DE102005045539A1

DE102005045539A1 - Innerer Wärmetauscher für einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage

Info

Publication number: DE102005045539A1
Application number: DE200510045539
Authority: DE
Inventors: Roland Haussmann
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2007-03-29
Also published as: EP1767887A2; EP1767887A3

Abstract

Ein innerer Wärmetauscher für einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage umfaßt mehrere von dem Kältemittel durchströmte, parallel angeordnete Wärmetauscherrohre und je einen Verteilerkopf (50), der die Enden der Wärmetauscherrohre unter Bildung wenigstens einer Verteilerkammer (48, 54) für das Kältemittel umschließt. Der Verteilerkopf (50) weist eine Umfangswand (56) in Form eines offenen Profilrohres auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen inneren Wärmetauscher für einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage, mit mehreren von dem Kältemittel durchströmten, parallel angeordneten Wärmetauscherrohren und je einem Verteilerkopf, der die Enden der Wärmetauscherrohre unter Bildung wenigstens einer Verteilerkammer für das Kältemittel umschließt. Als Kältemittel kommt dabei bevorzugt unter Hochdruck stehendes CO₂ zum Einsatz, jedoch ist auch jedes andere Kältemittel denkbar.

Ein solcher Wärmetauscher, der zusammen mit einem Gaskühler und einem niederdruckseitigen Sammler eine integrierte Baueinheit bildet, ist aus der DE 199 18 617 A1 bekannt. Der Wärmetauscher weist mehrere als Wärmetauscherrohre dienende Flachrohre auf, die zu zwei Rohrbündeln aufeinandergestapelt sind. Die Bündel sind mit einem dazwischenliegenden Spalt seitlich nebeneinander angeordnet und werden an ihren jeweiligen Enden von einem gemeinsamen Verteilerkopf umschlossen. Der Verteilerkopf ist durch ein zylindrisches Gehäuse gebildet, dessen Umfangswand zwei Ausnehmungen aufweist, in die die Rohrbündel eingeführt und seitlich mit dem Gehäuse verlötet werden.

Gegenüber diesem Stand der Technik schafft die Erfindung einen inneren Wärmetauscher der eingangs genannten Art, der sich durch einen vereinfachten und damit kostengünstigeren Herstellungsprozeß auszeichnet.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Verteilerkopf eine Umfangswand in Form eines offenen Profilrohres aufweist. Ein solches Profilrohr ist, verglichen mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Gehäuse, deutlich einfacher herzustellen und damit sehr viel kostengünstiger.

Vorzugsweise weist das offene Profilrohr offene Längsränder auf, an denen parallel zueinander verlaufende Abschnitte angeformt sind, an deren Innenflächen die Schmalseiten der Wärmetauscherrohre befestigt sind. Diese parallel zueinander verlaufenden Abschnitte der Umfangswand, die im übrigen auch parallel zum Bündel der Wärmetauscherrohre verlaufen, erleichtern eine Lötverbindung zwischen den Wärmetauscherrohren und dem Verteilerkopf sehr. Auch die Haltbarkeit der Lötverbindung wird aufgrund der gegenüber dem Stand der Technik deutlich größeren Kontaktflächen verbessert.

Der Verteilerkopf weist bevorzugt zwei zueinander parallele Stirnwände aufweist, die als separate Bauteile hergestellt und erst bei der Montage mit der Umfangswand verbunden werden. Dabei wird die Umfangswand bevorzugt durch Profilwalzen aus einem Aluminiumblech hergestellt, während die Stirnwände beispielsweise mittels numerisch gesteuertem Fräsen, Strangpressen oder Tiefziehen geformt werden. Da die Einzelteile zunächst noch nicht miteinander verbunden sind, kann das die Umfangswand bildende Profilrohr bei der Montage des Bündels von Wärmetauscherrohren (vor der Montage der Stirnwände) elastisch etwas aufgebogen werden, wodurch das Einbringen des Bündels in das Profilrohr erleichtert wird. Überdies läßt sich dadurch eine bessere Abdichtung zwischen den offenen Längsrändern des Profilrohres und dem Bündel erzielen. Ein weiterer Vorteil des aus separaten Bauteilen zusammengesetzten Verteilerkopfes besteht darin, daß der Abstand der beiden Stirnwände zueinander, die vorzugsweise parallel zur flachen Seite der Wärmetauscherrohre angeordnet sind, bei der Montage innerhalb gewisser Grenzen variiert werden kann, um so das Bündel von Wärmetauscherrohren mehr oder weniger stark zusammenzudrücken. Auf diese Weise lassen sich herstellungsbedingte Toleranzen in der Dicke der Rohre ausgleichen, die bei einem Bündel aus 15 Rohren bis zu ± 1,2 mm betragen können.

Vorteilhaft werden die Umfangswand und die zunächst separaten Stirnwände durch Crimpen miteinander verbunden. Im Gegensatz hierzu wird im Stand der Technik ein Verteilerkopf mit einer integralen Stirnwand verwendet, die vor der Montage der Wärmetauscherrohre mit der (zu diesem Zeitpunkt bereits lotbeschichteten) Umfangswand verschweißt wird. Hieraus ergibt sich das Problem, daß das Beschichtungsmaterial beim Schweißprozeß lokal in das Basismaterial eindiffundiert, was bei einem Verteilerkopf für einen inneren Wärmetauscher gemäß dem Stand der Technik das Risiko einer elektrochemischen Korrosion erhöht. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, bei der die Umfangswand und die Stirnwände durch Crimpen miteinander verbunden werden, ist es hingegen problemlos möglich, als Umfangswand ein profilgewalztes Aluminiumprofil vorzusehen, das bereits vor dem Walzen mit einer beidseitigen Lotbeschichtung, vorzugsweise AlSi₅ bis AlSi_12,5, versehen wurde, da auf einen Schweißprozeß beim Schließen des Verteilerkopfes verzichtet wird.

Vorzugsweise sind mehrere einstückig mit den Stirnwänden ausgebildete Anschlußstutzen vorgesehen, die insbesondere bei der Herstellung der Stirnwände direkt mit angeformt werden.

Weiterhin kann eine Trennwand vorgesehen sein, die den Innenraum des Verteilerkopfes strömungsmäßig in eine erste und eine zweite Verteilerkammer unterteilt, wobei sich ein Teil der Wärmetauscherrohre durch die erste Verteilerkammer hindurch in die zweite Verteilerkammer erstreckt. Diese Trennwand ist z.B. in entsprechende Nuten eingesetzt, die sowohl in der Umfangswand als auch den beiden Stirnwänden vorgesehen sind. Besonders vorteilhaft sind dabei im Falle separater Stirnwände die Nuten in den Stirnwänden tiefer ausgebildet, als dies zum Erreichen der Montageposition der Stirnwände nötig wäre. Auf diese Weise lassen sich, wie bereits erwähnt, die Dicke-Toleranzen der Wärmetauscherrohre bei der Montage eliminieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Wärmetauscherrohren um zu einem einzigen Bündel zusammengefaßte Flachrohre mit zwei unterschiedlichen Längen, und in der ersten Verteilerkammer sind zu beiden Seiten des Bündels Durchströmöffnungen für das Kältemittel vorgesehen. Im Gegensatz zum Stand der Technik also, bei dem zwei Bündel von Flachrohren mit einem dazwischenliegenden Spalt als Durchströmöffnung benötigt wurden, kommt die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einem einzigen Flachrohrbündel aus, wodurch sich die Bautiefe des inneren Wärmetauschers verringert. Dies ist möglich, da die erste Verteilerkammer, die die jeweils kürzeren Enden der Flachrohre miteinander verbindet, zu beiden Seiten des Bündels Durchströmöffnungen für das Kältemittel aufweist.

Vorteilhaft ist der bisher beschriebene innere Wärmetauscher Teil einer Baugruppe für einen Kältemittelkreislauf, insbesondere einer Kfz-Klimaanlage, die außerdem einen Gaskühler umfaßt, der mit dem Wärmetauscher zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist. So lassen sich der benötigte Einbauraum im Kraftfahrzeug sowie das Gewicht gegenüber Einzelkomponenten reduzieren. Außerdem können dadurch insbesondere für den Hochdruckbetrieb erforderliche druckfeste Verbindungsleitungen eingespart werden.

Um weiteren Bauraum im Inneren des Kraftfahrzeugs einzusparen, umfaßt die Baugruppe vorzugsweise zusätzlich einen niederdruckseitigen Sammler.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines Kältemittelkreislaufs unter Verwendung eines in einen Gaskühler integrierten inneren Wärmetauschers gemäß dem Stand der Technik;
2 ausschnittsweise eine Perspektivansicht des Wärmetauschers gemäß dem Stand der Technik aus 1;
3 einen Teillängsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher;
4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV durch den Wärmetauscher aus 3; und
5 ausschnittsweise einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Baugruppe aus einem Gaskühler, einem inneren Wärmetauscher und einem niederdruckseitigen Sammler.
1 zeigt einen CO₂-Hochdruck-Kältemittelkreislauf einer Kfz-Klimaanlage gemäß dem Stand der Technik, wie er aus der DE 199 18 617 A1 bekannt ist. Bei diesem wird das Kältemittel von einem Verdichter 12 über eine Hochdruckleitung 14 sowie einen Anschlußstutzen 16 einem Gaskühler 18 zugeführt. Stromabwärts an den Gaskühler 18 ist die Hochdruckseite eines inneren Wärmetauschers 20 angeschlossen, der gemeinsam mit dem Gaskühler 18 eine integrierte Baugruppe 10 bildet. Das Kältemittel durchströmt also die Hochdruckseite des Wärmetauschers 20 und tritt über einen Anschlußstutzen 22 aus der Baugruppe 10 aus. Über eine weitere Hochdruckleitung 24 wird das Kältemittel einer Drosseleinrichtung 26 zugeführt, die das Kältemittel entspannt und über eine Niederdruckleitung 28 zu einem Verdampfer 30 leitet. Der Verdampfer 30 überführt das flüssige Kältemittel zumindest teilweise in die gasförmige Phase. Über eine weitere Niederdruckleitung 32 strömt das Kältemittel zu einem Anschlußstutzen 34 eines niederdruckseitigen Sammlers 36. Auch der Sammler 36 ist als integraler Bestandteil der Baugruppe 10 ausgebildet, die somit den Gaskühler 18, den Wärmetauscher 20 sowie den Sammler 36 umfaßt. Nach dem Durchströmen des Sammlers 36 sowie der daran anschließenden Niederdruckseite des inneren Wärmetauschers 20 tritt die gasförmige Phase des Kältemittels über einen Anschlußstutzen 38 aus der Baugruppe 10 aus und wird über eine Niederdruck-Saugleitung 40 wieder dem Eingang des Verdichters 12 zugeführt.
Der Wärmetauscher 20 gemäß dem Stand der Technik umfaßt hierbei, wie am besten aus 2 ersichtlich ist, zwei identisch aufgebaute Bündel 42 von Flachrohren 44 bzw. 46, die zwei unterschiedliche Längen aufweisen und abwechselnd aufeinander geschichtet sind. Die Enden der kürzeren Flachrohre 44 münden jeweils in eine erste Verteilerkammer 48, die im Inneren eines Verteilerkopfes 50 ausgebildet und durch eine Trennwand 52 von einer zweiten, ebenfalls in dem Verteilerkopf 50 angeordneten Verteilerkammer 54 getrennt ist. Die langen Flachrohre 46 erstrecken sich dabei durch die Trennwand 52 hindurch in die zweite Verteilerkammer 54, wie auch aus 1 ersichtlich ist.
Der Verteilerkopf 50 selbst ist durch eine kreisringförmige Umfangswand 56 und eine integral mit dieser ausgebildete untere Stirnwand 58 sowie einen separaten Deckel 60 gebildet, wobei die Umfangswand rechteckige Öffnungen zur Durchführung der Bündel 42 aufweist. Zwischen den beiden parallel zueinander angeordneten Bündeln 42 ist ein Spalt 62 vorgesehen, der im Inneren der ersten Verteilerkammer 48 als Durchströmöffnung dient, über die das Kältemittel auch die zwischen den längeren Flachrohren 46 angeordneten kurzen Flachrohre 44 erreichen kann. Die erste Verteilerkammer 48 zusammen mit den kurzen Flachrohren 44 bildet die Hochdruckseite des Wärmetauschers 20, während die langen Flachrohre 46 zusammen mit der zweiten Verteilerkammer 54 die Niederdruckseite des Wärmetauschers 20 darstellen.
Der bisher beschriebene Wärmetauscher ist aus dem Stand der Technik, namentlich der DE 199 18 617 A1 , bekannt.
Die 3 und 4 zeigen einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 20, wobei gleiche oder funktionsgleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und im folgenden nur auf die Unterschiede zum Stand der Technik eingegangen werden soll.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Umfangswand 56 beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher 20 durch ein offenes Profilrohr gebildet, an dessen offenen Längsrändern parallel zueinander verlaufende Abschnitte 64 einstückig angeformt sind (siehe 3). Abgesehen von den parallelen Abschnitten 64 weist die Umfangswand 56 eine besonders druckstabile, annähernd kreisförmige Ausgestaltung auf. Das Profilrohr wird durch Rollformen aus einem beidseitig beschichteten Aluminiumblech hergestellt. Als Beschichtung kommt AlSi₅ bis AlSi_12,5 mit einer relativen Dicke von 5–10% zum Einsatz. Beide Stirnwände 58 und 60 des Verteilerkopfes 50 sind als separate Bauteile ausgebildet und werden erst nach der Montage der Wärmetauscherrohre mit der Umfangswand 56 verbunden, vorzugsweise durch Crimpen (4).
Wie auch im Stand der Technik sind die Wärmetauscherrohre als Flachrohre 44, 46 mit unterschiedlicher Länge ausgebildet, wobei abwechselnd ein kurzes Flachrohr 44 und ein langes Flachrohr 46 übereinandergestapelt sind und ein Bündel 42 bilden. Die Flachrohre 44, 46 werden durch Strang- bzw. Fließpressen hergestellt und anschließend mit einer Flußmittel- und Lotbeschichtung versehen (z.B. „Silflux"). Das Bündel 42 wird derart in die zwischen den parallelen Abschnitten 64 ausgebildete Öffnung ins Innere des Verteilerkopfes 50 eingeführt, daß die breiten Seiten der Flachrohre 44, 46 parallel zu den Stirnwänden 58, 60 liegen. Zu diesem Zweck kann die Umfangswand 56, da die Stirnwände 58, 60 noch nicht montiert sind, etwas aufgebogen werden, um das Einführen des Bündels 42 zu erleichtern.
Die Abschnitte 64 dienen anschließend zur Schaffung einer einfach herzustellenden und gegenüber dem Stand der Technik deutlich haltbareren Lötverbindung mit den Flachrohren 44, 46. Vergleicht man nämlich die 2 und 3 miteinander, so sieht man, daß bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß 3 eine wesentlich längere Kontaktfläche zwischen den Innenflächen der Abschnitte 64 und den Schmalseiten der Flachrohre 44, 46 besteht.
Ein weiterer, augenfälliger Unterschied zwischen der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und dem Stand der Technik besteht darin, daß erfindungsgemäß nur ein einziges Bündel 42 von Flachrohren vorgesehen ist. Durch die spezielle Formgebung der Umfangwand 56 sind nämlich im Inneren der ersten Verteilerkammer 48, die gemeinsam mit den kurzen Flachrohren 44 die Hochdruckseite des Wärmetauschers 20 bildet, zu beiden Seiten des Bündels 42 Durchströmöffnungen 66 für das Kältemittel gebildet. Folglich kann auf eine mittig angeordnete Durchströmöffnung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist und die Verwendung von zwei nebeneinander angeordneten Bündeln 42 erzwingt, verzichtet werden. Durch die seitlichen Durchströmöffnungen 66 kann das Kältemittel, das der ersten Verteilerkammer 48 über einen einstückig mit der Stirnwand 58 ausgebildeten Anschlußstutzen 68 zugeführt wird, seitlich an den langen Flachrohren 46 vorbei zu den in Strömungsrichtung gesehen unterhalb der langen Flachrohre 46 liegenden kurzen Flachrohren 44 gelangen.
Wiederum erfolgt die Unterteilung des Innenraums des Verteilerkopfes 50 in die erste Verteilerkammer und die zweite Verteilerkammer 54 mittels einer Trennwand 52, die in einander gegenüberliegenden Nuten 70 der Umfangswand 56 sowie entsprechenden in den Stirnwänden 58 und 60 vorgesehenen Nuten 72 angeordnet ist. Dabei sind die Nuten 72 in den Stirnwänden 58 und 60 etwas tiefer ausgebildet, als es der in 4 gezeigten Montageposition der Stirnwände 58, 60 entspricht. Dadurch ist es möglich, beide Stirnwände 58, 60 vor dem Verbinden mit der Umfangswand 56 etwas weiter nach innen zu bewegen und dadurch eventuelle Herstellungstoleranzen in der Dicke der Flachrohre 44, 46 auszugleichen.
Vorzugsweise werden die Enden der längeren Flachrohre 46 durch in der Trennwand 52 vorgesehene Schlitze geführt und mit dieser verbunden, bevor das Bündel 42 und die Trennwand 52 in den Verteilerkopf 50 bzw. dessen Umfangswand 56 eingebracht werden.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Baugruppe 10 für einen CO₂-Hochdruck-Kältemittelkreislauf, die einen Gaskühler 18, den in den 3 und 4 dargestellten Wärmetauscher 20 sowie einen niederdruckseitigen Sammler 36 umfaßt. Dabei ist die Baugruppe 10 im wesentlichen identisch mit der aus dem Stand der Technik bekannten Baugruppe gemäß 1, jedoch wird anstelle des aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauschers der erfindungsgemäße Wärmetauscher 20 eingesetzt.
Wiederum durchströmt das unter Hochdruck stehende Kältemittel, wie durch die Pfeile in 5 angedeutet, zunächst den Gaskühler 18, bevor es über den Anschlußstutzen 68 in die erste Verteilerkammer 48 gelangt. Hier wird das unter Hochdruck stehende Kältemittel auf die kurzen Flachrohre 44 verteilt, die es (in der 5) von rechts nach links durchströmt und über einen identisch aufgebauten, in seiner Einbaulage um 180° gedrehten Verteilerkopf 50 bzw. dessen erste Verteilerkammer 48 und den Anschlußstutzen 22 verläßt. Nach der Entspannung (nicht gezeigt) wird das Kältemittel dem niederdruckseitigen Sammler 36, der ebenfalls Bestandteil der Baugruppe 10 ist, zugeführt. Über einen Kanal 74 und einen Anschlußstutzen 76 tritt die gasförmige Phase des Kältemittels in die zweite Verteilerkammer 54 des in der Figur linken Verteilerkopfes 50 ein. Anschließend durchströmt das unter Niederdruck stehende Kältemittel die langen Flachrohre 46 in Richtung von links nach rechts und tritt über die zweite Verteilerkammer 54 des rechten Verteilerkopfes 50 sowie den Anschlußstutzen 38 wieder aus dem Wärmetauscher 20 bzw. der Baugruppe 10 aus. An den Anschlußstutzen 38 ist eine Saugleitung 40 eines Verdichters 12 (vgl. 1) angeschlossen.
Die Verbindung der drei Komponenten Wärmetauscher 20, Gaskühler 18 und Sammler 36 kann durch komplettes Verlöten in einem einzigen Vorgang erfolgen, alternativ ist auch eine Schweiß- oder Schraubverbindung möglich. Allerdings ist dann eine Abdichtung der Verbindungen bzw. Anschlußstutzen erforderlich.
Natürlich kann der Wärmetauscher 20 auch (bezogen auf die Einbaulage im Fahrzeug) oberhalb des Gaskühlers 18 angeordnet sein, anstatt unterhalb, wie in 5 gezeigt. Eine besonders geringe Einbautiefe ergibt sich durch eine vertikal fluchtende Anordnung der Flachrohre 44, 46 des Wärmetauschers 20 mit den Flachrohren des Gaskühlers 18. Insbesondere handelt es sich um dieselbe Rohrart (Standardkomponenten).

Claims

Innerer Wärmetauscher für einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage, mit mehreren von dem Kältemittel durchströmten, parallel angeordneten Wärmetauscherrohren und je einem Verteilerkopf (50), der die Enden der Wärmetauscherrohre unter Bildung wenigstens einer Verteilerkammer (48, 54) für das Kältemittel umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkopf (50) eine Umfangswand (56) in Form eines offenen Profilrohres aufweist.
Innerer Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das offene Profilrohr offene Längsränder aufweist, an denen parallel zueinander verlaufende Abschnitte (64) angeformt sind, an deren Innenflächen die Schmalseiten der Wärmetauscherrohre befestigt sind.
Innerer Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkopf (50) zwei zueinander parallele Stirnwände (58, 60) aufweist, die als separate Bauteile hergestellt sind und bei der Montage verbunden werden.
Innerer Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswand (56) und die Stirnwände (58, 60) als separate Bauteile hergestellt sind und bei der Montage miteinander verbunden werden.
Innerer Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswand (56) und die Stirnwände (58, 60) durch Crimpen miteinander verbunden sind.
Innerer Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwände (58, 60) integral angeformte Anschlußstutzen (38, 68; 22, 76) aufweisen.
Innerer Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennwand (52) vorgesehen ist, die den Innenraum des Verteilerkopfes (50) strömungsmäßig in eine erste und eine zweite Verteilerkammer (48, 54) unterteilt, wobei sich ein Teil der Wärmetauscherrohre durch die erste Verteilerkammer (48) hindurch in die zweite Verteilerkammer (54) erstreckt.
Innerer Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Wärmetauscherrohren um zu einem einzigen Bündel (42) zusammengefaßte Flachrohre (44, 46) mit zwei unterschiedlichen Längen handelt, und daß in der ersten Verteilerkammer (48) zu beiden Seiten des Bündels (42) Durchströmwege (66) für das Kältemittel zwischen den Schmalseiten der Wärmetauscherrohre und der Innenfläche der Umfangswand (56) des Profilrohres vorgesehen sind.
Baugruppe für einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage, umfassend einen Gaskühler (18) und einen inneren Wärmetauscher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.
Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen niederdruckseitigen Sammler (36) umfaßt.