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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager,
insbesondere für
ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Durch
die DE-A 102 60 107 der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
bekannt, der durch eine druckstabile Bauweise gekennzeichnet ist,
wie sie insbesondere bei mit CO2 betriebenen Klimaanlagen Verwendung findet.
Die von Kältemittel
durchströmbaren
Rohre sind als Mehrkammerflachrohre ausgebildet, welche mit Sammel- und/oder Verteileinrichtungen
sowie Umlenkeinrichtungen kommunizierend in Verbindung stehen. Die
Sammel- und/oder Verteileinrichtungen sind dabei durch eine druckstabile
Plattenbauweise gekennzeichnet, die sich im Wesentlichen aus einer Bodenplatte,
einer Verteilplatte und einer Deckplatte zusammensetzt. Das Kältemittel,
R744, ist bei dem bekannten Wärmeübertrager
auf unterschiedlichste Weise durch die Rohre geführt, wobei grundsätzlich Umlenkungen
in der Breite (parallel zur Stirnfläche) und in der Tiefe (in oder
entgegen der Strömungsrichtung
der Luft) möglich
sind. Nachteilig bei diesem Wärmeübertrager
ist, dass die Ein- und Austrittskanäle bzw. der Kältemitteleintritt
und -austritt nicht optimal thermisch voneinander isoliert sind,
sondern vielmehr über
die gemeinsamen Platten in wärmeleitender
Verbindung stehen.
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Durch
die DE-A 199 06 289 wurde ein Wärmeübertrager
für einen
CO2-Kältekreislauf
bekannt, bei welchem das Kältemittel
vom Kältemitteleintritt bis
zum Kältemittelaustritt
lediglich in der Breite umgelenkt wird, sodass es den gesamten Wärmeübertragerblock
dreiflutig, d. h. in drei Durchgängen durchströmt. Die
Sammelkästen,
welche die Rohrenden aufnehmen, sind aus Gründen der Innendruckstabilität in zwei
kreisförmige
Querschnitte aufgeteilt, die miteinander kommunizieren. Eine Umlenkung des
Kältemittels
in der Tiefe, d. h. ein Kreuz-Gegenstrom mit der Luft ist hier nicht
vorgesehen, was die Leistung dieses Wärmeübertragers beschränkt.
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Eine ähnliche
Bauweise wurde durch die WO 98/51983 bekannt, wobei ein druckfester
Wärmeübertrager
aus Flachrohren und Sammelrohren aufgebaut ist, die jeweils aus
mehreren miteinander kommunizierenden Kreisquerschnitten aufgebaut
sind. Die Sammelrohre sind als Extrusionsteile herstellbar und somit
besonders innendruckfest, allerdings auch mit entsprechenden Kosten
verbunden. Auch hier findet nur eine Umlenkung des Kältemittels
in der Breite und nicht in der Tiefe statt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten
Art, insbesondere mit Umlenkmöglichkeiten
in der Breite und/oder in der Tiefe hinsichtlich seiner Sammel- und/oder
Verteileinrichtungen zu verbessern, wobei insbesondere auch eine
thermische Trennung von Strömungskanälen mit
hoher Temperaturdifferenz gegeben ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Sammel- und/oder Verteileinrichtung als mindestens ein
C-Profil ausgebildet ist, welches durch einen eingeschobenen Rechen
geschlossen wird. Das C-Profil kann als Halbzeug bezogen oder aus
einem flachen Blech abgekantet werden. Die Öffnungen zur Aufnahme von Rohrenden,
so genannte Durchzüge,
können
einfach durch Stanzen oder Stanzprägen hergestellt werden. Der
Rechen, d. h. eine Leiste mit Aussparungen im Bereich der Durchzüge kann
als flaches Stanzteil mit beliebigen Formen ausgebildet werden,
z. B. mit zungenförmigen
Trennstegen, die in das C-Profil hineinreichen und eine Unterteilung
des C-Profils in einzelne Kammern bewirken. Die Trennstege, die
als Trennwände wirken, können an
beliebiger Stelle jeweils zwischen den Durchzügen angeordnet werden. Das
C-Profil wird mit dem Rechen und den Rohrenden verlötet und
stellt somit eine preisgünstige
druckfeste Lösung dar.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind für zwei Rohrreihen zwei C-Profile im Abstand nebeneinander
angeordnet, d. h. in Luftströmungsrichtung
hintereinander. Durch den Abstand beider C-Profile ergibt sich der
Vorteil einer thermischen Trennung, d. h. es wird verhindert, dass
Wärme von dem
C-Profil höherer
Temperatur zum C-Profil niedrigerer Temperatur fließt und damit
den Wirkungsgrad des Wärmeübertragers
verschlechtert.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind auf der
den C-Profilen abgewandten Seite
des Blockes Umlenkeinrichtungen vorgesehen, die vorzugsweise als
U-Profil mit einem eingesetzten Wellenprofil ausgebildet sind, wobei
jeweils eine „Welle" eine Umlenkkammer
bildet und zwei Rohrenden miteinander verbindet. Damit kann eine
Umlenkung in der Tiefe, vorzugsweise entgegen der Luftströmungsrichtung,
d. h. zur Erzeugung eines Gegenstromes bewirkt werden. Das erste
Strömungsmedium,
vorzugsweise Kohlendioxid tritt also zunächst in ein leeseitiges C-Profil
ein, durchströmt eine
leeseitige Rohrreihe oder leeseitig angeordnete Strömungskanäle, wird über die
Umlenkeinrichtung entgegen der Luftströmungsrichtung umgelenkt und durchströmt eine
luvseitige Rohrreihe oder Strömungskanäle bis zum
Erreichen des luvseitigen C-Profils, wo das Kältemittel inzwischen eine erheblich
geringere Temperatur als beim Eintritt aufweist. Durch den erfindungsgemäßen Abstand
zwischen beiden C-Profilen kann Wärme vom leeseitigen C-Profil
nicht zum luvseitigen C-Profil fließen und dort das Kältemittel
wieder erwärmen.
Diese thermische Trennung wirkt sich somit besonders vorteilhaft
bei Gaskühlern
mit fallender oder gleitender Temperatur des überkritischen Kältemittels
aus. Die lee- und luvseitigen Strömungskanäle können als getrennte Rohrreihen,
z. B. zwei Reihen von Flachrohren oder auch als durchgehendes Flachrohr
mit entgegengesetzt durchströmbaren
Strömungskanälen ausgebildet
sein.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das C-Profil auch als
Umlenkeinrichtung verwendet werden, indem zwischen beiden Schenkeln eine
Leis te eingeschoben wird, die entweder die Form eines Rechens oder
einer Platte mit Schlitzen aufweisen kann. Die Schlitze sind als
Langlöcher ausgebildet
und umfassen die Rohrenden – sie
bilden bei einer zweireihigen Rohranordnung einen Übertrittskanal
von einer zur anderen Rohrreihe.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind an den Leisten,
Rechen oder Platten, Anschläge
zur Begrenzung der Einstecktiefe der Rohre vorgesehen und vorzugsweise
als Absätze ausgebildet,
welche die Rohrenden, vorzugsweise an deren Schmalseiten übergreifen.
Damit können die
Rohre auf einfache Weise stets mit derselben Einstecktiefe montiert
werden.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann in der Leiste,
insbesondere der Platte, kommunizierend zu den Langlöchern, ein
Sammelkanal für
aus den Rohren austretendes Kältemittel
angeordnet sein. Damit kann eine Parallelschaltung der Rohre, sei
es für
eine zweireihige oder eine einreihige Anordnung ermöglicht werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung können beide C-Profile durch
an den Rechen angeordnete Trennstege in jeweils zwei Kammern unterteilt werden,
sodass sich für
den gesamten Wärmeübertrager
vier Kammern ergeben, von denen zwei sich etwa diagonal gegenüberliegende
Kammern durch eine Übertrittseinrichtung
miteinander verbunden sind. Damit ergibt sich der Vorteil, dass
der Wärmeübertrager
zweimal, jeweils halbseitig im Gegenstrom durchströmbar ist.
Dies erhöht
den Wärmeübertragungswirkungsgrad.
Möglich
ist auch, durch mehrere Trennstege mehrere Kammern zu schaffen,
die durch mehrere Übertrittseinrichtungen
verbunden sind.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Übertrittseinrichtung
jeweils einen Durchbruch im Stegbereich des C-Profils auf und ein Übertrittsteil,
welches einen Verbindungs- oder Übertrittskanal
zwischen beiden C-Profilen bildet. Das Kältemittel tritt somit in die
erste leeseitig gelegene Kammer ein, durchströmt nach Umlenkung in der Tiefe
die zweite luvseitig angeordnete Kammer, tritt dann in die dritte
leeseitig gelegene Kammer über und
verlässt
den Wärmeübertrager über die
vierte luvseitig gelegene Kammer des luvseitigen C-Profils – damit
liegen sich Kältemitteleintritt-
und – austritt etwa
diagonal gegenüber,
d. h. sie sind weitestgehend thermisch gegeneinander isoliert (eine
wärmeleitende
Verbindung besteht nur im mittleren Übertrittsbereich).
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Der
erfindungsgemäße gelötete Wärmeübertrager
ist insbesondere als Gaskühler
einer CO2-Klimaanlage vorteilhaft verwendbar, weil die erfindungsgemäßen Sammel-,
Verteil- und Umlenkeinrichtungen einerseits druckfest und andererseits
variabel hinsichtlich der Strömungsführung sind
und somit Umlenkungen des Kältemittels
sowohl in der Breite als auch in der Tiefe ermöglichen, wodurch eine effektive
Abkühlung
des Kältemittels
vom Eintritt bis zum Austritt möglich
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 einen
Ausschnitt eines Gaskühlers
mit C-Profil und eingesetztem Rechen,
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1a einen
Abschnitt eines Rechens mit Trennsteg,
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2 einen
Querschnitt durch den Gaskühler
mit zwei C-Profilen und Übertrittsbereich,
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3 eine
Ansicht von oben auf die C-Profile mit Übertrittsbereich,
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4 einen
Ausschnitt des Gaskühlers
mit Umlenkeinrichtung,
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5 eine
alternative Form einer Umlenkeinrichtung mit C-Profil und Rohreinstecktiefenbegrenzung,
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6 einen
Schnitt durch eine weitere Umlenkeinrichtung mit Rohreinstecktiefenbegrenzung und
Sammelkanal,
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7 ein
einreihiges System mit C-Profil und Rechen und
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8 ein
einreihiges System mit C-Profil und Schlitzplatte.
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1 zeigt
einen Ausschnitt eines Gaskühlers 1 mit
einem Gaskühlerblock 2,
bestehend aus Flachrohren 3 und zwischen diesen angeordneten Wellrippen 4.
Die Flachrohre 3 sind in zwei Reihen angeordnet und mit
den Wellrippen 4 verlötet.
Auf eine Reihe der Flachrohre 3 ist ein C-Profil 5 aufgesteckt,
welches längliche Öffnungen 6,
so genannte Durchzüge,
zur Aufnahme der Rohrenden der Flachrohre 3 aufweist. In
die offene Seite des C-Profils ist ein Rechen 7 eingesetzt,
welcher im Bereich der Durchzüge 6 Aussparungen 7a für die Rohrenden und
einen Trennsteg 7b aufweist. Das C-Profil 5 weist
zwei als flache Seiten ausgebildete Schenkel 5a, 5b auf,
welche durch einen Steg 5c verbunden sind. Das C-Profil
kann durch Abkanten aus einem ebenen Blech hergestellt werden, wobei
vor dem Abkanten die Durchzüge 6 durch
Stanzprägen
herstellbar sind.
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1a zeigt
den Rechen 7 (teilweise) als Einzelteil mit dem Trennsteg 7b,
wie er auch in 1 dargestellt ist. Das C-Profil,
welches mit den Rohrenden der Flachrohre 3 und mit dem
Rechen 7 verlötet ist,
bildet einen Sammel- oder
Verteilerkanal, welcher durch den Trennsteg 7b unterbrochen
wird. Damit können
innerhalb des C-Profils zwei oder mehrere Kammern gebildet werden.
Das C-Profil 5 ist endseitig durch einen Endsteg 7c am
Ende des Rechens 7 geschlossen.
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2 zeigt
einen Querschnitt im oberen Bereich des Gaskühlers 1 mit einer
ersten Rohrreihe I und einer zweiten Rohrreihe II. Die Luftströmungsrichtung
ist durch einen Pfeil L dargestellt; somit ist die Rohrreihe I die
leeseitige (stromabwärts
gelegene) und die Rohrreihe II die luvseitige (stromaufwärts gelegene).
Auf der luvseitigen Rohrreihe II ist das C-Profil 5 und
auf der leeseitigen Rohrreihe I ist ein weiteres C-Profil 8 angeordnet,
welches ebenfalls durch einen Rechen 9 nach außen abgeschlossen und
spiegelbildlich zum C-Profil 5 mit Rechen 7 ausgebildet
ist. Beide C-Profile bilden Strömungskanäle 10, 11,
welche durch einen Übertrittskanal 12 miteinander
verbunden sind. Zwischen beiden C-Profilen 5, 8 besteht
ein Abstand a, in welchen ein T-förmig ausgebildetes Übertrittsteil 13 eingesetzt
und mit den beiden C-Profilen 5, 8 verlötet ist.
Der Übertrittskanal 12 wird – wie aus
der Zeichnung ersichtlich – durch Durchbrüche in den
Stegbereichen der C-Profile 5, 8 und des T-förmigen Übertrittsteiles 13 gebildet.
Ein solcher Übertrittsbereich
ist vorzugsweise in der Mitte des Wärmeübertragers bzw. im mittleren
Bereich der beiden C-Profil 5, 8 angeordnet, sodass
ein Übertritt des
Kältemittels
von der luvseitigen Kammer 10 in die leeseitige Kammer 11 ermöglicht wird.
Je nach Zahl der Umlenkungen des Kältemittels in der Tiefe können auch
mehrere solcher Übertrittsbereiche
an einem Wärmeübertrager
vorgesehen sein.
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3 zeigt
den Übertrittsbereich
gemäß 2 in
einer Ansicht von oben auf die beiden C-Profile 5, 8,
die im Bereich ihrer Stege 5c, 8c geschnitten
sind. Der Abstand a zwischen den beiden C-Profilen 5, 8 bewirkt
eine thermische Entkopplung. Das vordere C-Profil 5 ist
durch den Trennsteg 7b des Rechens 7 in zwei Strömungskammern 10, 14 und
das hintere C-Profil 8 durch einen Trennsteg 9b des
Rechens 9 in zwei Strömungskammern 11, 15 unterteilt.
Die beiden Trennstege 7b, 9b sind versetzt zueinander
angeordnet, sodass sich zwischen den Kammern 10, 11 eine Überlappung
bildet, innerhalb welcher der Übertrittskanal 12 angeordnet
ist, der im Bereich des Abstandes a durch das T-förmig ausgebildete Übertrittsteil 13 gebildet
wird. Somit erfolgt eine Z-förmige
Strömungsumlenkung
des Kältemittels
von der Kammer 10 in die Kammer 11. Dabei ist die
Strömungskammer 15 die
Eintrittskammer für
das Kältemittel
und die Strömungskammer 14 die
Austrittskammer für
das Kältemittel
aus dem Gaskühler 1.
Der nicht dargestellte Kältemitteleintritt
und der ebenfalls nicht dargestellte Kältemittelaustritt liegen sich
somit quasi diagonal gegenüber
und weisen einen maximalen Abstand auf, was sich für den Wirkungsgrad
des Gaskühlers
als günstig
erweist, insbesondere auch in Verbindung mit der thermischen Entkoppelung
durch den Abstand a beider C-Profile 5, 8.
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4 zeigt
die den C-Profilen 5, 8 abgewandte Seite des Gaskühlers 1 mit
einer Umlenkeinrichtung 16, die im Wesentlichen aus einem
U-Profil 17 mit einem Wellenprofil 18 besteht.
Das U-Profil 17 weist einen flachen Stegbereich 17a auf,
welcher als Rohrboden fungiert und ausgestanzte Durchzüge 19 zur
Aufnahme der Rohrenden der Flachrohre 3 aufweist. Beiderseits
des Rohrbodens 17a sind U-Schenkel 17b, 17c im
rechten Winkel abgekantet, die zwischen sich das Wellenprofil 18 aufnehmen und
mit diesem dicht verlötet
sind. Das Wellenprofil 18 weist eine Vielzahl von „Wellen" 18a, 18b ...,
die jeweils Umlenkkammern bilden und mit Rohren der ersten und der
zweiten Rohreihe I, II kommunizieren. Das Wellenprofil 18 ist
einerseits stirnseitig mit den beiden Schenkeln 17b, 17c verlötet und
andererseits mit seinen nicht dargestellten Wellenkämmen mit dem
Rohrboden 17a. Durch diese Umlenkeinrichtung 16 wird
somit eine Umlenkung in der Tiefe bewirkt.
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Das
oben beschriebene Ausführungsbeispiel stellt
nur eine Möglichkeit
von vielen für
die Strömungsführung des
Kältemittels
innerhalb des erfindungsgemäßen Gaskühlers 1 dar.
Beispielsweise kann der in 2 und 3 beschriebene Übertrittsbereich
entfallen, sodass beide C-Profile 5, 8 kältemittelseitig
nicht miteinander verbunden, vielmehr völlig getrennt sind. Die Anordnung
der Trennstege könnte
beispielsweise dahingehend abgeändert
werden, dass nur der leeseitige Rechen 9 einen etwa mittleren
Trennsteg 9b aufweist, der luvseitige Rechen 7 dagegen
keinen Trennsteg. Dies hätte
zur Folge, dass das Kältemittel,
welches in die Eintrittskammer 15 eintritt, nach Umlenkung
durch die Umlenkeinrichtung 16 die zweite Kammer 10 erreicht und
sich dann auf die Kammer 14 verteilen würde. Nach der Umlenkung in
der Tiefe über
die Umlenkeinrichtung 16 würde also durch die Strömung von der
Kammer 10 in die Kammer 14 eine Umlenkung in der
Breite erfolgen. Nach erneuter Umlenkung in der Tiefe, jetzt in
Luftströmungsrichtung
L, würde
die Kammer 11 vom Kältemittel
erreicht, die jetzt Austrittskammer wäre. Weitere Strömungsführungen
im Rahmen der Erfindung sind möglich.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Umlenkeinrichtung 20,
welche als C-Profil 21 mit zwei parallel angeordneten Schenkeln 21a, 21b und
einem Steg 21c ausgebildet ist. Zwischen die beiden Schenkel 21a, 21b ist
eine Platte 22 eingeschoben, welche Schlitze 23 in
Form von Langlöchern
aufweist. Innerhalb der Langlöcher
münden Rohrenden 24, 25,
welche durch den unteren Schenkel 21a, welcher als Rohrboden
fungiert, durchgesteckt sind. Der Block des Wärmeübertragers, bestehend aus Rohren
und Rippen, ist hier nicht dargestellt. An der dem Schenkel 21a zugewandten
Seite der Platte 22 sind Absätze 26, 27 angeordnet,
welche die Rohrenden 24, 25 an ihren Schmalseiten
teilweise übergreifen
und somit als Begrenzung für
die Einstecktiefe der Rohre wirken. Die Langlöcher 23 bilden einen Übertrittskanal
für die
Rohre 24, 25 bzw. der ersten und der zweiten Rohrreihe.
Die Montage der Umlenkeinrichtung 20 erfolgt in der Weise,
dass zunächst
die Platte 22 in den Spalt zwischen den beiden Schenkeln 21a, 21b geschoben
und in dieser Position fixiert wird, was form- oder kraftschlüssig erfolgen
kann. Danach wird die Umlenkeinrichtung 20 auf die Rohrenden 24, 25 des
fertigen, nicht dargestellten Blockes aufgesteckt, wobei die Rohrenden 24, 25 mit
ihren Oberkanten in Anschlag mit den Absätzen 26, 27 kommen.
Danach kann der Wärmeübertrager
verlötet
werden.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Umlenkeinrichtung 28 in
einer Schnittdarstellung. Das C-Profil 29 ist hier gestrichelt
dargestellt. Innerhalb des Profils 29 befindet sich eine
Platte 30, welche an ihrer Unterseite vier Absätze 31a, 31b, 31c, 31d aufweist,
welche jeweils die Schmalseitenoberkanten der beiden Flachrohre 32, 33 übergreifen und
damit eine Einstecktiefenbegrenzung bilden. Oberhalb der Rohre 32, 33 sind
in der Platte 30 zwei Langlöcher 34, 35 und
darüber
ein senkrecht zur Zeichenebene verlaufender Sammelkanal 36 für aus den
Rohren 32, 33 in Richtung der Pfeile P austretendes
Kältemittel
angeordnet. Diese Anordnung mit Sammelkanal 36 erlaubt
eine Paralleldurchströmung der
Rohre 32, 33, d. h. in gleicher Richtung, wie
durch die Pfeile P dargestellt. Das austretende Kältemittel wird
dann über
den Sammelkanal 36 dem Austritt des Wärmeübertragers zugeführt.
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7 zeigt
ein Wärmeübertrager 37 als
einreihiges System, d. h. mit nur einer Reihe von Flachrohren 38,
welche vom unteren Schenkel 39a des C-Profils 39 aufgenommen werden.
In das C-Profil 39 ist ein Rechen 40 – wie oben
beschrieben – eingeschoben.
Der plattenförmig
ausgebildete Rechen 40 weist an seiner Unterseite einen
Absatz 41 auf, welcher die Schmalseite des Rohrendes 38 übergreift und
damit einen Anschlag zur (einseitigen) Begrenzung der Einstecktiefe
bildet. Seitlich kann der Wärmeübertrager 37 durch
nicht dargestellte Seitenteile abgeschlossen werden, welche mit
ihren Enden durch nicht dargestellte Schlitze im C-Profil 39 gesteckt
werden.
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen
einreihigen Wärmeübertrager 42 mit
C-Profil 43 und eingeschobener Platte 44, welche
im Bereich der Rohrenden 45 Schlitze in Form von Langlöchern 46 aufweist.
Im Bereich der Schmalseiten der Rohrenden 45 sind Absätze 47, 48 als
beidseitige Einstecktiefenbegrenzung vorgesehen.
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Die
Erfindung ist nicht auf das Kältemittel R747
(CO2) beschränkt,
sondern erstreckt sich auch auf Wärmeübertrager, die mit dem Kältemittel
R134a oder R152 betrieben werden.