DE102005059920B4

DE102005059920B4 - Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer

Info

Publication number: DE102005059920B4
Application number: DE102005059920.6A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dürr Gottfried; Dipl.-Ing. Kranich Michael; Dipl.-Ing. Staffa Karl-Heinz; Dipl.-Ing. Walter Christoph
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2025-12-14
Also published as: DE102005059920A1; EP1798505A2

Abstract

Wärmetauscher (1), insbesondere Verdampfer, mit mindestens einem Rohr (4; 1005) über welches ein Medium zumindest einem Teilbereich des Wärmetauschers (1) zuführbar ist, einer Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen (9') im Rohr (4; 1005), welche eine Verteilung des Mediums auf zumindest den Teilbereich des Wärmetauschers (1) ermöglichen, einer Mehrzahl von über die Durchtrittsöffnungen (9') mit dem Rohr (4; 1005) direkt oder indirekt verbundener, eine Wärmeübergangsfläche bildender Elemente, durch welche das Medium strömen kann, das bei Betrieb insbesondere zumindest teilweise einen Phasenwechsel durchläuft, und mindestens einem Saugrohr, durch welches das Medium aus dem Wärmetauscher (1) abgeleitet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Strömungsquerschnitt der einzelnen Durchtrittsöffnungen (9') mindestens eines der zuführenden Rohre (4; 1005) in Fluidzuführrichtung zur nachfolgenden Wärmeübergangsfläche der Bedingunggenügt, wobei d der Durchmesser der jeweiligen Durchtrittsöffnung (9') und n die Nummer der Durchtrittsöffnung (9') in Fluidzuführrichtung ist, und a, b, c und Δ Konstanten sind, wobei Δ maximal 0,2 beträgt, wobei a in einem Bereich von +3,2 bis +3,6 liegt, insbesondere +3,4286 ± 5% beträgt, b in einem Bereich von -0,5 bis -0,2 liegt, insbesondere -0,3536 ± 5% beträgt, und c in einem Bereich von 0 bis +0,1 liegt, insbesondere +0,0179 ± 5% beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Verdampfer, wie er insbesondere zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der EP 1 065 453 B1 ist ein Verdampfer bekannt, bei welchem die Sammelbehälter durch Bleche mit Drosselöffnungen zum Verkleinern des Kältemitteldurchlassquerschnitts zwischen den einzelnen Verteilungstankabschnitten versehen sind. Die Drosselöffnungen sind hierbei ausschließlich im unteren Sammelbehälter vorgesehen und dienen der Vergleichmäßigung der Kältemittelverteilung auf die einzelnen Mehrkanal-Flachrohre des Verdampfers. Ein derartiger Verdampfer lässt noch Wünsche offen.
Ferner ist bei einem zweiphasig vorliegenden Kältemittel zur Vergleichmäßigung der Kältemittelverteilung auf vier einzelne, parallel zueinander angeordnete Rohre bekannt, den Durchmesser des zuführenden Rohres kontinuierlich über die Länge zu verringern (JP H03- 260 567 A).
Ebenfalls ist aus der GB 2 392 233 A bekannt, die Öffnungen zwischen einem Sammelbehälter und Flachrohren derart auszugestalten, dass die Öffnungen im mittleren Bereich des Sammelbehälters oder Verteilerrohres größer sind als die Öffnungen an den beiden Seiten. Dabei können im Verteilerrohr Turbulenzerzeuger in Form von Schlitzen vorgesehen sein, deren nach innen in Richtung Mitte des Sammelbehälters vorstehende Grate nach außen bis zur Anlage an die Innenwand des Sammelbehälters umgebogen sind. Jeder der Schlitze wird hierbei mittels eines Schneidwerkzeugs mit einer spitz zulaufenden Schneide gebildet, wobei die Breite der Schlitze variiert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Wärmetauscher vorgesehen, insbesondere ein Verdampfer, mit mindestens einem Rohr über welches ein Medium zumindest einem Teilbereich des Wärmetauschers zuführbar ist, einer Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen im Rohr, welche eine Verteilung des Mediums auf zumindest den Teilbereich des Wärmetauschers ermöglichen, einer Mehrzahl von über die Durchtrittsöffnungen mit dem Rohr direkt oder indirekt verbundener, eine Wärmeübergangsfläche bildender Elemente, durch welche das Medium strömen kann, das bei Betrieb insbesondere zumindest teilweise einen Phasenwechsel durchläuft, und mindestens einem Saugrohr, durch welches das Medium aus dem Wärmetauscher abgeleitet werden kann, wobei der freie Strömungsquerschnitt der einzelnen Durchtrittsöffnungen mindestens eines der zuführenden Rohre in Fluidzuführrichtung zur nachfolgenden Wärmeübergangsfläche der Bedingung $d (n) = (a + bxn + {cxn}^{2}) \pm Δ x (a + bxn + {cxn}^{2})$
genügt. Hierbei ist n die Nummer der Durchtrittsöffnung in Fluidzuführrichtung, a, b, c und d sind Konstanten, wobei Δ maximal 0,2, vorzugsweise 0,1 und besonders bevorzugt 0,05 beträgt. Im Falle nicht kreisförmiger Querschnitte tritt der hydraulisch gleichwertige Durchmesser an Stelle des Durchmessers.
Die Konstanten a, b und c liegen bevorzugt in den folgenden Bereichen: a in einem Bereich von +3,2 bis +3,6, insbesondere +3,4286 ± 5%, b in einem Bereich von -0,5 bis -0,2, insbesondere -0,3536 ± 5%, und c in einem Bereich von 0 bis +0,1, insbesondere +0,0179 ± 5%. Besonders bevorzugter Wert für a ist +3,4286, für b -0,3536 und für c +0,0179. Hierbei sind vorzugsweise an einem zuführenden Rohr drei bis zwölf, insbesondere fünf bis zehn und insbesondere bevorzugt sechs bis acht Durchtrittsöffnungen vorgesehen. Die angegebenen Werte ermöglichen insbesondere bevorzugt bei genau sieben Durchtrittsöffnungen eine optimale Verteilung des als Medium dienenden Kältemittels und führen dadurch zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung. Dabei kann eine derartige Ausgestaltung sowohl bei einem Einspritzrohr als auch bei einem Überströmrohr vorgesehen sein. Insbesondere wenn ein Überströmrohr vorhanden ist, ist auf eine gleichmäßige Verteilung des Massenstroms zu achten, da im Bereich des Überströmrohres der Anteil gasförmiger Phase größer als am Einspritzrohr ist, so dass im nachfolgenden Wärmetauscherbereich die Gefahr einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung deutlich größer ist.
Bevorzugt beträgt die Differenz des maximalen und des minimalen Durchmessers der Durchtrittsöffnungen dividiert durch den maximalen Durchmesser der Durchtrittsöffnungen mindestens 0,3, vorzugsweise mindestens 0,4. Der freie Strömungsquerschnitt im Einspritzrohr und/oder Überströmrohr ist hierbei vorzugsweise im Wesentlichen konstant, worunter im Folgenden Änderungen von weniger als ± 5% verstanden werden. Jedoch können auch Maßnahmen getroffen werden, um den Querschnitt zumindest bereichsweise zu verändern, insbesondere zu verringern, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums erhöht wird, wodurch eine bessere Vermischung der flüssigen und gasförmigen Phase erfolgt.
Im Einspritzrohr und/oder im Überströmrohr ist vorzugsweise eine Hülse zur Verringerung des freien Strömungsquerschnitts vorgesehen. Die Hülse ist hierbei vorzugsweise zumindest bereichsweise geschlitzt ausgebildet, wobei die Hülse vorzugsweise über maximal dreiviertel, insbesondere über die Hälfte, des Innenumfangs des Einspritzrohres anliegt.
Der Schlitz in der Hülse kann sich zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in Strömungsrichtung des Mediums verengen, so dass der freie Strömungsquerschnitt des Einspritzrohres bzw. Überströmrohres verringert wird.
Das Einspritzrohr und/oder das Saugrohr und/oder ein Überströmrohr, welches zwischen zwei Rohrreihen angeordnet ist, weist vorzugsweise einen im Wesentlichen D-förmigen Querschnitt auf. Hierbei sind die Abstände der Durchtrittsöffnungen zum oberen Bereich des Rohres, in welchem sich üblicherweise die gasförmige Phase ansammelt, gering, so dass bereits mit relativ einfachen Maßnahmen ein vermehrtes Ansaugen der gasförmigen Phase realisiert werden kann.
Vorzugsweise beträgt der Innendurchmesser des Einspritzrohres zumindest in einem Bereich, in welchem Durchtrittsöffnungen vorgesehen sind, zwischen 2,0 mm und 3,0 mm, insbesondere zwischen 2,2 mm und 2,6 mm, wobei im Falle nicht kreisförmiger Querschnitte der hydraulisch gleichwertige Innendurchmesser an die Stelle des Innendurchmessers tritt. Diese Abmessungen ermöglichen eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels.
Der Innendurchmesser des Saugrohres beträgt vorzugsweise zwischen 4,0 mm und 6,6 mm, insbesondere zwischen 4,5 mm und 6,0 mm, wobei im Falle nicht kreisförmiger Querschnitte der hydraulisch gleichwertige Innendurchmesser an Stelle des Innendurchmessers tritt.
Ist ein Überströmrohr vorgesehen, so beträgt der Innendurchmesser des Einspritzrohres vorzugsweise 2,0 mm bis 3,0 mm, insbesondere zwischen 2,2 mm und 2,6 mm, der Innendurchmesser eines Überströmrohres 2,0 mm bis 4,5 mm, insbesondere zwischen 3,0 mm und 4,0 mm, und der Innendurchmesser des Saugrohres zwischen 4,0 mm und 6,6 mm, insbesondere zwischen 4,5 mm und 6,0 mm, wobei im Falle nicht kreisförmiger Querschnitte der hydraulisch gleichwertige Innendurchmesser an Stelle des Innendurchmessers tritt.
Im Einspritzrohr liegt in den freien Strömungsquerschnitten zumindest im Bereich der Durchtrittsöffnungen bei normalen Betriebsbedingungen des Wärmetauschers eine konstante Massenstromdichte mit einer Schwankungsbreite von maximal ± 20%, insbesondere ± 10%, besonders bevorzugt von ± 5%, zwischen den einzelnen Querschnitten vor. Um dies zu erreichen sind die freien Strömungsquerschnitte entsprechend ausgelegt.
Beim Wärmetauscher handelt es sich vorzugsweise um einen Verdampfer, insbesondere bevorzugt um einen Verdampfer in Plattenbauweise oder Serpentinenbauweise.
Bevorzugt ist das Einspritzrohr bzw. das Überströmrohr an der oberen Seite des Wärmetauschers angebracht. Prinzipiell ist jedoch auch eine andere Anbringung möglich.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Varianten, teilweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung, im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 einen Ausschnitt eines Schnitts in Längsrichtung eines Verdampfers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine Draufsicht auf einen Teil der Einspritzplatte,
3 einen Schnitt in Längsrichtung durch die in 2 dargestellte Einspritzplatte,
4 eine Detailansicht eines Bereichs von 3,
5 einen Ausschnitt eines Schnitts in Längsrichtung eines Verdampfers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
6 eine Verteilerplatte gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
7 eine Einspritzplatte gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
8 einen Verdampfer mit U-förmig gebogenen Flachrohren,
9 einen Schnitt IX-IX durch den Verdampfer von 8,
10 einen Schnitt X-X durch den Verdampfer von 8,
11 einen Verdampfer mit hintereinander geschalteten U-förmigen Rohren (Umlenkung in der Breite),
12 einen Wärmetauscher in einer Teilansicht,
13 einen Wärmetauscher in einer Teilansicht,
14 eine Vorderansicht eines Wärmetauschers,
15 eine Draufsicht auf den Wärmetauscher von 14,
16 eine Seitenansicht des Wärmetauschers von 14,
17 eine Teilansicht einer Schnittdarstellung des Wärmetauschers von 14 in Längsrichtung des Einspritzrohres,
18 eine Teilansicht einer anderen Schnittdarstellung des Wärmetauschers von 14 in Längsrichtung des Saugrohres,
19 eine Teilansicht einer weiteren Schnittdarstellung des Wärmetauschers von 14 in Längsrichtung des Übertrittsrohres,
20 eine Draufsicht auf die Verteilerplatte des Wärmetauschers von 14,
21 eine Schnittdarstellung der Einspritzplatte des Wärmetauschers von 14,
22 eine Draufsicht auf die Einspritzplatte von 21,
23 eine Draufsicht auf die Bodenplatte des Wärmetauschers von 14,
24 eine Schnittdarstellung eines Flachrohres des Wärmetauschers von 14,
25 eine Draufsicht auf eine Verteilerplatte gemäß einer Variante des Wärmetauschers von 14, und
26 eine Draufsicht auf die Einspritzplatte des Wärmetauschers von 25.

Ein Verdampfer 1, der bei Betrieb von einem Kältemittel, vorliegend von R744, durchströmt wird, weist eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten, U-förmig gebogenen Flachrohren mit dazwischen angeordneten Wellrippen 3 auf. Ferner sind ein Einspritzrohr 4, durch welches kaltes Kältemittel in den Verdampfer 1 gelangt, eine Einspritzplatte 5, die zwischen dem Einspritzrohr 4 und den Flachrohren 2 angeordnet ist und in Verbindung mit einer Verteilerplatte 6 und einer Bodenplatte 7 einen oben angeordneten Sammelkasten bildet, und ein Austritts- oder Saugrohr (nicht dargestellt) vorgesehen, durch welches das erwärmte Kältemittel aus dem Verdampfer 1 abgeführt wird.
Die Einspritzplatte 5 ist derart ausgebildet, dass sie eine Mehrzahl von mittels Stanzens hergestellten Durchzügen 8 aufweist, die mit Bohrungen 9 im Einspritzrohr 4 korrespondieren, wobei die Durchzüge 8 bis in die Bohrungen 9 im Einspritzrohr 4 ragen, in dem sie vorliegend relativ bündig mit der Innenmantelfläche desselben enden. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sieben Durchzüge 8 für die Einleitung von Kältemittel und entsprechend sieben Bohrungen 9 im Einspritzrohr 4 vorgesehen, welche Durchtrittsöffnungen 9' zu den Flachrohren 2 bilden. Entsprechende Durchzüge 8 und Bohrungen sind für den Austritt des Kältemittels in ein Saugrohr (nicht dargestellt), nachdem es den Verdampfer 1 durchströmt hat, vorgesehen. Die 3 und 4 zeigen Schnitte durch die Durchzüge 8, diese entsprechen jedoch - abgesehen vom Durchmesser der Durchzüge - den Durchzügen 8 für den Kältemitteleintritt. Das Saugrohr weist, da in Folge des Verdampfens von Kältemittel ein größerer Volumenstrom durchgeleitet werden muss, einen größeren Innendurchmesser als das Einspritzrohr 4 auf.
Erfindungsgemäß haben die Durchzüge 8, welche die Durchtrittsöffnungen 9' bilden, einen (Innen-)Durchmesser d, der in Abhängigkeit mit der Position im Einspritzrohr 4 ist, wobei der für das Kältemittel freie Querschnitt bei allen Einspritzöffnungen sich über die Länge des Einspritzrohres 4 verkleinert. Der Durchmesser d ergibt sich hierbei im Wesentlichen aus der Formel: $d (n) = a + bxn + {cxn}^{2}$
wobei relativ geringe Abweichungen vom durch die Formel angegebenen Idealwert, insbesondere aus Toleranzgründen, möglich sind. Hierbei beträgt vorliegend a +3,4286, b -0,3536 und c +0,0179 und n entspricht der Nummer der Durchtrittsöffnung in Strömungsrichtung, so dass sich für den ersten Durchmesser 3,1 mm, den zweiten Durchmesser 2,8 mm, den dritten Durchmesser 2,5 mm, den vierten Durchmesser 2,3 mm, den fünften Durchmesser 2,1 mm, den sechsten Durchmesser 2,0 mm und den siebten Durchmesser 1,8 mm ergibt. Vorliegend beträgt das Verhältnis der Differenz des größten und kleinsten Durchmessers zum größten Durchmesser 0,42. Der Außendurchmesser des Einspritzrohres beträgt vorliegend 10 mm, die Wandstärke 2 mm, so dass sich ein Innendurchmesser D_h von 6 mm ergibt. Im Gegensatz hierzu ist der Durchmesser der Bohrungen und Durchzüge 8 für den Kältemittelaustritt konstant, wie auch der Innendurchmesser des Saugrohres.
Der Abstand der Bohrungsmittelpunkte der ersten und zweiten Bohrung, der dritten und vierten Bohrung, der fünften und sechsten Bohrung ist konstant, wie auch der Abstand zwischen der zweiten und dritten Bohrung, der vierten und fünften Bohrung sowie der sechsten und siebten Bohrung. Entsprechendes gilt auch für die Abstände der Durchzüge 8, wie auch der Bohrungen und Durchzüge 8 für den Kältemittelaustritt.
Der Kältemittelstrom wird durch die Verteilerplatte 6 vorgegeben. Diese weist eine Struktur mit etwa I-förmigen und H-förmigen Öffnungen auf, die in Teilbereichen, d.h. unter Auslassung der übereinander angeordneten H-förmigen Öffnungen bei Verkürzung und geänderter Ausgestaltung eines der beiden Endbereiche, der Struktur der Verteilerplatte 6, die in 6 dargestellt ist, entspricht. Hierbei ist jeweils eine I-förmige Öffnung im Bereich der Durchtrittsöffnungen 9´ und in Verlängerung derselben entsprechend auch im Bereich der Durchtrittsöffnungen für den Kältemittelaustritt vorgesehen. Um das Ein- bzw. Ausströmen des Kältemittels zu verbessern, weisen die I-förmigen Öffnungen im mittleren Bereich eine kreisförmige Erweiterung auf. Das eingeleitete Kältemittel verteilt sich relativ gleichmäßig auf die vordere, d.h. luftanströmseitig angeordnete Hälfte der Strömungskanäle der Flachrohre, strömt nach unten, wird durch den Bogen des U-förmig gebogenen Flachrohres umgelenkt, strömt wieder nach oben, wo es wieder in den Bereich der Verteilerplatte 6 gelangt. Die H-förmige Öffnung weist die etwa doppelte Höhe der I-förmigen Öffnung auf, wobei der mittlere Bereich einen Übergang von einem Flachrohr zum benachbarten Flachrohr, das in zur Mittellängsachse der H-förmigen Öffnung (die in Luftströmungsrichtung verläuft) spiegelbildlicher Weise durchströmt wird, ermöglicht. Durch die H-förmige Öffnung wird das Kältemittel nach hinten umgelenkt und strömt von oben nach unten in den anderen Teil der Flachrohrkanäle, die entgegengesetzt zu den vorderen Kanälen durchströmt werden, so dass das Kältemittel an der hinteren I-förmigen Öffnung wieder austritt und den Verdampfer über die entsprechende Durchtrittsöffnung zum Saugrohr verlässt.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 5 das zweite Ausführungsbeispiel näher erläutert. Hierbei stimmt - soweit nachfolgend nicht ausdrücklich näher beschrieben - der Aufbau des Verdampfers 1 einschließlich der Abmessungen mit dem des ersten Ausführungsbeispiels überein, so dass gleiche und gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist im entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildeten Verdampfer 1 im Einspritzrohr 4 zusätzlich eine Hülse 20 vorgesehen, welche durch ein in Längsrichtung durchgehend breit geschlitztes Rohr gebildet wird. Der Schlitz nimmt vorliegend etwa die Hälfte des entsprechenden Hohlzylinders ein, so dass die Hülse 20, wie in 5 dargestellt, nur im den Bohrungen 9 gegenüberliegenden Bereich des Einspritzrohres 4 angeordnet ist und den freien Strömungsquerschnitt verringert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels erhöht wird. Zudem wird der obere Bereich, in welchem sich bevorzugt die gasförmige Phase ansammelt, näher an den Eintritt in die Durchtrittsöffnungen 9' gebracht. Die Hülse 20 verläuft im Wesentlichen über die gesamte gerade Länge des Einspritzrohres 4, d.h. sie beginnt vor der ersten Bohrung 9. Sie hat eine Wandstärke von 1,5 mm, so dass sich der Querschnitt entsprechend von oben und dem oberen Bereich der Seiten her verringert, wodurch sich eine verringerte Höhe und ein entsprechend verringerter gleichwirkender hydraulischer Durchmesser D_h von 4,5 mm ergibt, der entsprechend kleiner als beim ersten Ausführungsbeispiel ist. In Folge des verkleinerten hydraulischen Durchmessers des Einspritzrohres 4 ergibt sich ein Verhältnis von mittlerem Durchmesser der Durchtrittsöffnungen zum hydraulischen Durchmesser von 0,53, wodurch sich eine optimale Temperaturverteilung des Verdampfers auch bei relativ geringen Kältemitteldurchsätzen (ca. 10 kg/h) ergibt.
In den 6 und 7 ist die Verteilerplatte 6 bzw. die Einspritzplatte 5 eines Verdampfers dargestellt, welcher zehn Durchtrittsöffnungen aufweist. Hierbei erfolgt ausgehend von jeder der Durchtrittsöffnungen eine zweifache Umlenkung in die Breite des Verdampfers (sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite) und eine einfache Umlenkung in die Tiefe des Verdampfers. Die Abmessungen der einzelnen Durchtrittsöffnungen entsprechen im Wesentlichen der zuvor genannten Formel.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen von Verdampfern, bei denen die Ausgestaltung des Einspritzrohres und der Durchtrittsöffnungen entsprechend den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgen kann, werden in ihrem allgemeinen Aufbau unter Bezugnahme auf die 8 ff. im Folgenden beschrieben. Die Verdampfer der 8 bis 13 sind in Hinblick auf ihre allgemeine Ausgestaltung in der DE 102 60 107 A1 offenbart, deren gesamter Offenbarungsgehalt in Bezug auf die allgemeine Ausgestaltung der Verdampfer ausdrücklich mit einbezogen wird.
Der in den 8 bis 10 dargestellte Verdampfer 70 weist eine Mehrzahl U-förmig gebogener Flachrohre 71a, 71b, 71c usw. auf. Jedes Flachrohr weist zwei Schenkel 72 und 73 auf. Die freien Enden der Schenkel 72 und 73 sind in einer Bodenplatte 74 befestigt (siehe 9 und 10). Über der Bodenplatte 74 ist eine Verteilerplatte 75 angeordnet, welche abwechselnd zwei in Tiefenrichtung hintereinander liegende, schlitzförmige Durchbrüche 76, 77 unter Belassung eines Steges 78 sowie einen in Tiefenrichtung durchgehenden Umlenkkanal 79 aufweist. Eine benachbart zur Verteilerplatte 75 angeordnete Einspritzplatte 80 ist in der Darstellung von 8 weggelassen.
Die Strömung des Kältemittels erfolgt entsprechend den Pfeilen, d.h. das Kältemittel tritt bei E in den vorderen Strömungsabschnitt des Flachrohres 71a ein, strömt zunächst nach unten, wird dann unten umgelenkt, strömt dann nach oben und gelangt in den Umlenkkanal 79, wo es dem Pfeil U entsprechend in die Tiefe umgelenkt wird, strömt dann auf der Rückseite nach unten, wird dort umgelenkt und strömt dann wieder nach oben, um über den Pfeil A durch den Durchbruch 77 durchzutreten.
Die Zu- und Abfuhr des Kältemittels ist aus 9 ersichtlich, in welcher die Einspritzplatte 80 sowie das Einspritzrohr 81 und das Saugrohr 82 dargestellt sind. Die Verteilerplatte 75 weist zwei Durchbrüche 76c und 77c auf, die durch den Steg 78c voneinander getrennt sind. In der Einspritzplatte 80 ist ein Kältemitteleintrittsdurchbruch 83 vorgesehen, der mit einem fluchtend angeordneten Kältemitteldurchbruch 84 im Einspritzrohr 81 angeordnet ist.
Vorliegend sind der Kältemitteleintrittsdurchbruch 83, wie auch der Kältemitteldurchbruch 84 durch gratlose Bohrungen gebildet, jedoch kann auch eine Ausgestaltung entsprechend dem Ausführungsbeispiel von 1 vorgesehen sein, d.h. die Verteilerplatte 75 weist überstehende Ränder auf, welche in das Einspritzrohr 81 hineinragen und bündig mit dem Kältemitteldurchbruch 84 enden. Die Ränder können gemäß einer weiteren Variante auch bis in den Innenraum des Einspritzrohres 81 ragen, so dass eine verstärkte Durchmischung der flüssigen und gasförmigen Phase des Kältemittels erfolgt. Die freien Strömungsquerschnitte entsprechen jedoch der o.g. Formel.
In ähnlicher Weise sind auf der Seite des Saugrohres 82 ein Kältemittelaustrittsdurchbruch 85 in der Einspritzplatte 80 und ein fluchtend angeordneter Kältemitteldurchbruch 86 im Saugrohr 82 angeordnet. Auch in diesem Fall können die vorliegend als Bohrungen ausgebildeten Durchbrüche 85, 86 entsprechend 1 ausgebildet sein.
Das Einspritzrohr 81 und das Saugrohr 82 sind dicht- und druckfest mit der Einspritzplatte 80 verlötet, ebenso wie die anderen Teile 75, 74 und 71c.
Die Umlenkung in die Tiefe ist besonders gut aus der Schnittdarstellung von 10 ersichtlich, welche einen Schnitt durch den Umlenkkanal 79d zeigt. Entsprechend den Pfeilen von 10 strömt das von unten kommende Kältemittel nach oben in den Umlenkkanal 79d, in welchem es nach rechts (Tiefenrichtung) umgelenkt wird und tritt in den hinteren Abschnitt des Flachrohres 71d ein, in welchem es von oben nach unten strömt. Es ist somit jeweils eine einfache Umlenkung in die Breite und in die Tiefe vorgesehen.
Wie aus der Darstellung von 8 ersichtlich, sind eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen vom Einspritzrohr 81 in den Sammelkasten und von dem Sammelkasten zum Saugrohr 82 erforderlich, vorliegend je eine pro U-förmig gebogenem Flachrohr 71.
Um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Wärmeübertragungsfläche des Verdampfers zu ermöglichen, sind die freien Durchtrittsöffnungen ausgehend vom Einspritzrohr entsprechend der im ersten Ausführungsbeispiel genannten Formel einschließlich der genannten Werte für a, b und c ausgebildet.
11 zeigt eine Ausführungsform eines Verdampfers 90, der eine Mehrzahl U-förmig gebogener Flachrohre 91a, 91b, 91c etc. aufweist, welche eine zweifache Umlenkung in der Breite und eine einfache Umlenkung in der Tiefe ermöglicht. Hierfür ist die Verteilerplatte 93 derart ausgebildet, dass für die Umlenkung in der Breite zwei Durchbrüche 96 und 98 über einen Querkanal 101 miteinander verbunden sind, wobei die Durchbrüche 96, 98 und der Querkanal eine H-förmige Öffnung in der Verteilerplatte 93 bilden. Für die Umlenkung in die Tiefe ist ein langer Umlenkkanal 102 vorgesehen, welcher dem Umlenkkanal 79 des zuvor beschriebenen Verdampfers entspricht. Der Kältemittelverlauf ist in 11 durch Pfeile im linken Teil des Verdampfers dargestellt. Hierbei tritt das Kältemittel bei A in den vorderen Teil des linken Schenkels des Flachrohres 91a ein, strömt nach unten, wird in die Breite umgelenkt, strömt wieder nach oben und tritt aus dem Flachrohr 91a aus, in einen Durchbruch der Verteilerplatte 93, strömt entlang dem Pfeil B durch den Querkanal 101 und tritt in das benachbarte Flachrohr 91b ein, welches es durchströmt. Von dort gelangt es in den Umlenkkanal 102 und wird dem Pfeil C folgend in den hinteren Teil des Flachrohres 91b geleitet, welchen es entgegen der Durchströmungsrichtung des vorderen Teils durchströmt. Über einen Querkanal 100, welcher zwischen zwei Durchbrüchen 97 und 99 angeordnet ist und der in seiner Ausgestaltung vorliegend dem Querkanal 101 zwischen den Durchbrüchen 96 und 98 entspricht, gelangt das Kältemittel zum ersten Flachrohr 91a, welches es ebenfalls entgegen der Durchströmungsrichtung des vorderen Teils durchströmt, und tritt bei D wieder aus, von wo aus es in das Saugrohr (nicht dargestellt) gelangt. In Folge der zweifachen Umlenkung in der Breite ist die erforderliche Anzahl von Durchtrittsöffnungen im Einspritz- und Saugrohr gegenüber dem zuvor beschriebenen Verdampfer halbiert. Die Ausgestaltung von Einspritz- und Saugrohr entspricht der des zuvor beschriebenen Verdampfers, d.h. die Durchmesser der Durchtrittsöffnungen der Zuleitungen sind entsprechend der o.g. Formel ausgebildet.
12 zeigt eine Variante des Verdampfers von 11, wobei die einzelnen Einheiten spiegelbildlich zueinander angeordnet sind. Wie im Bereich der am weitesten links angeordneten, benachbarten Umlenkkanäle angedeutet, ist auch in diesem Bereich eine H-Form der Öffnung in der Verteilerplatte möglich, so dass ein Kältemittelaustausch zwischen benachbarten Einheiten im Bereich der Umlenkung in der Tiefe möglich ist.
13 zeigt eine Variante des Verdampfers von 12, wobei sich die Unterteilungen in die Tiefe unterscheiden. Die Ausgestaltung des Einspritzrohres einschließlich der Abmessungen der Durchtrittsöffnungen entspricht wiederum der von 1.
Obwohl nicht in der Zeichnung dargestellt, ist auch eine Zusammenlegung der Ein- und Ausleitungen benachbarter Einheiten möglich, wofür die entsprechenden Öffnungen in der Einspritzplatte und Verteilerplatte geeignet auszubilden sind. Die Öffnung in der Verteilerplatte ist hierbei bevorzugt H-förmig mit einem verbreiterten Steg für den Kältemittelein- bzw. -austritt ausgebildet.
In den 14 bis 26 ist ein weiterer Wärmetauscher sowie eine Variante hierzu dargestellt, bei denen die Ausgestaltung des Einspritzrohres und der Durchtrittsöffnungen entsprechend den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgen kann.
Der in den 14 bis 24 dargestellte Wärmetauscher ist ein Verdampfer für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage und weist eine rohrförmige Zuleitung 1001 sowie eine rohrförmige Ableitung 1002 auf. Die beiden Leitungen 1001 und 1002 sind parallel zueinander in einer Längsrichtung des Verdampfers oberhalb eines sich über die gesamte Verdampferlänge erstreckenden Sammelkastens 1003 angeordnet. Jenseits des Sammelkastens 1003 sind Zuleitung und Ableitung zu einer gemeinsamen Flanschplatte 1004 fortgeführt, über die sie mit der weiteren Klimaanlage des Fahrzeugs verbunden sind (nicht dargestellt). Im Bereich von Weiterführungen 1001a, 1002a zwischen Sammelkasten 1003 und Flanschplatte 1004 weisen die Leitungen 1001 und 1002 eine Anzahl von Knicken und Biegungen auf, wodurch sie an die individuelle Geometrie des Einbauraums im Fahrzeug adaptiert sind.
Auf Grund der Funktion eines Teils der Zuleitung 1001 sowie eines Teil der Ableitung 1002 wird dieser Teil auch als Einspritz- bzw. Saugrohr bezeichnet. Parallel zum entsprechenden Teil der Leitungen 1001 und 1002 ist ferner ein Überströmrohr 1005 oberhalb des Sammelkastens 1003 an diesem angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Breite des Verdampfers. Das Überströmrohr 1005 ist als an seinen beiden Enden jeweils verschlossener Rohrabschnitt ausgebildet. DerDurchmesser der Durchtrittsöffnungen ist entsprechend der beim ersten Ausführungsbeispiel genannten Formel ausgebildet.
Auf der Unterseite des Sammelkastens 1003 ist eine Mehrzahl von U-förmig gebogenen Flachrohren 1006, vorliegend zwanzig, angeordnet, wobei die Schenkelhöhen der U-förmigen Flachrohre 1006 zuzüglich der Sammelkastenhöhe und dem Einspritzrohr-, Überströmrohr- bzw. Saugrohraußendurchmesser insgesamt die Bauhöhe des Verdampfers ergeben.
Jedes der Flachrohre 1006 weist eine Mehrzahl von Kammern oder Kanälen 1006a auf (siehe Querschnitt durch einen der Flachrohrschenkel von 16). Dabei bilden im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur jeweils die Hälfte der Kammern 1006a jedes der Flachrohre 1006 zusammen einen Strömungspfad aus bzw. sind parallel angeordnet. In Richtung des Luftstroms, also senkrecht zur Zeichenebene gemäß 14, liegen somit jeweils zwei Strömungspfade in jedem Flachrohr 1006 in der Tiefe hintereinander.
Die Flachrohre 1006 sind mit ihren Enden jeweils in Durchbrüche 1007a einer Bodenplatte 1007 (siehe 15) eingeführt und mit derselben verlötet. Ein zentraler, in Längsrichtung verlaufender Steg 1007b der Bodenplatte 1007 trennt dabei die beiden Gruppen von Kammern 1006a der Flachrohre 1006 voneinander.
Zur weiteren Ausbildung des Sammelkastens 1003 ist eine Verteilerplatte 1008 (siehe 12) plan auf die untere Bodenplatte 1007 aufgelegt und flächig zumindest jedoch entlang geschlossener Randlinien mit derselben verlötet. Die Verteilerplatte 1008 hat eine Anzahl von kulissenartigen Durchbrüchen 1008a, die teilweise mit den Durchbrüchen 1007a der Bodenplatte 1007 und somit mit den Stirnflächen der Flachrohre 1006 fluchten. Nicht fluchtende Teile der Durchbrüche, z.B. H-förmige Durchbrüche 1008b der Verteilerplatte 1008, sind dazu vorgesehen, verschiedene Strömungspfade miteinander zu verbinden. Die gezeigten H-förmigen Durchbrüche verbinden dabei jeweils zwei benachbarte Flachrohre 1006 bzw. vier Strömungspfade miteinander.
Oberhalb der Verteilerplatte 1008 ist ein oberes Plattenelement, im Folgenden als Einspritzplatte 1009 bezeichnet, des Sammelkastens 1003 plan auf der Verteilerplatte 1008 aufgelötet. Die Einspritzplatte 1009 weist eine Anzahl von kreisförmigen Durchzügen 1009a auf, die mittels Stanzung von jeweils der gleichen Seite hergestellt wurden. Durch die Stanzung entsteht auf der der Verteilerplatte abgewandten Seite jeweils ein überstehender Kragen 1009b (siehe Seitenansicht der Verteilerplatte in 13), mittels dessen die Zuleitung 1001, d.h. das Einspritzrohr, die Ableitung 1002, d.h. das Saugrohr, und das Überströmrohr 1005 besonders leicht anbringbar sind.
Die rohrförmigen Leitungen 1001, 1002 und 1005 sind jeweils mit Bohrungen versehen, welche mit den zuvor beschriebenen Durchzügen 1009a der Einspritzplatte 1009 korrespondieren. Im Zuge der Montage des Verdampfers werden die Leitungen somit auf die Kragen 1009b aufgesteckt und kältemitteldicht verlötet, wodurch zugleich eine mechanisch sichere Verbindung zwischen Sammelkasten und Leitungen hergestellt ist.
Die Abstände der am weitesten entfernten Bohrungen ergeben eine wirksame Länge der jeweiligen Leitungen 1001, 1002 und 1005. Eine hinsichtlich des Wärmetauschs gesamte wirksame Verdampferlänge ist sinnvoll als der größte Abstand zweier Strömungspfade in Breitenrichtung des Verdampfers definiert. Hieraus ergibt sich, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die wirksame Länge der Zuleitung 1001 weniger als 40% der wirksamen Verdampferbreite beträgt.
Der Verdampfer funktioniert wie folgt:
Durch die Zuleitung 1001 wird dem Verdampfer ein unter hohem Druck stehendes und aus flüssiger und gasförmiger Phase bestehendes Kältemittel zugeführt (vorliegend Kohlendioxid, also R744). Das Kältemittel tritt durch die Durchzüge 1009a bzw. Löcher der Zuleitung 1001 in eine erste Gruppe aus acht Strömungspfaden ein. Es erfolgt in den H-förmigen Durchbrüchen eine Übergabe an die acht korrespondierenden, gegenüberliegenden Strömungspfade, wobei jeweils ein zuerst und ein nachfolgend durchlaufener Strömungspfad zu dem gleichen Flachrohr gehören („Übergabe in die Tiefe“). Nach Passieren von sechzehn der insgesamt vierzig Strömungspfade des Verdampfers tritt das Kältemittel durch etwas größere Bohrungen in das Überströmrohr 1005 ein. Diese sechzehn ersten Strömungspfade, die den ersten acht Flachrohren von rechts gemäß 14 entsprechen, sind somit in einen ersten Abschnitt gruppiert.
Das Überströmrohr 1005 hat die Funktion eines Zwischensammlers, so dass das Kältemittel der verschiedenen Strömungspfade neu vermischt wird. Zugleich fließt es gemäß 14 nach links, wobei die Strömungsgeschwindigkeit gegenüber der Zuleitung 1001 bereits deutlich erhöht ist.
Auf der linken Seite des Verdampfers bilden die restlichen zwölf Flachrohre eine zweite Gruppe bzw. einen zweiten Abschnitt von insgesamt vierundzwanzig Strömungspfaden 1006 aus. Dabei erfolgt durch die Durchzüge 1009a zunächst der Eintritt von dem Überströmrohr 1005 in die ersten zwölf Strömungspfade des zweiten Abschnitts und dann mittels der H-förmigen Durchbrüche der Verteilerplatte in die zweiten zwölf Strömungspfade des zweiten Abschnitts. Der höheren Anzahl von Strömungspfaden des zweiten Abschnitts wird bei dem Überströmrohr 1005 dadurch Rechnung getragen, dass der Durchmesser der Durchzüge 1009a des zweiten Abschnitts kleiner ist als der Durchmesser der acht Durchzüge des ersten Abschnitts.
Letztlich tritt das im Wesentlichen verdampfte und entspannte Kältemittel aus besonders großen zwölf Durchzügen in die Ableitung 1002 ein, um von dort dem weiteren Kältekreislauf zugeführt zu werden.
Gemäß der Funktion des Verdampfers werden während des vorbeschriebenen Betriebs die Flachrohre 1006 von Luft umströmt, die nachfolgend zur Luftkonditionierung eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird.
Die in den 25 und 26 dargestellte Variante unterscheidet sich vom vorigen Ausführungsbeispiel lediglich in der Ausbildung der Durchzüge 1009a' und ihrer korrespondierenden Bohrungen in den Leitungen 1001, 1002 und 1005, sowie in der Ausformung der Verteilerplatte 1008'. Im Unterschied zum vorigen Ausführungsbeispiel sind hier einige der Durchbrüche 1009a' jeweils so ausgeformt, dass zwei Strömungspfade 1006a durch jeweils eine einzige Bohrung unmittelbar mit Kältemittel beschickt werden. Allerdings werden ebenso wie beim vorigen Ausführungsbeispiel weiterhin zwei Strömungspfade pro Abschnitt des Verdampfers durchströmt, wofür ebenfalls H-förmige Durchbrüche 1008a' zwecks Übergang zwischen den Strömungspfaden zuständig sind. Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Durchtrittsöffnungen in den Leitungen 1001 und 1005 entsprechend der beim ersten Ausführungsbeispiel genannten Formel ausgebildet, so dass eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Verdampferbreite möglich ist.

Claims

Wärmetauscher (1), insbesondere Verdampfer, mit mindestens einem Rohr (4; 1005) über welches ein Medium zumindest einem Teilbereich des Wärmetauschers (1) zuführbar ist, einer Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen (9') im Rohr (4; 1005), welche eine Verteilung des Mediums auf zumindest den Teilbereich des Wärmetauschers (1) ermöglichen, einer Mehrzahl von über die Durchtrittsöffnungen (9') mit dem Rohr (4; 1005) direkt oder indirekt verbundener, eine Wärmeübergangsfläche bildender Elemente, durch welche das Medium strömen kann, das bei Betrieb insbesondere zumindest teilweise einen Phasenwechsel durchläuft, und mindestens einem Saugrohr, durch welches das Medium aus dem Wärmetauscher (1) abgeleitet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Strömungsquerschnitt der einzelnen Durchtrittsöffnungen (9') mindestens eines der zuführenden Rohre (4; 1005) in Fluidzuführrichtung zur nachfolgenden Wärmeübergangsfläche der Bedingung $d (n) = (a + bxn + {cxn}^{2}) \pm Δ x (a + bxn + {cxn}^{2})$
genügt, wobei d der Durchmesser der jeweiligen Durchtrittsöffnung (9') und n die Nummer der Durchtrittsöffnung (9') in Fluidzuführrichtung ist, und a, b, c und Δ Konstanten sind, wobei Δ maximal 0,2 beträgt, wobei a in einem Bereich von +3,2 bis +3,6 liegt, insbesondere +3,4286 ± 5% beträgt, b in einem Bereich von -0,5 bis -0,2 liegt, insbesondere -0,3536 ± 5% beträgt, und c in einem Bereich von 0 bis +0,1 liegt, insbesondere +0,0179 ± 5% beträgt.
Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Δ maximal 0,1, insbesondere maximal 0,05, beträgt.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz des maximalen und des minimalen Durchmessers der Durchtrittsöffnungen (9') dividiert durch den maximalen Durchmesser der Durchtrittsöffnungen (9') mindestens 0,3, vorzugsweise mindestens 0,4 beträgt.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Strömungsquerschnitt im zuführenden Rohr (4; 1005) im Wesentlichen konstant ist.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zuführenden Rohr (4) eine Hülse (20) zur Verringerung des freien Strömungsquerschnitts vorgesehen ist.
Wärmetauscher (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (20) zumindest bereichsweise geschlitzt ausgebildet ist, wobei die Hülse (20) über maximal dreiviertel, insbesondere über die Hälfte, des Innenumfangs des Rohres (4) anliegt.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zuführende Rohr (4; 1005) und/oder das Saugrohr einen im Wesentlichen D-förmigen Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser oder hydraulisch gleichwertige Innendurchmesser des zuführenden Rohres (4; 1005), insbesondere eines Einspritzrohres, zumindest in einem Bereich, in welchem Durchtrittsöffnungen (9) vorgesehen sind, zwischen 2,0 und 3,0 mm, insbesondere zwischen 2,2 und 2,6 mm, beträgt.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser oder hydraulisch gleichwertige Innendurchmesser des Saugrohres zwischen 4,0 und 6,6 mm, insbesondere zwischen 4,5 und 6,0 mm, beträgt.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser oder hydraulisch gleichwertige Innendurchmesser eines das Medium zumindest einem Teilbereich des Wärmetauschers (1) zuführenden Einspritzrohres (4) 2,0 bis 3,0 mm, insbesondere zwischen 2,2 und 2,6 mm, der Innendurchmesser eines das Medium einem nachfolgenden Teilbereich des Wärmetauschers (1) zuführenden Überströmrohres (1005) 2,0 bis 4,5 mm, insbesondere zwischen 3,0 und 4,0 mm, und der Innendurchmesser des Saugrohres (10) zwischen 4,0 und 6,6 mm, insbesondere zwischen 4,5 und 6,0 mm, beträgt.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zuführenden Rohr (4; 1005) in den freien Strömungsquerschnitten zumindest im Bereich der Durchtrittsöffnungen (9') bei normalen Betriebsbedingungen des Wärmetauschers (1) eine konstante Massenstromdichte mit einer Schwankungsbreite von maximal ± 20%, insbesondere ± 10%, besonders bevorzugt von ± 5%, zwischen den einzelnen Querschnitten vorliegt.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zuführende Rohr (4; 1005) im betriebsbereiten Zustand an der oberen Seite des Wärmetauschers angebracht ist.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) ein Wärmetauscher in Plattenbauweise oder Serpentinenbauweise ist.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau sieben vom zuführenden Rohr (4) ausgehende, in Richtung Wärmeübertragungsfläche von Kältemittel durchströmbare Durchtrittsöffnungen (9) vorgesehen sind.
Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) ein Wärmetauscher für das Kältemittel R744 (CO₂) oder R134a ist.