DE102005016540A1

DE102005016540A1 - Mehrkanalflachrohr

Info

Publication number: DE102005016540A1
Application number: DE200510016540
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl.-Ing. Dürr; Frederik Dipl.-Ing. Götz; Boris Dr.-Ing. Kerler; Michael Dipl.-Ing. Kranich; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Staffa; Christoph Dipl.-Ing. Walter
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-12
Also published as: WO2006105823A1

Abstract

Ein Flachrohr (1) für einen Wärmeübertrager eines R744-Klimagerätes weist eine Dicke (h) von nicht mehr als 1,4 mm auf. Um eine ausreichende Festigkeit und Wärmeübertragungsleistung zur Verfügung zu stellen, werden geeignete Strömungskanalanordnungen und Abmessungen vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft Mehrkanalflachrohre für Wärmeübertrager mit mehreren in Rohrquerrichtung nebeneinander liegenden parallelen Strömungskanälen. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Wärmeübertrager sowie einen Kältemittelkreislauf mit derartigen Mehrkanalflachrohren.

Wärmeübertrager, insbesondere Wärmeübertrager bei denen eines der verwendeten Medien hindurchströmende Luft ist, werden aus Herstellungs- sowie Platzgründen meist als so genannte Flachrohrwärmeübertrager hergestellt. Dies betrifft beispielsweise Kühlmittelkühler für Kraftfahrzeuge sowie Verdampfer und Gaskühler/Kondensatoren für Kraftfahrzeugklimaanlagen. Bei derartigen Flachrohrwärmeübertragern strömt das abzukühlende bzw. zu erwärmende Fluid (beispielsweise ein Kühlmittel oder ein Kältemittel) durch abgeflachte Rohre – daher der Name Flachrohrwärmeübertrager. Zwischen den Flachrohren sind zur Verbesserung der Wärmeübertragung in der Regel mäanderförmig ausgelegte Wellrippen angeordnet, die meist über eine zusätzliche Oberflächenstrukturierung verfügen. Zur Stabilisierung der Anordnung und zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften werden die einzelnen Komponenten nach der Montage miteinander verlötet.

Während Flachrohrwärmeübertrager bei niedrigen Drücken unproblematisch sind (z. B. bei Kühlmittelkühlern und Heizkörpern), sind besondere bauliche Maßnahmen zu ergreifen, wenn der Druck des zu kühlenden bzw. zu enwärmenden Fluids zunimmt, so wie dies beispielsweise bei Verdampfern und Gaskühlern/Kondensatoren für Klimaanlagen der Fall ist. So werden beispielsweise bei derzeit üblichen R134a-Klimaanlagen, bei denen ein maximales Druckniveau im Bereich von 30 bar herrscht, beispielsweise Flachrohre verwendet, die in der Mitte zur Stabilisierung einen oder mehrere Mittelstege aufweisen, die Ober- und Unterseite des Flachrohrs miteinander verbinden. Dadurch kann ein Aufblähen des Flachrohrs in diesem Druckbereich wirksam verhindert werden.

Bei der Verwendung von R744 (CO₂; Kohlendioxid) als Kältemittel steigt das Druckniveau im Kältemittelkreislauf nochmals deutlich an, sodass weitere konstruktive Maßnahmen, insbesondere für die Flachrohre, erforderlich sind. Da bei R744-Klimaanlagen Drücke im Bereich von 130 bar bis 150 bar sicher beherrscht werden müssen, sind bei sämtlichen verwendeten Bauteilen unter anderem ausreichende Wandstärken sicherzustellen. Im Falle von Flachrohren müssen Ober- und Unterseite des Flachrohrs in der Regel mit einer größeren Anzahl an Stegen miteinander verbunden werden. Dies wird meist dadurch realisiert, dass so genannte Mehrkanalflachrohre verwendet werden. Derartige Mehrkanalflachrohre weisen eine Mehrzahl, in Rohrquerrichtung nebeneinander liegender paralleler Strömungskanäle auf. Meist werden solche Mehrkanalflachrohre durch Extrusionsverfahren hergestellt. Zum Teil werden derartige Flachrohre auch für andere Kältemittel wie beispielsweise R134a verwendet.

Den günstigen mechanischen Eigenschaften von Mehrkanalflachrohren stehen jedoch auch Nachteile gegenüber. So sind Mehrkanalflachrohre aufgrund ihres hohen Materialaufwands schwer, relativ teuer und weisen im Verhältnis zu ihrer Querschnittsfläche eine relativ kleine freie Querschnitts fläche auf. Aufgrund der insbesondere bei R744-Klimaanlagen erforderlichen großen Wandstärken erweist sich auch eine Verkleinerung der Abmessungen von Mehrkanalflachrohren oftmals als problematisch. Dies hat entsprechend große, schwere und teuere Wärmeübertrager zur Folge. Insbesondere erweist sich die abführbare Wärme pro Gewichtseinheit und/oder pro Volumeneinheit des resultierenden Wärmeübertragers häufig als relativ gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mehrkanalflachrohre vorzuschlagen, die die Probleme und Nachteile, die bei Mehrkanalflachrohren gemäß dem Stand der Technik vorhanden sind, zu beseitigen oder zumindest zu mindern. Entsprechendes gilt für derartige Mehrkanalflachrohre aufweisende Wärmeübertrager bzw. Kältemittelkreisläufe.

Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei verringertem Materialeinsatz, verringerten Kosten und/oder verringerten Bauteilabmessungen eine akzeptable, vorzugsweise ähnlich gute, insbesondere verbesserte Wärmeübertragungsleistung gegenüber bekannten Vorrichtungen zu ermöglichen.

Dazu wird vorgeschlagen, ein Mehrkanalflachrohr für einen Wärmeübertrager mit mehreren, in Rohrquerrichtung nebeneinander liegenden parallelen Strömungskanälen dadurch weiterzubilden, dass das Mehrkanalflachrohr eine reduzierte Rohrquerschnittshöhe von nicht mehr als 1,4 mm aufweist. Bislang wurde davon ausgegangen, dass es zur Sicherstellung einer ausreichenden Stabilität und/oder einer ausreichend hohen Wärmübertragungsleistung erforderlich ist, Flachrohre mit einer größeren Rohrquerschnittshöhe zu verwenden. Dieses Vorurteil rührte von der Überlegung her, dass einerseits eine ausreichend große Wandstärke zwischen Strömungskanälen und Rohraußenseite vorzusehen ist, und andererseits eine ausreichende Höhe der Strömungskanäle vorzusehen ist, um einen ausreichenden Durchsatz an Kältemittel und damit letztendlich eine ausreichende Wärmeübertragungs leistung zu ermöglichen. Überraschendenweise hat sich nunmehr gezeigt, dass eine ausreichende Festigkeit sowie Wärmeübertragungsleistung auch mit einer reduzierten Rohrquerschnittshöhe erzielbar ist, wobei insbesondere eine Rohrquerschnittshöhe von nicht mehr als 1,4 mm vorgeschlagen wird. Jedoch ist zu erwähnen, dass im Rahmen dieser Anmeldung im Falle von diskreten Zahlenangaben sowie bei der Angabe von Grenzen bei (Halb-) Intervallen sämtliche Zahlenwerte, insbesondere sämtliche ganzen Zahlen, Zehntelwerte von ganzen Zahlen und/oder Hundertstelwerte von ganzen Zahlen als explizit offenbart und beliebig einsetzbar gelten sollen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Mehrkanalflachrohrs ergibt sich, wenn dieses eine reduzierte Rohrquerschnittshöhe von nicht mehr als 1,3 mm, insbesondere von nicht mehr als 1,2 mm, bevorzugt nicht mehr als 1,1 mm, insbesondere nicht mehr als 1 mm aufweist. Wie auch im Falle einer reduzierten Rohrquerschnittshöhe von nicht mehr als 1,4 mm, hat es sich auch für diese Zahlenwerte überraschenderweise ergeben, dass trotz der verringerten Bauteilabmessungen und der damit einhergehenden verringerten Masse des Mehrkanalflachrohrs dennoch eine ausreichende Festigkeit und Wärmeübertragungsleistung sichergestellt werden kann.

Durch Vorsehen von Strömungskanälen mit einer höhenreduzierten Strömungskanalquerschnittsgeometrie kann eine besonders große Festigkeit des resultierenden Mehrkanalflachrohrs erzielt werden. Unter höhenreduzierter Strömungskanalquerschnittsgeometrie sind insbesondere Querschnittsgeometrien zu verstehen, bei denen die in Rohrquerrichtung des Mehrkanalflachrohrs gesehene Breite des Strömungskanals eine größere Abmessung aufweist als die in Rohrquerschnittshöhe des Mehrkanalflachrohrs gesehene Höhe des Strömungskanals. Dabei können beliebige, insbesondere auch unregelmäßige und asymmetrische Formen genutzt werden.

Als vorteilhaft haben sich Strömungskanäle mit einer zweizähligen Strömungskanalquerschnittsgeometrie erwiesen. Unter einer zweizähligen Strömungskanalquerschnittsgeometrie sind dabei Querschnittsgeometrien zu verstehen, die nach einer Drehung von 180° in sich selbst übergehen. Selbstverständlich sind in diesem Zusammenhang auch höherzählige Geometrien denkbar (Übergang in die gleiche Form nach einer Drehung von beispielsweise 90°, 60°, 45°, 30° oder aber auch nach einem beliebigen Drehwinkel). Auch an eine Punktsymetrie ist in diesem Zusammenhang zu denken. Derartige Formen erweisen sich als vorteilhaft hinsichtlich der Stabilität, der dem durchströmenden Kühlmittel angebotenen freien Querschnittsfläche und/oder der erzielbaren Wärmeübertragungsleistung des resultierenden Mehrkanalflachrohrs und damit des daraus aufgebauten Wärmeübertragers.

Als besonders vorteilhaft haben sich Strömungskanäle mit einem Kanalquerschnitt in Form eines liegenden Ovals, eines liegenden Rechtecks und/oder eines abgeflachten n-Ecks erwiesen. Im Falle von eckigen Formen können die Ecken selbstverständlich auch abgerundet ausgebildet werden. Auch sind Geometrien mit beliebigen Kombinationen aus Bögen mit unterschiedlichen Radien und/oder Ecken denkbar.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn Strömungskanäle mit einer Querschnittsbreite von 0,8 mm–1,5 mm, bevorzugt von 0,9 mm–1,4 mm, besonders bevorzugt von 1,0 mm–1,3 mm, insbesondere von 1,1 mm–1,2 mm, bevorzugt von 1,15 mm vorgesehen werden. Ebenso haben sich Strömungskanäle mit einer Querschnittshöhe von 0,6 mm–1,1 mm, bevorzugt von 0,7 mm–1,0 mm, besonders bevorzugt von 0,8 mm–0,9 mm, insbesondere von 0,85 mm als vorteilhaft erwiesen.

Als günstig erweist es sich ferner, bei den Strömungskanälen ein Verhältnis von Querschnittsbreite zu Querschnittshöhe von 1,2–1,5, bevorzugt 1,25–1,45, besonders bevorzugt 1,3–1,4, insbesondere von 1,35 vorzusehen.

Der hydraulische Durchmesser der Strömungskanäle wird bevorzugt zwischen 0,9 mm–1,05 mm, bevorzugt zwischen 0,93 mm–1,03 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,95 mm–1,0 mm, insbesondere von 0,97 mm gewählt. Unter dem hydraulischen Durchmesser ist dabei die übliche Definition zu verstehen, bei der sich der hydraulische Durchmesser aus dem Vierfachen der freien Querschnittsfläche eines einzelnen Strömungskanals geteilt durch den Umfang des entsprechenden Strömungskanals ergibt.

Die Wandstärke des Mehrkanalflachrohrs wird vorzugsweise zwischen 0,25 mm und 0,3 mm, bevorzugt zwischen 0,26 mm und 0,29 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,27 mm und 0,28 mm, insbesondere mit 0,27 mm festgelegt. Die genannten Werte beziehen sich dabei vorzugsweise auf die dünnsten Stellen, da sich beispielsweise im Falle von ovalen Strömungskanälen die Wandstärke längs der Kontur verändert.

Als besonders vorteilhaft hat sich ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Mehrkanalflachrohrs zur freien Querschnittsfläche der Strömungskanäle von 2,7–3,3, bevorzugt 2,8–3,2, besonders bevorzugt 2,9–3,1, insbesondere von 3,0 ergeben.

Weiterhin hat sich ein Abstand der Strömungskanäle zueinander von 1,58 mm–1,64 mm, bevorzugt von 1,59 mm–1,63 mm, besonders bevorzugt von 1,60 mm–1,62 mm, insbesondere von 1,61 mm als vorteilhaft erwiesen.

Bei den oben angegebenen Bemessungsangaben können – bei Verwendung einzelner Werte aber auch bei einer Kombination von mehreren oder sämtlichen der angegebenen Werte – besonders vorteilhafte Mehrkanalflachrohre resultieren, insbesondere hinsichtlich einer besonders vorteilhaften Kombination aus Stabilität, geringem Gewicht und/oder hoher Wärme übertragungsleistung. Selbstverständlich sind jedoch auch andere als die angegebenen Werte verwendbar.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich, wenn die Strömungskanäle zumindest bereichsweise eine oberflächenvergrößernde Innenstrukturierung aufweisen. Dadurch kann die Wärmeübertragungsleistung nochmals vergrößert werden.

Im Übrigen wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es im Falle der vorgeschlagenen Mehrkanalflachrohre auch möglich ist, dass nur ein Teil der im Mehrkanalflachrohr vorhandenen Strömungskanäle gemäß einer oder mehrerer der vorab beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist.

Als besonders geeignetes Material – insbesondere bezüglich des Gewichts und der Kosten – hat sich Aluminium oder eine Aluminiumlegierung erwiesen.

Schließlich wird ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Wärmeübertrager für einen R744-Kältemittelkreislauf vorgeschlagen, der zumindest ein Mehrkanalflachrohr gemäß der obigen Beschreibung aufweist. Vorteilhaft ist auch ein Kältemittelkreislauf mit R744 (CO₂; Kohlendioxid) als Kältemittel, der zumindest ein Mehrkanalflachrohr gemäß der obigen Beschreibung aufweist.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mehrkanalflachrohrs im Querschnitt;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Mehrkanalflachrohrs im Querschnitt;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Mehrkanalflachrohrs im Querschnitt;
4 einen Querschnittsausschnitt eines Mehrkanalflachrohrs gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt ein Mehrkanalflachrohr 1 mit einer Mehrzahl von nebeneinander liegenden, zueinander parallel verlaufenden Strömungskanälen 2 im Querschnitt. Die Strömungskanäle 2 weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ovalen Querschnitt auf. Das Mehrkanalflachrohr 1 selbst wird in an sich bekannter Weise aus einem Aluminiummaterial bzw. einer Aluminium enthaltenden Metall-Legierung mit Hilfe eines Strangpreß-Verfahrens gefertigt.
Die Ovale 2 liegen dabei flach, das heißt mit ihrer Längsachse a in Querrichtung L des Flachrohres 1. Der kleinere Durchmesser b der Ovale 2 verläuft in Richtung der Querschnittshöhe h des Mehrkanalflachrohrs 1. Die in der Mitte liegenden Strömungskanäle 2 weisen jeweils einen gleichartigen Querschnitt auf und sind mit einem Abstand T zueinander angeordnet (jeweils z. B. Strömungskanalmitte zu Strömungskanalmitte). Die Wandstärke w zwischen Oberseite 6 des Mehrkanalflachrohrs und Strömungskanal 2 bzw. zwischen Strömungskanal 2 und der Unterseite 7 des Mehrkanalflachrohrs 1 (jeweils am Ort der geringsten Dicke gemessen) steht mit der Flachrohrhöhe h und der Strömungskanalhöhe b über die Beziehung h = 2 × w + b in Verbindung. Es ist jedoch auch denkbar, dass abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel die Wandstärke w zwischen Oberseite 6 und dem Strömungskanal 2 bzw. dem Strömungskanal 2 und der Unterseite 7 unterschiedlich ist.
Weiterhin ist bei dem im 1 dargestellten Mehrkanalflachrohr 1 im linken Endbereich 8 sowie im rechten Endbereich 9 jeweils ein zusätzlicher Rund kanal 3 mit jeweils kreisrundem Querschnitt ausgebildet. Selbstverständlich ist es ebenso denkbar, dass eine größere Anzahl an Rundkanälen, oder aber auch nur einer oder kein Rundkanal 3 vorgesehen wird.
In der folgenden Tabelle sind vorteilhafte Bemessungsangaben für das in 1 dargestellte Mehrkanalflachrohr angegeben.
In 2 ist ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel eines der Erfindung folgenden Mehrkanalflachrohres dargestellt. Das hier dargestellte Mehrkanalflachrohr 1 weist Strömungskanäle 4 mit einem rechteckigen Kanalquerschnitt auf. Zusätzlich sind – ähnlich wie in 1 – in den Endbereichen 8, 9 zusätzliche kreisrunde Strömungskanäle 3 vorgesehen.
In 3 ist ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel eines Mehrkanalflachrohrs 1 dargestellt, bei dem die Strömungskanäle 5 eine sechseckige Querschnittsform aufweisen. Die Sechsecke weisen eine gegenüber ihrer Höhe b größere Breite a auf, sind also nicht regelmäßig geformt. Jedoch ist der Querschnitt derart ausgeführt, dass ihre Querschnittsform nach einer Drehung um 180° jeweils in sich selbst übergeht (zweizählige Symmetrie).
Selbstverständlich ist es sowohl bei den in 2 dargestellten rechteckigen Strömungskanälen 4, als auch bei den in 3 dargestellten sechseckigen Strömungskanälen 5 möglich, die in der Tabelle angegebenen Bemaßungen im Wesentlichen gleichartig zu übernehmen.
Auch ist es möglich, bei einem Mehrkanalflachrohr unterschiedlich geformte Strömungskanäle 2, 4, 5 – einschließlich ovaler Strömungskanäle 2 – miteinander zu vermischen.
In 4 ist schließlich noch angedeutet, wie bei einem Mehrkanalflachrohr 1 mit Strömungskanälen 2 mit ovalem Querschnitt entlang der Strömungskanalinnenseite 10 zusätzliche oberflächenvergrößernde Strukturen 11 ausgebildet werden können, die bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel als dreieckförmige Berippung ausgeführt ist. Hier sind selbstverständlich auch andere Formen denkbar.

Claims

Mehrkanalflachrohr (1) für einen Wärmeübertrager mit mehreren in Rohrquerrichtung (L) nebeneinander liegenden parallelen Strömungskanälen (2, 4, 5), gekennzeichnet durch eine reduzierte Rohrquerschnittshöhe (h) von nicht mehr als 1,4 mm.
Mehrkanalflachrohr (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine reduzierte Rohrquerschnittshöhe (h) von nicht mehr als 1,3 mm, insbesondere von nicht mehr als 1,2 mm, bevorzugt nicht mehr als 1,1 mm, insbesondere nicht mehr als 1 mm.
Mehrkanalflachrohr (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Strömungskanäle (2, 4, 5) mit einer höhenreduzierten (b) Strömungskanalquerschnittsgeometrie.
Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Strömungskanäle (2, 4, 5) mit einer 2-zähligen Strömungskanalquerschnittsgeometrie.
Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Strömungskanäle (2, 4, 5) mit einem Kanalquerschnitt in Form eines liegenden Ovals (2), eines liegenden Rechtecks (4) und/oder eines liegenden abgeflachten n-Ecks (5).
Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Strömungskanäle (2, 4, 5) mit einer Querschnittsbreite (a) von 0,8 mm–1,5 mm, bevorzugt 0,9 mm–1,4 mm, besonders bevorzugt 1,0 mm–1,3 mm, insbesondere 1,1 mm–1,2 mm, bevorzugt 1,15 mm.
Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Strömungskanäle (2, 4, 5) mit einer Querschnittshöhe (b) von 0,6 mm–1,1 mm, bevorzugt 0,7 mm–1,0 mm, besonders bevorzugt 0,8 mm–0,9 mm, insbesondere 0,85 mm.
Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Strömungskanäle (2, 4, 5) mit einem Verhältnis von Querschnittsbreite (a) zu Querschnittshöhe (b) von 1,2–1,5, bevorzugt 1,25–1,45, besonders bevorzugt 1,3–1,4, insbesondere 1,35.
Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Strömungskanäle (2, 4, 5) mit einem hydraulischen Durchmesser von 0,9 mm–1,05 mm, bevorzugt 0,93 mm–1,03 mm, besonders bevorzugt 0,95 mm–1,0 mm, insbesondere 0,97 mm.
Mehrkanalflachrohr (1) mit einer Wandstärke (w) zwischen 0,25 mm–0,3 mm, bevorzugt 0,26 mm–0,29 mm, besonders bevorzugt 0,27 mm–0,28 mm, insbesondere 0,27 mm.
Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Mehrkanalflachrohrs (1) zur freien Querschnittsfläche der Strö mungskanäle (2, 4, 5) von 2,7–3,3, bevorzugt 2,8–3,2, besonders bevorzugt 2,9–3,1, insbesondere 3,0.
Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Abstand (T) der Strömungskanäle (2, 4, 5) zueinander von 1,58 mm–1,64 mm, bevorzugt 1,59 mm–1,63 mm, besonders bevorzugt 1,60 mm–1,62 mm, insbesondere 1,61 mm.
Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zumindest bereichsweise oberflächenvergrößernde Innenstrukturierung (11) der Strömungskanäle (2).
Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das zumindest teilweise aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist.
Wärmeübertrager, insbesondere Wärmeübertrager für einen R744-Kältemittelkreislauf mit zumindest einem Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der Ansprüche 1–14.
Kältemittelkreislauf mit R744 als Kältemittel, aufweisend zumindest ein Mehrkanalflachrohr (1) nach einem der Ansprüche 1–14.