnis von Leistung zu Kosten auch wieder das obengenannte Verhältnis bzw. die oben angegebene Gewichtung zugrundegelegt.
Es ist zu erkennen, dass bei den durch Kreise gekennzeichneten R 134a-Verdampfern der Verdampfer 101 mit mittlerer Bautiefe und einer ersten Rippenhöhe das beste Leistungs-/Kostenverhältnis aufweist. Jedoch weist dieser Verdampfer eine geringe Ausgangsleistung auf und wird daher bei der Erstellung der Trendlinie 115 nicht berücksichtigt.
Die Trendlinie 115 für die R 134a-Verdampfer sowie die Trennlinie 116 für die CO₂-Verdampfer geben, wie oben, jeweils an, bei welchen Geometrien besonders günstige Ergebnisse für die Verdampfer zu erwarten sind. Der durch das Bezugszeichen 102 gekennzeichnete Verdampfer mit einer dritten Rippenhöhe schneidet zwar deutlich ungünstiger ab, hier ist jedoch der Vorteil der geringen Bautiefe gegenüber den durch die Bezugszeile 104–106 gekennzeichneten Verdampfern zu berücksichtigen.
Bei der Betrachtung der CO₂-Verdampfer, welche durch die Dreiecke dargestellt sind, bleibt das gute Leistungs-/Kostenverhältnis der durch die Bezugszeichen 107 und 108 gekennzeichneten Verdampfer mit erster bzw. knapp darunter liegender Rippenhöhe festzuhalten, aber auch dasjenige des mit dem Bezugszeichen 110 gekennzeichneten Verdampfers mit erster Rippenhöhe.
Der durch das Bezugszeichen 111 gekennzeichnete Verdampfer mit der dritten Rippenhöhe liegt erwartungsgemäß etwas ungünstiger aufgrund der hohen Packungsdichte, die sich negativ auf der Kostenseite niederschlägt. Ein Verdampfer mit zweiter Rippenhöhe läge logischerweise zwischen denen mit dritter bzw. erster Rippenhöhe und würde durchaus eine interessante Alternative darstellen.
Noch ungünstiger liegt das besagte Verhältnis schließlich bei dem mit dem Bezugszeichen 112 gekennzeichneten Verdampfer mit größerer Bautiefe bei der dritten Rippenhöhe sowie dem mit 113 gekennzeichneten Verdampfer mit geringer Bautiefe.
Bei ersterem überwiegen die hohen Kosten aufgrund der geringen Rippenhöhe (bzw. der hohen Packungsdichte), während bei letzterem geringe Leistung bei noch moderaten Kosten überwiegt. Der mit dem Bezugszeichen 114 gekennzeichnete Verdampfer, der dem mit dem Bezugszeichen 93 in 11 gezeigten Verdampfer entspricht, bleibt aufgrund obengenannter Gründe wieder unberücksichtigt.
Generell ergibt sich ein niedrigeres Niveau der CO₂-Verdampfer gegenüber den Verdampfern in R 134a-Bauweise. Hier ist noch ein gewisses Kostendefizit zu erkennen, dass sich aber mit einer stabileren Bauweise aus Festigkeits- bzw. Sicherheitsgründen (deutlich höhere Betriebsdrücke bei Verwendung von CO₂ als Kältemittel) und somit höherem Gewicht begründen lässt.
Die in den 13 bis 15 dargestellten Abbildungen korrelieren zu den ersten in den 10 bis 12 dargestellten Abbildungen. Allerdings wurde bei den in den 13 bis 15 dargestellten Abbildungen die auf der Ordinate bzw. Abszisse aufgetragene Größe "Bautiefe" ersetzt durch das gewichtete Verhältnis V' aus Bautiefe und der Summe Rippenhöhe + 10 mm.
Aus der in 13 dargestellten Leistung der einzelnen Verdampfer über dem gewichteten Verhältnis V' von Bautiefe zur Rippenhöhe ergibt sich, dass alle mit gleichem Kältemittel betriebenen Verdampfer (R 134a bzw. CO₂) nun im wesentlichen unabhängig von ihrer Rippenhöhe auf einer konstanten Linie zusammenfinden. Auf diese Weise erklärt sich die gewählte Gewichtung von Bautiefe und Rippenhöhe zueinander, die sich in dem Summanden 10 mm zur Rippenhöhe ausdrückt. Auch erkennt man wiederum den Leistungsvorteil der CO₂-Verdampfer gegenüber dem R 134a-Verdampfern der gleichen Bautiefen. Bei den einzelnen Werten handelt es sich, wie oben, wiederum um gemessene Werte, bzw. um durch Simulation ermittelte Werte, die durch Messung bestätigt wurden.
Auch bei der in 14 gezeigten Darstellung der auf das Gewicht bezogenen Leistung über der auf die gewichtete Rippenhöhe bezogenen Bautiefe im Vergleich zur absoluten Bautiefe (vgl. 11) ergeben sich prinzipiell die selben Aussagen, wie oben. Überdies zeigt sich, dass die auf das Gewicht bezogene Leistung der untersuchten R744-Verdampfer zwischen V' = 1,3 und V' = 2,8 maximal ist und außerhalb dieses Bereichs abzunehmen scheint. Bessere Werte zeigen sich für Verdampfer ab V' = 1,5, noch bessere Werte für Verdampfer ab V' = 1,85. Die Verdampfer mit der höchsten auf das Gewicht bezogenen Leistung ein gewichtetes Verhältnis V' bei 2,2 beziehungsweise 2,4 aufweisen. Die Trendlinie zeigt dagegen ein Maximum bei etwa V' = 2,1.
Ähnliches gilt wiederum für die in 15 gezeigte Darstellung des Leistungs-/Kostenverhältnisses bei Auftragung über die bezogene Bautiefe im Vergleich (vgl. 12 und 15). Auch hier ändern sich die Präferenzen nicht. Die auf die Kosten bezogene Leistung der R744-Verdampfer übersteigt die der R134a-Verdampfer, wenn das gewichtete Verhältnis V' kleiner etwa 2,6 ist.
Man erkennt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei welchem in Abhängigkeit von vorgegebenen Dimensionen bzw. Parametern, d. h., der Bautiefe und der Rippenhöhe, unterschiedliche Zielparameter wie die Kosten, die Leistung und das Gewicht bestimmt werden können und gegeneinander, insbesondere durch unterschiedliche Gewichtung, abgewogen kann, welche Varianten im Endeffekt die günstigsten Ausführungsformen darstellen. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Verwendung unterschiedlicher Auftragungsmethoden, welche teilweise auch die Gewichtung berücksichtigen, in besonders effizienter Weise die günstigste Abmessung für die R 134a- sowie die CO₂-Verdampfer herausgearbeitet werden. Auf diese Weise kann die ideale Dimensionierung für die einzelnen Verdampfer unter Berücksichtigung der Kriterien, wie Gewicht, Leistung usw., ausgewählt werden.
Bevorzugt werden für das Verfahren eigens entwickelte Programme verwendet, welche es dem Benutzer erlauben, beliebig Kriterien vorzugeben, die Zielparameter beliebig vorzugeben, um so den Anforderungen beispielsweise der Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs gerecht zu werden. Bei der Erstellung derartiger Programme ist es erforderlich, die jeweils durch Messung und/oder aufwendige thermodynamische Überlegungen gewonnenen Erfahrungen einzubringen bzw. zu kombinieren.
Die Erfindung ist daher auch auf eine Software gerichtet, die es erlaubt, das erfindungsgemäße Verfahren rechnergestützt durchzuführen.
Für die CO₂-Verdampfer ergaben sich als besonders günstig Bautiefen im Bereich von 20 bis 45 mm bei einer Rippenhöhe von 4,0 bis 10,0 mm.
Als besonders vorteilhaft erwiesen sich Bautiefen zwischen 35 und 45 mm bei Rippenhöhen von 5,5 bis 10 mm, insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen der Oberklasse, sowie Bautiefen von 20 bis 35 mm bei Rippenhöhen von 4 bis 8,5 mm, insbesondere für den Einsatz in Klein- und Mittelklassewagen.

Claims

Vorrichtung zum Austausch von Wärme für eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl von Durchflussrohren zur Weiterleitung eines Fluids, wobei die Vorrichtung eine vorgegebene Tiefe T aufweist und eine vorgegebene Zahl von Durchflussrohren (3, 5) wenigstens abschnittsweise mit einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis V zwischen der Tiefe und dem vorgegebenen Abstand kleiner als 7 und/oder das gewichtete Verhältnis V' zwischen der Tiefe und der Summe aus dem vorgegebenen Abstand und 10 mm größer als 1,3 und kleiner als 2,8 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Abstand kleiner oder gleich 9 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 8 mm und bevorzugt kleiner oder gleich 6 mm ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis V kleiner als 6,8, bevorzugt kleiner als 6,6 und bevorzugt kleiner als 6,3 ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis V kleiner als 6,1, bevorzugt kleiner als 5,9 und bevorzugt kleiner als 5,1 ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gewichtete Verhältnis V' mindestens 1,5, bevorzugt mindestens 1,85 und bevorzugt mindestens 2,2 ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gewichtete Verhältnis V' höchstens 2,6, bevorzugt höchstens 2,4 und bevorzugt höchstens 2,25 ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrohre wenigstens abschnittsweise parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrohre einen im wesentlichen konstanten vorgegebenen ersten Abstand zueinander aufweisen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrohre einen flachrohrartigen Querschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrohre einstückig ausgebildet sind, insbesondere aus einem einzigen Blechband oder Strangpressprofil bestehen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrohre und bevorzugt die Vorrichtung einen Berstdruck von über 90 bar aufweisen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Kältemittel und bevorzugt R 744 (CO₂) ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Vielzahl von Durchflussrohren (3) wenigstens abschnittsweise einen ersten vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen, eine zweite Vielzahl von Durchflussrohren (5) einen zweiten vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen und das Verhältnis V zwischen der Tiefe und wenigstens einem der vorgegebenen Abstände kleiner als 7 ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Vielzahl von Durchflussrohren (3) gegenüber einer zweiten Vielzahl von Durchflussrohren (5) seitlich versetzt ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Durchflussrohren Kühlrippen (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Tiefe zwischen 10 mm und 60 mm, bevorzugt zwischen 20 mm und 50 mm und besonders bevorzugt zwischen 25 mm und 45 mm aufweist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese der vorgegebene Abstand zwischen 4 mm und 12 mm, bevorzugt zwischen 4,5 mm und 10 mm liegt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer Tiefe zwischen 30 mm und 50 mm, bevorzugt einer Tiefe zwischen 35 mm und 45 mm ein vorgegebener Abstand zwischen 5 mm und 12 mm, bevorzugt zwischen 5,5 mm und 10 mm zugeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer Tiefe zwischen 20 mm und 35 mm, bevorzugt einer Tiefe zwischen 25 mm und 30 mm ein vorgegebener Abstand zwischen 3 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 4 mm und 8 mm zugeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrohre eine Breite zwischen 1 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 1,3 mm und 2 mm und besonders bevorzugt von etwa 1,4 mm bis 1,9 mm aufweisen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrohre eine Wandstärke zwischen 0,1 mm und 0,6 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,4 mm und besonders bevorzugt von etwa 0,25 mm bis 0,3 mm aufweisen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Verdampfer ist.
Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
Verfahren zur Dimensionierung von Vorrichtungen zum Austausch von Wärme mit folgenden Schritten: – Festlegung einer ersten Dimension der Vorrichtung; – Festlegung einer zweiten Dimension der Vorrichtung; – Ermittlung wenigstens zweier erster Zielparameter der Vorrichtung; – Veränderung wenigstens einer Dimension; – Ermittlung wenigstens zweier zweiter Zielparameter der Vorrichtung mit der veränderten Dimension; – Ermittlung der günstigeren Zielparameter durch Vergleich der ersten und zweiten Zielparameter.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen aus einer Gruppe von Dimensionen ausgewählt sind, welche die Tiefe, die Rippenhöhe und den Abstand der Durchflussrohre enthält.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter aus einer Gruppe von Parametern ausgewählt sind, welche die Bauraumtiefe, die Kälteleistung, den Volumenstrom, den luftseitigen Druckabfall, das Gewicht und die Herstellungskosten enthält.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielparameter mehrfach ermittelt werden und aus den so ermittelten Sätzen von Zielparametern die günstigsten Sätze von Parametern ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der günstigsten Zielparametersätze die einzelnen Zielparameter nach vorgegebenen Kriterien gewichtet werden.